武汉大学测绘学院海洋测绘考试复习.docx

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武汉大学测绘学院海洋测绘考试复习

武汉大学测绘学院海洋测绘考试复习

海洋：

海洋是地球表面包围大陆和岛屿的广大连续的含盐水域。

海洋测绘特点：

垂直坐标和平面位置同步测定；海底控制点的距离相隔较远；动态测量；采用低频电磁波信号；测深并进行测深改正；无法进行重复观测，须同步观测。

海洋测绘任务：

为研究地球形状提供更多的数据资料。

为研究海底地质的构造运动提供必要的资料。

为海洋环境研究工作提供测绘保障。

对各种不同的海洋开发工程，提供它们所需要的海洋测量服务工作。

海洋测绘的任务:

（根据海洋测量工作的目的不同）①科学任务:

1为了研究地球形状提供更多的数据资料;2.为研究海底地质的构造运动提供必要的资料;3.为海洋环境研究工作提供测绘保障。

②实用性任务:

主要指的是对各种不同的海洋开发工程，提供它们所需要的海洋测量服务工作。

海洋测量分为：

海洋重力测量，海洋磁力测量，海水面的测定，大地控制与海底控制测量，定位、测深、海底地形勘测和制图等

海洋测绘:

是海洋测量和海图绘制的总称，是一门对海洋表面及海底的形状和性质参数进行准确的测定和描述的科学。

主要内容:

海洋大地测量、水深测量、海洋工程测量、海底地形测量、障碍物探测、水温要素钓场、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋专题测量、海区资料调查；以及各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版，海洋地理信息的分析处理及应用。

海洋地形分为:

海岸带、大陆边缘和大洋底。

海岸带:

是海陆交互的地带,是在波浪潮汐和海流等作用下形成的。

组成:

海岸、海滩及水下岸坡。

大陆边缘:

是大陆和大洋连接的边缘地带。

组成：

大陆架、大陆坡、大陆隆及海沟。

大洋底:

是大陆边缘之间的大洋全部部分。

组成：

大洋中脊，大洋盆地。

海岸:

就是陆地和海洋相互作用,相互交界的地带。

海岸线:

是近似于多面平均大潮高潮的痕迹所形成的水陆分界线。

海湾是指洋或海延伸进入大陆部分的水域。

其深度逐渐减小。

海湾中海水的性质与其相近的洋或海中水的状况相似

海洋大地测量：

研究海洋大地控制点及确定地球形状大小，研究海面形状变化的科学，其中包括与海面，海底遗迹海面附近进行精密测量和定位有关的海事活动

海洋大地控制网：

海洋大地测量控制网是陆上大地网向海域的扩展。

它是一切海洋活动中所进行海洋测绘工作的基础。

海洋大地测量控制网主要由海底控制点、海面控制点（如固定浮标）以及海岸或岛屿上的大地控制点相连而组成。

海洋大地控制网的作用：

1，大比例尺海底地形测量，尤其是大洋区域基本海图测绘的控制基础。

2，对解决大地测量中地球形状和大小的确定提供科学依据。

3，为高精度定位的海上或水下工程作业提供定位。

4，对大地构造运动，地壳升降运动以及地震、火山活动进行动态监测。

总之它是一切海洋活动中所进行海洋测绘工作的基础

海洋控制网包括:

以固定浮标为控制点的控制网,海岸控制网,岛屿控制网,岛屿-陆地控制网。

国的季风）

密度流:

由于海水盐度差造成的...特点:

海水表面密度高的地方流向密度低的地方,海底由密度低的地方流向密度高的地方（地中海的直布罗陀海峡）

补偿流:

由某一海区的海水出现亏缺，相邻海区的海水向缺水海区补充而形成的海流特点:

垂直方向的补偿流可分为上升流和下降流,即垂直流动

海洋声学是研究声波在海洋中传播特性、规律和利用声波探测海洋的学科，是海洋学和声学的边缘学科，也是物理海洋学的分支。

海洋声学的基本内容：

1.声在海水中传播的规律和海洋环境条件对声传播的影响。

主要包括不同水文和底质条件下声波的传播规律，海水对声的吸收，声波的起伏、散射和海洋噪声等。

2利用声波探测海洋。

3海洋声学技术和仪器。

海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或深度Z（米）的线性函数，是温度T（℃）、盐度S的非线性函数。

声速剖面：

海水中的声速可以用声速剖面来描述。

声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速沿深度的变化规律。

声速梯度：

声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对变化量，称之为声速梯度，单位为1/秒。

海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：

表层（0~150m）、中间层（150~1500m）、深水层（1500m~）。

表层和深水层温度分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于温度迅速降低而减小。

波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。

入射角θ≠0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个连续折线，即声线。

Snell法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解声线路径的算法。

解释：

由于折射结果，当声速随深度增加而增加时，声线向上弯曲并经海面反射；当声速随深度增加而减小时，声线弯向海底并经海底反射。

由于水面反射的损耗远比海底小，浅海冬季声速多呈增大分布，故冬季声能传播较夏季远得多，表层温度很高的夏季声能的传播条件最差。

海面反射：

声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生的反射，

海底反射：

声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生的反射，

声线弯曲规律；声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生反射、折射和某种程度的反向散射。

其中折射现象起因于海水是非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根本原因。

折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。

声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速变化越大，弯曲越显著。

此外，声波的传播速度在温水区要比冷水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。

因此，若温度随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。

正常情况下，声线弯曲成圆弧状。

声波强度减弱因素：

1几何衰减：

由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。

2散射衰减：

声波在海水中传播时，由于海面、海底的不平整性、海水介质温度不均匀而产生散射，使部分声能离开原来的前进方向，向其它方向发射出去，使声波传播方向上能量减少，声强度减弱。

3海水对声波的吸收：

由于声波在海水介质中传播时要引起海水内部发生一些变化，如海水温度的变化，在传播过程中，相邻的海水介质要发生相对运动，有一部分声能要用来克服因海水介质相对运动而产生的摩擦力，消耗于海水中，使声强度减弱

声波传播特性：

①声波在两种介质的界面上或同一种介质性质发生变化时会发生发射和折射，且符合反射、折射定律；②由于海洋中每点的温度、盐度以及压力是不同的，因而声波在海水中的传播声速也是变化的，声波穿过不同的水层而产生折射和反射现象，且服从折射定律。

折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。

③声波在两种介质的界面处也会发生反射。

声速确定：

凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位（一般采用声速测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量。

根据测得的温、盐度和压力数据，用特定的计算公式确定水声速的方法称为间接声速测量。

直接法：

就是利用声速剖面仪直接测定声速。

凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位，从而直接计算该深度层海水胜诉的方法均称为直接声速测定。

有：

脉冲时间法，干涉法，相位法和脉冲循环法等。

声线跟踪：

是建立在声速剖面基础上的一种波束脚印（投射点）相对船体坐标系坐标的计算方法。

声线跟踪通常采用层追加方法，即将声速剖面内相临两个声速采样点划分为一个层，层内声速变化可假设为常值（零梯度）或常梯度。

在常梯度的声线跟踪计算过程中，声速变化函数采用Harmonic平均声速

基于层内常声速（g=0）下的声线跟踪

基于层内常梯度（g/=0）下的声线跟踪

等效声速剖面法：

分为误差修正法，等效声速剖面法；

误差修正法：

由于这种方法不是直接依赖于实际声速剖面进行声线跟踪计算，而是通过选择一个简单的声速剖面（如零梯度声速剖面）作为参考声速剖面，根据相对面积差，建立参考声速剖面与实际声速剖面间的联系，进而修正参考声速剖面的计算结果，获得最终的波束脚印位置，因此，该方法被称为误差修正法

等效声速剖面法：

由于常梯度声速剖面与实际声速剖面具有相同的积分面积，利用常梯度声速剖面计算的结果同实际声速剖面相同，因此，常梯度声速剖面被称为等效声速剖面，利用等效声速剖面确定波束脚印位置的方法简称为等效声速剖面法。

计算精度比较：

。

常梯度—声线跟踪法的假设与实际比较吻合，计算精度相对较高，实验表明其深度相对误差优于z‰；常声速—声线跟踪法在θ<60︒时，深度相对误差优于z%；误差修正法和等效声速断面法一般优于4z‰。

几种声线跟踪方法比较结果：

从对实际声速剖面的依赖性，计算精度，计算过程的复杂性，条件的苛刻性上面。

1常梯度—声线跟踪法的计算精度最高，但计算过程烦；2等效声速断面法的计算精度仅次于常梯度—声线跟踪法，但参考深度的要求相对苛刻；

3误差修正法的计算精度相对前两者稍差，但也能满足IHO的测深精度要求，且计算过程简单；4精度最差的当属常声速—声线跟踪法，其计算过程也比较复杂。

潮汐分析：

潮汐分析亦称潮汐调和分析，把任一海港的潮位变化看作是许多分潮余弦振动之和，根据最小二乘或波谱分析原理由实测数据计算出各分潮平均振幅和迟角的过程，即潮汐调和分析过程。

根据观测时间的长短，一般可将调和分析分为短期、中期和长期三类。

潮汐分析方法：

经典的潮汐调和分析有:

Darwin分析法、Doodson分析法;

现代潮汐调和分析多采用最小二乘分析法、傅立叶分析法和波谱分析法等。

根据物理学有关原理可知，任何一种周期性的运动，都可以由许多简谐振动组成。

潮汐变化是一种非常近似的周期性运动，因而也可以分解为许多固定频率的分潮波，进而求得分潮波的振幅和相位。

潮流分析：

潮流同潮汐一样，起因于月亮和太阳等引潮天体的引力，与潮汐一样，潮流也可表示为许多分潮流之和的形式。

只不过为了分析和预报的方便，一般把流速w分解为向北和向东的分量，记为北分量u和东分量v；流向记为θ。

深度基准面:

定义在当地平均海平面之下,使得瞬时海平面可以但很少低于该面,在海道测量中比较常用的基准一般采用当地深度基准面,我国目前法定的深度基准面是理论深度基准面。

常采用深度基准（起算面）:

①海图深度基准面（保守水深）;②平均深度基准面（平均水深）。

垂直基准:

陆地高程与海洋深度都需要固定的起算面，统称这些垂直坐标的参考面为垂直基准。

包括：

高程基准和水深基准。

高程基准：

高程基准就是陆地高程的起算面，它通常取为某一特定验潮站长期观测水位的平均值一长期平均海面，即定义该面的高程为零，因此有参考面的意义。

水深基准：

海洋测量中常采用深度基准面。

深度基准面是海洋测量中的深度起算面。

不同的国家地区及不同的用途采用不同的深度基准面。

平均海平面：

平均海面亦称海平面。

某一海域一定时期内海水面的平均位置。

是大地测量中的高程起算面，由相应期间逐时潮位观测资料获得，高度一般由当地验潮站零点起算。

计算方法：

假如水位观测是连续曲线y（t），则T时间内的平均海面可表示为：

一般情况下验潮站的水位观测值取为时间间隔为一小时的观测序列，因此，实际计算时常用的方法是直接对一定时间周期（同时也近似地认为潮汐周期：

如24小时、一个月、一年和多年等）的观测值直接取算术平均。

我国采用的1954年黄海平均海面基准和1985黄海高程系

海图深度基准面：

定义在当地稳定平均海平面之下，使得瞬时海平面可以但很少低于该面。

理论深度基准面：

理论上可能的最低潮面。

基准传递方法:

水准联测法,同步改正法和线性关系最小二乘拟合法.（推估短期和临时验潮站）

水声设备:

换能器（声电转换器,起水声天线作用）,水听器（接收信号）,应答器（水声声标,可以接收和发送信号）

定位方式：

①测距定位方式：

船台发射机通过船底转换器向水下应答器发射声脉冲信号，应答器接受后即发回一个应答声脉冲信号，接收机记录两信号的时间间隔，以此计算船至水下应答器间距②测向定位方式：

船台上除换能器外,还在船的两侧各安置一个水听器。

先由换能器发射询问信号,应答器接受后,发射应答信号,水听器和换能器均可接受。

如果船首线在应答器正上方,信号相位差为零。

水声定位系统的工作方式：

直接工作方式，中继工作方式，长基线工作方式，拖鱼工作方式，短基线工作方式，超短基线工作方式，双短基线工作方式

水下声学定位系统的精确定位需要进行如下几种改正：

1.船姿态改正2水听器基阵偏移改正3声线曲率改正

长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上或水下机器人上的收发器；另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，这些应答器之间的距离构成基线。

实际工作时，它既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用二个，三个或更多的应答器来进行测距定位。

超短基线系统

超短基线安装在一个收发器中，组成声基阵，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系。

系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的方位（垂直和水平角度）。

换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线，确定距离。

超短基线系统与短基线系统的区别仅在于，船底的水听器阵，以彼此很短的距离（小于半个波长，仅几厘米），按直角等边三角形布设而装在一个很小的壳体内。

它以方位—距离法定位。

短基线系统：

该系统的水下部份仅需要一个水声应答器，而船上部分是安置于船底部的一个水听器基阵。

换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互关系精确测定，并组成声基阵坐标系。

系统的工作方式是距离测量。

测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值。

短基线的优点是集成系统价格低廉、系统操作简单、换能器体积小，易于安装。

短基线的缺点是深水测量要达到较高的精度，基线长度一般需要大于40米；系统安装时，换能器需在船坞上严格校准。

水深精度应理解为改正后水深的精度。

水深精度主要取决于对影响水深值的系统误差和可能的随机误差的估计精度。

总传播误差由所有对测深有影响的因素所造成的测深误差组成，其中包括：

①与声信号传播路径（包括声速剖面）有关的声速误差；②测深与定位仪器自身的系统误差；③潮汐测量和模型误差；④船只航向与船摇误差；⑤由于换能器安装不正确引起的定位误差；⑥船只运动传感器的精度引起的误差，如纵横摇的精度、动态吃水误差；⑦数据处理误差等等。

回声测深仪:

利用声波在水中的传播特性测量水体深度的技术。

设时间为t,换能器吃水深D,水深H=0.5Ct+D。

原理：

声波在均匀介质中做匀速直线传播，在不同界面上产生反射，利用这一原理，选择对水的穿透能力最佳、频率在1500Hz附近的超声波，在海面垂直向海底发生声信号，并记录从声波发生到信号由水底返回的时间间隔，通过模拟或直接计算，测定水体的深度。

过程:

安装在测量船下的发生换能器,垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底,经反射或散射返回,被接收机换能器所接收。

组成：

发电机，接收机，发射换能器，解说换能器，显示设备，和电源部分。

3.侧扫声纳：

将转换器向船的一侧倾斜,形成扇形测区覆盖,其水平波束宽度很窄（1°-2°）,垂直平波束宽度很宽（40°左右）,以这样的波束对海底扫描。

原理：

利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备。

其换能器阵装在船壳内或拖曳体中，走航时向两侧下方发射扇形波束的声脉冲。

波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄，垂直于航线方向较宽。

工作时发射的声波投射在海底的区域呈长条形，换能器阵接受来自照射地区各点的反射信号，经放大、处理和记录，在记录纸上显示海底图像。

回波信号强的目标图像较黑，照不到的影区图像很淡。

根据影区的长度可以估算目标高度。

目的:

①大洋底勘探;②海底地貌和底质探测。

海底地貌的探测通过海底地貌探测仪来实现，常采用侧扫声纳系统。

机载激光测深原理：

从飞机上海面发射两种波段的激光，其中一种为波长1064nm的红外光，另一个为532nm的绿光，红外光被海面反射，绿光则投射到海水中，到达海底后被反射回来。

两种反射激光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的2倍。

测线布设考虑因素:

测线间隔、测线方向。

测深密度:

指同一测深线上水深点之间所取的间隔。

测深线的间隔:

主要根据对所测海区的需求,海区的深度、底质、地貌起伏的状况,以及测深仪器的覆盖范围而定。

主测线间隔为图上10mm,螺旋形一般为图上2.5mm,辐射形≤10mm,大于图上2.5mm

布设方向基本原则:

①有利于完善的显示海底地貌;②有利于发现航行障碍物;③有利于工作。

多波束测深,侧扫声纳,激光测深和其他扫海系类还要考虑：

测量载体的机动性,安全性,最小的测量时间等问题。

简述海底地形测量中内、外业作业的基本流程。

内业基本流程：

1、质量控制：

检查监督测量过程，对测量数据的精度要求有定量的规定，作为约束条件。

2、吃水改正：

由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数。

3、转速改正：

转速改正是由于测深仪的实际转速不等于设计转速所造成的。

4、声速改正：

声速改正是因为输入到测深仪中的声速不等于实际声速造成的测深误差。

5、水位改正：

水位改正是将测得的瞬时深度转化为一定基准上的较为稳定数据的过程，

其目的是尽可能消除测深数据中的海洋潮汐影响，将测深数据转化为以当地深度基准面为基准的水深数据。

外业基本流程

1、测线布设：

海底地形测量测线一般布设为直线。

海上测线又称测深线。

测深线分为主测深线和检查线两大类。

2、水深测量：

单波束测深、多波束测深、机载激光测深、侧扫声呐测深。

3、海底地形成图：

绘制或自动绘制海底地形图，表现形式一般可分为二维等深线图和三维海底地形立体图。