阐释对港口工程中水位改正技术

更新时间:2024-01-30 作者:用户投稿原创标记本站原创
摘要:全球定位系统(GPS)的发明,推动了它在定位系统中的应用。在港口工程的应用中,由于水深测量的广泛使用,成为很多测量师必不可少的测量手段,毕竟它使大范围、高精度的水深测量成为了现实大大提高了测量的准确性。水位改正在港口工程属于水深测量中不可缺少的一道工序,在处理实时水深测量数据对水位改正技术的选择尤为重要。下文总结了本人港口工程水域测量的实践经验,总结了3种水位改正技术。这三种技术都具有很强的实用性,对水深测量来说,具有很好的借鉴作用,对感潮水域港口水深测量的的水位改正是很有的解决措施。
关键词:港口工程;水深测量;水位改正
前言
测绘学在各个学科中都占有很大的比列,海洋测绘是它的一个重要分支,顾名思义,海洋测绘一般是关系到国民经济发展的国防建设等方面,一般来说具有非常重要的基础性地位。海洋水深测量主要是针对海底和海岸特征的测量和描述,是船舶导航、沿海港口选址和沿岸工程建设必需的基础资料。港口水深测量一般由平面坐标定位、水深探测和水位改正等3项主要内容组成,其中平面坐标定位使用的较多的是GPS卫星定位系统,多种性能可靠的测深仪器在解决水深探测方面也是有很显著的作用。一般是潮汐作用使海平面的高程不断变化,水位改正是将瞬时水深实测数据换算为以深度基准面起算的水深,再用瞬时海平面高程减去相应时刻的水深,才能得到以深度基准面起算的海底地形的高程。如今在观测水位时一般是采用人工水尺观测,或者利用验潮仪进行自动记录,一般在得到水位数据后可以以水位改正为凭据,利用水尺的个数分别采用单站式、双站式和多站式等水位改正策略。
1单站式水位改正法
如果测区由单个水位站组成,面积不大,并且可以对区域内潮差变化有所反应, 这时可以可采用单站式水位改正法。单个水位站的水尺制约范围D=δZ·S/Δhmax,其中δZ为水深测量的精度;S为相邻水位站间的距离;Δhmax为相邻水位站间瞬时水位差的最大值。在实施水深测量的时段内,通常每隔10.0 min就要用水尺或验潮仪测量记录当时的水位,由数据采集软件同步记录各测点采集水深的时间,通过时间内插法计算出各测点在相同时刻的瞬时水位值。 测区内在tA和tB时刻测得的水位值分别为HA和 HB,在t0时刻某测点的水位 h=HA+(HB-HA)·(t0-tA)/(tB-tA)。 在采用单站式水位改正法处理水深数据时,首先应根据水深数据的采集时间,通过内插法计算出该点在相同时刻的水位,再用水位减去水深即得到该点的高程值。
2双站式水位改正法
如果测量范围比单个水尺的制约范围大时,为了确保测量精度,这时就要根据需要,以测区内的潮差情况为标准,决定布置几个水尺。双站式水位改正法假定2个水位站间的海面为倾斜的平面,海平面的倾斜方向与连接2个水位站的直线平行,且在与该直线垂直的方向上不存在水位差,即各水深测点的水位与其在直线上垂足处的水位相等,而垂足处的水位可由 2个水位站的水位经线性内插求得,无论水深测点在直线上的垂足落在2个水位站之间或两侧,都可以通过矢量化的比值关系计算出垂足点的水位值。双站式水位改正法的原理,见下图。
在利用双站的数据,实测水深值对水位改正进行施工时,首先根据2个水位站的平面坐标求得通过水位站的直线方程ax+by+c=0,假定2个水位站的水位分别为S1和S2,水深测点分别为A(XA,Y A)、B(XB,YB)和C(XC,YC),各测点到2个水位站连线的 垂足分别为A’、B’和 C’。可求得A,点的平面坐标为:XA’=(b2· XA-abYA-ac)/(a2 +b2 );YA’=(a2 ·YA - abXA-bc)/(a2 +b2 )。 B’和 C’点的平面坐标可依此类推。
在由内插法计算测点到直线垂足处的水位时,设2个水位站间正方向的矢量距离为S1S2,垂足A’处的水位为SA’,垂足A’到第1个水位站的矢量距离 S1A’,则垂足A’处的水位SA’= S1+(S2-S1)· S1A’/S1S2,根据三角形的相似定理,可推算等价公式SA’= S1+(S2- S1)·(XS1-XA’)/(XS1-XS2)或 SA’= S1+(S2-S1)·(YS1-YA’)/(YS1-YS2),用相应的坐标数据替换就能计算出测点的水位值,垂足B’和 C’点处的水位值可依此类推,也可以很方便地运用计算机编程求取,但要注意2个水位站间的连线与坐标轴平行, 即上式中分母等于零的情况。在求得测点的水位值后再减去测点的水深值就得到该点的高程值。
3多站式水位改正法
目前的GPS卫星定位系统在港口工程水深测量中被大量的使用,这也标志着海洋水深测量的范围日益增大。当2个水尺不足以制约测区内的水位时就要考虑布置更多的水尺,多水尺(≥3 个)的水位改正通常采用平面拟合法,假定测区海平面是随时变化的空间平面,海平面的数学模型为H=a0+a1x+a2y,其中:H为水深测点的水位;a0、a1和a2为海平面模型的参数;x、y 为该测点的平面坐标。该模型将水深测点各时刻的水位视为以测点平面坐标(x,y)为自变量的二元函数。根据测区内 n个水尺坐标的平面坐标和瞬时水位,可以列出 n个误差方程:Hi+Vi= a0+ a1·xi+ a2·yi(i=1,2,3,…,n),其中:Hi、Vi分别为第i个水尺点的水位值和水位残差值;xi、yi为第i个水尺点的平面坐标。以矩阵形式表示的误差方程为 H+V=A·X,其中:
误差方程矩阵也可表示为 V=A·X-H。
根据最小二乘法拟合海平面上各水尺点的水位残差之和应为最小值,求导误差方程可得XT·P·V=0,其中:XT为水尺点平面坐标的转置矩阵;P为权重矩阵。最后可求得矩阵A中海平面模型的各相关参数。由于各水位站的平面坐标并不随时间变化,在对实测水深数据进行多站式水位改正时,首先要通过内插求得施测水深时刻各水位站的水位值,并根据上述公式推算出该时刻拟合海平面的参数,再计算出水深测点处该时刻的水位值,最后用水位值减去水深值即得到该测点的高程值。
4结束语
鉴于各水位站在不同的时间段内的水位值是不同的情况,注意拟合海平面的计算结果也是出于不断的变化中。在对港口的水域进行水深地形的测量时, 注意对分析测区范围、潮汐性质、潮差和潮流等因素的综合利用,确保选择了正确的水位改正技术。
参考文献:
[1]梁开龙.水下地形测量[M].北京:测绘出版社,1995
[2]JTS131-2012水运工程测量规范[S]
[3]交通部水运工程测量手册编写组.水运工程测量手册[M].北京:人民交通出版社,2001
[4]孔祥元,梅是义.制约测量学[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1996

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