海洋測繪中的驗潮及潮位改正
2013-07-01 15:20:31 來源:
潮汐觀測通常稱為水位觀測，又稱驗潮。其目的是為了了解當地的潮汐性質，應用所獲得的潮汐觀測資料，來計算該地區的潮汐調和常數、平均海平面、深度基準面、潮汐預報以及提供測量不同時刻的水位該正數等，提供給有關軍事、交通、水產、鹽業、測繪等部門使用。潮汐觀測是海洋工程測量、航道測量等工作的重要組成部分。
潮汐測量，就是測量某固定點的水位隨時間的變化,實際上就是測量該點的水深變化。海道測量所采用的驗潮站,分為長期驗潮站與短期驗潮站、臨時驗潮站和海上定點驗潮站,長期驗潮站是測區水位控制的基礎,它主要用于計算平均海面和深度基準面,計算平均海面要求有兩年以上連續觀測的水位資料。短期驗潮站用于補充長期驗潮站的不足,它與長期驗潮站共同推算確定區域的深度基準面,一般要求連續30天的水位觀測。臨時驗潮站在水深測量期間設置,要求最少與長期驗潮站或短期驗潮站同步觀測三天,以便聯測平均海面或深度基準面,測深期間用于觀測瞬時水位,進行水位改正。海上定點驗潮,最少在大潮期間與長期或短期站同步觀測三次24h,用以推算平均海面、深度基準面和預報瞬時水位。
第一節 固定驗潮儀2.1.1儀器種類與性能
1. 井式自記驗潮儀
其主要結構有驗潮井、浮筒、記錄裝置組成。
工作原理如下：通過在水面上隨井內水面起伏的浮筒帶動上面的記錄滾筒轉動，使得記錄針在裝有記錄紙的記錄滾筒上畫線，來記錄水面的變化情況，達到自動記錄潮位的目的。目前，這種通過機械運動獲得的潮位的過程可以通過數字記錄儀來完成。井式驗潮結構見圖（9-7），其特點是堅固耐用，濾波性能良好，其缺點是聯通導管易堵塞，成本高，機動性差。
（注：井式驗潮結構見《海洋調查技術及應用》第106頁圖9-7）
井式自記驗潮儀一般包括浮子式與引壓鐘式驗潮儀[7]。
浮子式驗潮儀是利用一漂浮于海面的浮子，它隨海面而上下浮動，其隨動機構將浮子的上下運動轉換為記錄紙滾軸的旋轉，記錄筆則在記錄紙上留下潮汐變化的曲線。引壓鐘式驗潮儀是將引壓鐘放置于水底，將海水壓力通過管路引到海面以上，由自動記錄器進行記錄。為了消除波浪的影響，需在水中建立驗潮井，即從海底豎一井至海面，其井底留有小孔與井外的海水相通，采用這種“小孔濾波”的方法將濾除海水的波動，這樣井外的海水在涌浪的作用下起伏變化，而由于小孔的“阻擋”作用，使井內的海面幾乎不受影響，它只隨著潮汐而變。井上一般要建屋以保證設備的工作環境。這兩種驗潮儀由于安裝復雜，須打井建站，適用于岸邊的長期定點驗潮。其特點是精度較高，維護方便，但一次性投入費用較高，不機動靈活，對環境要求高(如供電、防風防雨等)。國內的長期驗潮站大多采用這兩種設備。
2. 超聲波潮汐計驗潮[8]
超聲波潮汐計主要有探頭、聲管、計算機等部分組成。（見圖9-8）。其主要特點是利用聲學測距原理進行非接觸式潮位測量。基本工作原理是通過固定在水位計頂端的聲學換能器向下發射聲信號，信號遇到聲管的校準空和水面分別產生回波，同時記錄發射接收的時間差，進而求得水面高度。特點是使用方面，工作量小，濾波性能好，適用測量。
（注：聲學水位計見《海洋調查技術及應用》第107頁圖9-8）
3. 壓力式驗潮儀驗潮[7]
壓力式驗潮儀是一種較新型的驗潮設備，目前已逐步成為常用的驗潮設備，它是將驗潮儀安置于水下固定位置，通過檢測海水的壓力變化而推算出海面的起伏變化。按結構可以分機械式水壓驗潮儀和電子式水壓眼驗潮儀。機械式水壓驗潮儀主要有水壓鐘、橡皮管、U型水銀管和自動記錄裝置組成。電子式水壓眼驗潮儀主要有水下機、水上機、電纜、數據鏈等部分組成。（注：機械式水壓驗潮儀和電子式水壓眼驗潮儀見《海洋調查技術及應用》第107頁圖9-9）
它的適用范圍較前幾種驗潮儀要廣，它不需要打井建站，無須海岸作依托，不但適用于沿岸，碼頭，而且對于遠離岸邊及較深的海域的驗潮，它同樣能勝任。同時這種驗潮儀輕便靈活，對于海測部隊的驗潮作業機動、靈活、且時間較短(一般為一、兩個月)的應用場合，這種驗潮儀較為合適。
壓力式驗潮儀所采用的測壓部件——壓力傳感器又分為表壓型和絕壓型，其工作原理略有不同，但其基本測量原理是一樣的，即檢測出海水的靜壓力，將壓力換算成水位。其公式為:
h=p/d
式中 h——水深(cm)；
p——海水靜壓力(g/cm )；
d——海水的密度(g/cm )，它是海水溫度、鹽度的函數。
驗潮儀以一定的時間間隔定時啟動工作，由此可測出不同時刻的水位，這些不同時刻的水位值就是潮汐數據。但對于不同類型的傳感器，具體計算方法也有所不同，表壓型傳感器由于直接測出海水的靜壓力，因此水位可直接按上式計算，而絕壓型傳感器所測壓力并非海水靜壓力，而是海水與大氣壓的合成壓力，因此其計算公式應為
h= (p- p )/d
式中
h——水深；
p——檢測壓力；
p ——檢測點檢測時的大氣壓；
d——海水的密度。
壓力式驗潮儀的第一個特點是(以海軍海洋測繪研究所研制的便攜式驗潮儀和自動驗潮儀為例)適應性強，測量水深為0~200m，能適應不同深度的海區。即使海面結冰也仍能驗潮。在較淺水域，一般小于10m時，可安裝水尺，將驗潮儀與水尺安裝在一起，零點歸算到水尺上，通過聯測的方法找到大地基準面與水尺零點的關系，從而找到驗潮儀零點與大地基準面的關系。同時還可將驗潮儀的數據通過無線發射的方式由其天線發射出去，使10km內的用戶均能實時收到潮汐數據。當在較深水域驗潮時，可使驗潮儀工作在自容狀態，按預置的時間間隔定時啟動工作，測得的潮汐數據記在儀器內部的存貯器中，待測量任務結束后，由潛水員將設備撈出，再通過接口讀出所記的潮汐數據。水深過深，潛水員無法打撈的水域，可在驗潮儀上加裝聲學釋放器，測量任務結束要打撈時，通過聲代碼發射接收機，向驗潮儀發出聲指令，驗潮儀在接到指令后，控制聲學釋放器釋放，自動脫鉤上浮到海面。第二個特點是精度高，壓力測量精度可達0.1%FS。其缺點是設備工作于自容方式時，設備沒有電纜通到水上，因此其供電只能靠電池，由于其有水密要求，因此更換電池不方便，其次是這種驗潮儀較聲學式驗潮儀成本高。壓力式驗潮儀數據在計算時如果已進行了聯測，即找到了驗潮儀零點與大地基準面的關系，就可直接將潮汐數據歸算到任一已知基準面(如黃海平均海平面)。如果布放點水深較深，無法進行聯測，則驗潮儀的工作時間應長一些，一般為半個月或一個月甚至更長，對長時間的潮汐數據進行處理，算出調和常數，找出整個測量期間的平均海面。以此面作為基準面給出潮汐數據。
4. 聲學式驗潮儀[7]
聲學式驗潮儀屬無井驗潮儀，根據其聲探頭(換能器)安裝在空氣中或水中而分為兩類。探頭安置在空氣中的聲學式驗潮儀(如國家海洋局海洋技術研究所生產的聲學式驗潮儀)是在海面以上固定位置安放一聲學發射接收探頭，探頭定時垂直向下發射超聲脈沖，聲波通過空氣到達海面并經海面反射返回到聲學探頭，通過檢測聲波發射與海面回波返回到聲探頭的歷時來計算出探頭至海面的距離，從而得到海面隨時間的變化。潮汐數據可存放于存貯器內。待測量結束后提取出來，其潮高為:
H= h－(c×Δt)／2
式中 H——潮高(m)；
h——聲探頭在深度基準面以上的高度(m)；
Δt——聲脈沖在聲探頭與瞬時海面之間的往返時間(s)；
c——超聲脈沖在空氣中的傳播速度(m/s)，
為已知量，它是大氣壓力，溫度和濕度的函數。
這種驗潮儀的安裝一般需在海底打樁，將驗潮儀安裝在樁的頂部，并保證**時不淹沒。通過聯測的方法找到大地基準面與驗潮儀零點的關系。這種驗潮儀特點在于:由于其安裝位置可距海面較近，聲波在空氣中的行程短，因此精度較高；由于設備安裝在水上，因此可通過岸電，即使在無岸電而采用電池時，更換電池也較方便。且這種設備成本較低。但是由于其需打樁的安裝要求，使它需以海岸作為依托，不能離岸較遠，因此測量水深一般較淺。探頭安置在水中的聲學式驗潮儀一是將一聲學探頭安放在海底，定時垂直向上發射聲波，并接收海面的回波以測量安放點的水深，此種方法由于聲探頭需有電纜連接，因此不能離岸較遠。二是采用類似于測深儀的原理，選一塊平坦的海區，將聲探頭放置于海面固定載體上，一般為船或固定漂浮物，定時向海底發射聲波，通過檢測海底回波以檢測載體所在位置的水深。這兩種聲學驗潮方法的特點是，精度較低，首先儀器本身存在至少幾厘米的固有誤差，另外測量精度與由聲探頭的姿態有關，同時一般水聲換能器有一定的盲區，因此根據換能器的不同，安放位置需要有一定的水深。而在此深度內，海水中的聲速不是恒定的，它隨海水溫度及鹽度的變化而改變，同時還受到海水中的懸浮物等因素的影響，水深越淺影響越大。因此聲速誤差將影響到測深精度。聲學式驗潮儀在離岸較遠的驗潮點不便使用，在冬季岸邊海水結冰后，聲學式驗潮儀一般無法工作。
5. GPS驗潮[7]
GPS驗潮是隨著差分GPS(DGPS)技術的不斷成熟和發展而逐步發展起來的新技術，它是目前GPS技術發展的主攻方向之一，目前尚處于試驗階段。它是應用了GPS實時動態(Real Time Kinematic——RTK)測量技術，是GPS測量技術與數據傳輸技術相結合，而構成系統。其工作原理是，在基準站安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并將其觀測數據，通過無線電傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站。在用戶機上。GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標。
DGPS驗潮分為靜態與動態驗潮。靜態驗潮是將DGPS驗潮站的GPS接收天線安置在靠近岸邊或海上固定處的浮筒或測量船上，與岸上GPS接收機實施動態載波相位差分測量，求得DGPS驗潮站瞬時海面高度的一種驗潮方法。動態驗潮是將DGPS驗潮站的GPS接收天線安置在船上，與岸上GPS接收機實施動態載波相位差分測量，求得測量
船所處瞬時海面高度的一種驗潮方法。測點的GPS測得的海面高度(位置)計算公式為:
d=h-N-d
式中
d——海面在某高程系統中的高度；
h——GPS天線的WGS—84橢球高度；
N——WGS—84參考橢球與所采用高程系統大地水準面的差值；
D ——GPS天線至海面的高度。
值得注意的是，GPS測出的是其在WGS—84橢球中的位置，與以往所采用的驗潮儀驗潮有所不同，驗潮儀所測出的是相對與海底的水深，顯然GPS驗潮不但包含了海水的潮汐變化，還包含了地殼的固體潮。前面已提到在引潮力的作用下，地殼的起伏可達十幾至幾十厘米，因此在采用GPS驗潮時，要設法修正和減小固體潮的影響。
6. 潮汐遙感測量[7]
潮汐遙感測量是指利用衛星的雷達高度計來測量海面的起伏變化。衛星測高技術可提供全球、特別是偏遠地區的潮汐資料，其特點是速度快，經濟。但精度較低。它可檢測全球的海洋潮汐，為建立全球海洋潮汐模型提供了依據。其測高原理是雷達高度計向海面發射極短的雷達脈沖，測量該脈沖從高度計傳輸到海面的往返時間，通過必要的改正，便可求出衛星到海面的距離，如果衛星軌道為已知，那么即可得知海面的高度。潮汐遙感測量象GPS驗潮一樣，同樣存在固體潮的影響。
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