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    海洋测绘中的验潮及潮位改正

    2013-07-01 15:20:31来源:
    聊聊

     

    潮汐观测通常称为水位观测又称验潮其目的是为了了解当地的潮汐性质应用所获得的潮汐观测资料来计算该地区的潮汐调和常数平均海平面深度基准面潮汐预报以及提供测量不同时刻的水位该正数等提供给有关军事交通水产盐业测绘等部门使用潮汐观测是海洋工程测量航道测量等工作的重要组成部分

    潮汐测量就是测量某固定点的水位随时间的变化,实际上就是测量该点的水深变化海道测量所采用的验潮站,分为长期验潮站与短期验潮站临时验潮站和海上定点验潮站,长期验潮站是测区水位控制的基础,它主要用于计算平均海面和深度基准面,计算平均海面要求有两年以上连续观测的水位资料短期验潮站用于补充长期验潮站的不足,它与长期验潮站共同推算?#33539;?#21306;域的深度基准面,一般要求连续30天的水位观测临时验潮站在水深测量期间设置,要求最少与长期验潮站或短期验潮站同步观测三天,以便联测平均海面或深度基准面,测深期间用于观测瞬时水位,进行水位改正海上定点验潮,最少在大潮期间与长期或短期站同步观测三次24h,用以推算平均海面深度基准面和预报瞬时水位
     
    第一节 固定验潮仪2.1.1仪器种类与性能
    1. 井式自记验潮仪
    其主要结构有验潮井浮筒记录装置组成
    工作原理如下通过在水面上随井内水面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动使得记录针在装有记录纸的记录滚筒上画线来记录水面的变化情况达到自动记录潮位的目的目前这种通过机械运动获得的潮位的过程可以通过数字记录仪来完成井式验潮结构见图9-7其特点是坚固耐用?#30636;?#24615;能良好其缺点是联通导管易堵塞成本高机动性差
    注井式验潮结构见海洋调查?#38469;?#21450;应用第106页图9-7
    井式自记验潮仪一般包括浮子式与引压钟式验潮仪[7]
    浮子式验潮仪是利用一漂浮于海面的浮子它随海面而上下浮动其随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的旋转记录?#35797;?#22312;记录纸上留下潮汐变化的曲线引压钟式验潮仪是将引压钟放置于水底将海水压力通过管路引到海面以上由自动记?#35745;?#36827;行记录为了消除波浪的影响需在水中建立验潮井即从海?#36164;?#19968;井至海面其井底留?#34892;?#23380;与井外的海水相通采用这种小孔?#30636;?/span>的方法将滤除海水的波动这样井外的海水在涌浪的作用下起伏变化而由于小孔的阻挡作用使井内的海面几乎不受影响它只随着潮汐而变井上一般要建屋以保证设备的工作环境这两种验潮仪由于安?#26696;?#26434;须打井建站适用于岸边的长期定点验潮其特点是精度较高维护方便但一次性投入费用较高不机动灵活对环境要求高(如供电防风防雨等)国内的长期验潮站大多采用这两种设?#28014;?/span>
     
    2. 超声波潮汐计验潮[8]
    超声波潮汐计主要有探头声管计算机等部分组成见图9-8其主要特点是利用声学测距原理进行非接触式潮位测量基本工作原理是通过固定在水位计顶端的声学换能器向下发射声信号信号遇到声管的校准空和水面分别产生回波同时记录发射接收的时间差进而求得水面高度特点是使用方面工作量小?#30636;?#24615;能好适用测量
    注声学水位计见海洋调查?#38469;?#21450;应用第107页图9-8
     
    3. 压力式验潮仪验潮[7]
    压力式验潮仪是一种较新型的验潮设备目前已逐步成为常用的验潮设备它是将验潮仪安置于水下固定位置通过检测海水的压力变化而推算出海面的起伏变化按结构可以分机械式水压验潮仪和电子式水压眼验潮仪机械式水压验潮仪主要有水压钟橡皮管U型水银管和自动记录装置组成电子式水压眼验潮仪主要有水下机水上机电缆数据链等部分组成注机械式水压验潮仪和电子式水压眼验潮仪见海洋调查?#38469;?#21450;应用第107页图9-9
    它的适用范围较前几种验潮仪要广它不需要打井建站无须海岸作依?#26657;?#19981;但适用于沿岸码头而且对于远离岸边及较深的海域的验潮它同样能胜任同时这种验潮仪轻便灵活对于海测部队的验潮作业机动灵活且时间较短(一般为一两个月)的应用场合这种验潮仪较为合适
    压力式验潮仪所采用的测压部件——压力传感器?#22336;?#20026;表压型和绝压型其工作原理略有不同但其基本测量原理是一样的即检测出海水的静压力将压力换算成水位其公式为:
    h=p/d
    式中 h——水深(cm)
    p——海水静压力(g/cm )
    d——海水的密度(g/cm )它是海水温度盐度的函数
    验潮仪以一定的时间间隔定时启动工作由此可测出不同时刻的水位这些不同时刻的水位值就是潮汐数据但对于不同类型的传感器具体计算方法也有所不同表压型传感器由于直接测出海水的静压力因此水位可直?#24433;?#19978;式计算而绝压型传感器所测压力并非海水静压力而是海水与大气压的合成压力因此其计算公式应为
    h= (p- p )/d
    式中
    h——水深
    p——检测压力
    p ——检测点检测时的大气压
    d——海水的密度
    压力式验潮仪的第一个特点是(以海军海洋测绘研究所研制的便携式验潮仪和自动验潮仪为例)适应性强测量水深为0~200m能适应不同深度的海区?#35789;?#28023;面结冰也仍能验潮在较浅水域一般小于10m时可安装水尺将验潮仪与水尺安装在一起零点归算到水尺上通过联测的方法?#19994;?#22823;地基准面与水尺零点的关系从而?#19994;?#39564;潮仪零点与大地基准面的关系同时还可将验潮仪的数据通过无线发射的方式由其天线发射出去使10km内的用户均能实时收到潮汐数据当在较深水域验潮时可使验潮仪工作在自容状态按预置的时间间隔定时启动工作测得的潮汐数据记在仪器内部的存贮器中待测量任务结束后由潜水员将设备捞出再通过?#28044;?#35835;出所记的潮汐数据水深过深潜水员无法打捞的水域可在验潮仪上加装声学释放器测量任务结束要打捞时通过声代码发射接收机向验潮仪发出声指令验潮仪在接到指令后控制声学释放器释放自动?#21387;成?#28014;到海面第二个特点是精度高压力测量精度可达0.1%FS其缺点是设备工作于自容方式时设?#35813;?#26377;电缆通到水上因此其供电只能靠电池由于其有水密要求因此更换电池不方便其次是这种验潮仪较声学式验潮仪成本高压力式验潮仪数据在计算时如果已进行了联测即?#19994;?#20102;验潮仪零点与大地基准面的关系就可直接将潮汐数据归算到任一已知基准面(如黄海平均海平面)如果布放点水深较深无法进行联测则验潮仪的工作时间应长一些一般为半个月或一个月甚至更长对长时间的潮汐数据进行处理算出调和常数?#39029;?#25972;个测量期间的平均海面?#28304;?#38754;作为基准面给出潮汐数据
     
    4. 声学式验潮仪[7]
    声学式验潮仪属无井验潮仪根据其声探头(换能器)安装在空气中或水中而分为两类探头安置在空气中的声学式验潮仪(如国家海洋局海洋?#38469;?#30740;究所生产的声学式验潮仪)是在海面以上固定位置安放一声学发射接收探头探?#33539;?#26102;垂直向下发射超声脉冲声波通过空气到达海面并经海面反射返回到声学探头通过检测声波发射与海面回波返回到声探头的历时来计算出探?#20998;?#28023;面的距离从而得到海面随时间的变化潮汐数据可存放于存贮器内待测量结束后提取出来其潮高为:
    H= h(c×Δt)2
    式中 H——潮高(m)
    h——声探头在深度基准面以上的高度(m)
    Δt——声脉冲在声探头与瞬时海面之间的往返时间(s)
    c——超声脉冲在空气中的传播速度(m/s)
    为已知量它是大气压力温度和湿度的函数
    这种验潮仪的安装一般需在海底打桩将验潮仪安装在桩的顶部并保证**时不淹没通过联测的方法?#19994;?#22823;地基准面与验潮仪零点的关系这种验潮仪特点在于:由于其安装位置可距海面较近声波在空气中的行程短因此精度较高由于设备安装在水上因此可通过岸电?#35789;?#22312;无岸电而采用电池时更换电池?#27493;?#26041;便且这种设备成本较低但是由于其需打桩的安装要求使它需以海岸作为依?#26657;?#19981;能离岸较远因此测量水深一般较?#22330;?#25506;头安置在水中的声学式验潮仪一是将一声学探头安放在海底定时垂直向上发射声波并接收海面的回波以测量安放点的水深此种方法由于声探头需有电缆连接因此不能离岸较远二是采用类似于测深仪的原理选一块平坦的海区将声探头放置于海面固定载体上一般为船或固定漂浮物定时向海底发射声波通过检测海底回波以检测载体所在位置的水深这两种声学验潮方法的特点是精度较低首先仪器本身存在至少几厘米的固有误差另外测量精度与由声探头的姿态有关同时一般水声换能器有一定的盲区因此根据换能器的不同安放位置需要有一定的水深而在此深度内海水中的声速不是恒定的它随海水温度及盐度的变化而改变同时还受到海水中的悬浮物等因素的影响水深越浅影响越大因此声速误差将影响到测深精度声学式验潮仪在离岸较远的验潮点不便使用在冬季岸边海水结冰后声学式验潮仪一般无法工作
     
    5.  GPS验潮[7]
    GPS验潮是随着差分GPS(DGPS)?#38469;?#30340;不断成熟和发展而逐步发展起来的新?#38469;?#23427;是目前GPS?#38469;?#21457;展的主攻方向之一目前尚处于试验阶段它是应用了GPS实时动态(Real Time Kinematic——RTK)测?#32771;际?#26159;GPS测?#32771;际?#19982;数据传输?#38469;?#30456;结合而构成系?#22330;?#20854;工作原理是在基准站安置一台GPS接收机对所有可见GPS卫星进行连续地观测并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站在用户机上GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时通过无线电接收设备接收基准站传输的数据然后根据相对定位的原理实时地计算并显示用户站的三维坐标
    DGPS验潮分为静态与动态验潮静态验潮是将DGPS验潮站的GPS接收天线安置在靠近岸边或海上固定处的浮?#19981;?#27979;量船上与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量求得DGPS验潮站瞬时海面高度的一种验潮方法动态验潮是将DGPS验潮站的GPS接收天线安置在船上与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量求得测量
    船所处瞬时海面高度的一种验潮方法测点的GPS测得的海面高度(位置)计算公式为:
    d=h-N-d
    式中
    d——海面在某高程系统中的高度
    h——GPS天线的WGS—84椭球高度
    N——WGS—84参考椭球与所采用高程系统大地水准面的差值
    D ——GPS天线至海面的高度
    值得注意的是GPS测出的是其在WGS—84椭球中的位置与以往所采用的验潮仪验潮有所不同验潮仪所测出的是相对与海底的水深显然GPS验潮不但包含了海水的潮汐变化还包含了地壳的固体潮前面已提到在引潮力的作用下地壳的起伏可达十几?#33391;?#21313;厘米因此在采用GPS验潮时要设法修正和减小固体潮的影响
     
    6. 潮汐遥感测量[7]
    潮汐遥感测量是指利用卫星的雷达高度计来测量海面的起伏变化卫星测高?#38469;商?#20379;全球特别是偏远地区的潮汐资料其特点是速度快经济但精度较低它可检测全球的海洋潮汐为建立全球海洋潮汐模型提供了依据其测高原理是雷达高度计向海面发射极短的雷达脉冲测量该脉冲从高度计传输到海面的往返时间通过必要的改正便可求出卫星到海面的距离如果卫星轨道为已知那么即可得知海面的高度潮汐遥感测量象GPS验潮一样同样存在固体潮的影响
     
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