4 S7 c7 w6 T5 y1 S/ n2 _! T 最近正好在学水道测量，画个图来整理下哈。
/ K3 A& q4 a* J' p* Q& P9 R) m
信息量比较大，我尝试仔细讲解下。
& B8 P( Z# B. n: k 图一我觉得湖的水量只是水道测量的一个副产品啦，当然也可以测海呀，测河呀。关键是要得到水底的三维坐标，然后插值生成DEM之类的模型，水量也只是个和地面上一个山坡土方量差不多的操作。
7 e6 ?4 ^; Y( D6 l" I4 h7 `# y
那下面就结合图一讲讲水道测量，即如何获得水底点三维坐标。以下介绍我知道的一种方法：
( D1 O/ L4 k7 q6 S9 E3 t% m
5 N3 `7 `* e2 E, }% e 首先，我们需要一艘船，这艘船需要搭载可以测水平坐标和测水深的装备，最好还有个测姿态的装备。
s: ~. }2 D& o7 B- A1 y& ?4 W% B
水平坐标XY对我们来说比较简单，和地面上一样，用GPS就行，精度要高的话用DGPS(伪距法差分)或RTK(载波相位法差分)，这样基本能得到分米级精度了。
那水深怎么测呢，我们会想到用测距的传统办法电磁波，可惜电磁波在水中衰减太快了，于是选择采用声波了，依然是用速度*发射接受时延/2这种方法来测距。有两种常用装备可供使用，单波束和多波束测深仪，如图二所示。单波束覆盖面积小，比较便宜，多波束线阵推扫，覆盖面积大，覆盖区边界上精度不如单波束，比较贵。对于测深声纳，和GPS不同，时延不再是误差的重点[毕竟光速还是比声速高了好多数量级]，而需要更多地关注声速。声速在水中随着温度，盐度，压强的变化而变化，有一些随深度变化的经验公式但也不准，所以一般会在实地标定一个平均声速。(水声学这块儿我也不懂，貌似哈工大很厉害)。[此外，也可以用机载激光之类的通过水面反射与水底反射时延来测深，不过精度较低且只能适用于几十米以内的浅水区,本文不作讨论]: f. f9 J; K7 d, a4 n
图二 copyright：http://www.fugro-pelagos.com/papers/newdevinmulitbeambackscatter/images/Bottom%20Coverage%20Comparison.jpg
6 `$ j3 b2 I3 b: N" G9 J, g, d 不过由回声测深仪echosounder: i- |% E) j% ` E! R. _* G9 N
& ~% N' z) Q* @7 C
测得的并不是我们所想要的水深。如图一所示，我们还需做潮汐改正tide correction，声波发射接受器安放位置改正shift，声速改正sound velocity correction还有船的侧倾俯仰上下浮动改正roll,pitch,heave correction.
3 A* k- q& j/ j# O
5 A; f" J2 x) Z7 G* q' o' Q' j! F' { 下面主要介绍潮汐改正。潮汐, |1 m. s& v! U, x3 ]% v
5 _/ N8 G/ g7 z. Y. x7 a! G/ a
(特指垂直方向)主要由月球及太阳引力引起，具体原理，性质在此不作介绍。由于每时每刻潮汐都在变化，我们要得到固定的绝对水深，需要一个基准。
一般我们取天文潮汐最低潮作为这个基准Chart Datum，这个在各地方也会不一样，需要地方验潮站经年累月的观测。一般，它与多年平均海水面高度间的差异会是一个常数，而多年平均海水面即该处的大地水准面4 {' E% D+ T) G- I1 n( w: z3 M
geoid，是大地测量外业的基准面。
潮汐改正就是当前水面到这个Chart Datum基准的垂距。实际测量中有两种方法计算潮汐改正。' A& O9 k1 J) Y' \! x' ]8 Q3 g: l
第一种如图一左侧所示，在岸边水里立一水准尺
p" g) @# [8 J% i4 k9 s
6 b& }1 y7 ]* K! a (一般5米吧)，然后通过水准仪高程传递到临近的水准点Benchmark(也可以是多个，然后作平差)，这样岸边测潮水准尺tide staff顶端的高程(相对于geoid)可知。又可在测潮水准尺tide staff上读出当前水面高度observed level，那么我们可以由下式计算潮汐改正：
Tide correction= Staff top level+known constant-(staff height-observed level)
# J( r" q% m2 G7 T* U v; y 潮汐改正=测潮水准尺顶端高程+大地水准面与海图基准常数差-（测潮水准尺高-当前水位读数）
" B/ y) b+ y! Q
known constant 即为所用Chart Datum 与大地水准面之间的已知常数。
# A. X; W6 V# L) z; L5 m
, s3 [- P1 J: l$ k 第二种方法是直接用GPS RTK 测得相对于WGS84椭球面的高，再通过大地水准面精化
模型得大地水准面差距geoid gap$ [) k3 l9 m+ I* R
然后有如下表达式：
Tide correction= GPS height-geoid gap+known constant-antenna height
6 O3 Y6 S/ @# |7 _5 O1 U3 b( x 潮汐改正=GPS高-该处大地水准面差距+大地水准面与海图基准常数差-GPS天线到水面高
& N' O* l! |* u0 d s- X7 F
第二种方法比较方便，但大地水准面精化毕竟还不成熟，RTK Z方向误差也要厘米级了，精度会低点，这就和地面上传统水准测量还没被GPS高程测量取代是一个道理。
2 ?2 ]4 }. f) x+ ?
参照图一中间，得到潮汐改正后，我们再由测姿态的IMU得到roll,pitch,heave 改正，由水声学模型得到声速改正，易测得shift(水面到transducer底)然后我们所要求的水深chart depth
. v# U; ]2 P0 J& E0 D" h( r
: F' X7 s3 r* h P3 s0 Z
就可以按如下表达式得到了：
chart depth=observed depth+shift+roll pitch heave correction+sound velocity correction-tide correction
0 F6 A) Q, s Q- u 海图深度=观测深度+声波发射接受器安放位置改正+船的侧倾俯仰上下浮动改正+声速改正-潮汐改正
7 | @3 f! E# D0 ^/ x
9 k9 ?: R! F/ p8 R' @ 这样我们就得到了海图深度Z 坐标，由于GPS和transducer的安装水平位置一般不一样，我们还要作一个平移，还有船姿态的旋转变换才能得到transducer位置的精确XY坐标
至此，我们测水底点三维坐标的任务就完成啦。由于单波束声呐在航线上也是以某一频率测离散点的，按Z字折返测得到的也是测区的离散点坐标，故需插值建立DEM，这和地面测量也概念差不多。+ k9 Z+ t$ m8 s8 H. d
数字地形建模完成后用一些GIS算法就可以进行各种查询与分析，有各种应用啦，求区域水量也是其中之一。
" G- e R; V; W: k
[由于这门课是用英语学的，那些术语真不知怎么翻译，见谅]
0 [9 |# [- f3 k- Q* d* y
(●—●)(●—●)(●—●)(●—●)(●—●)
. T% }( ~" c% r9 B+ j* Q
最后抒发点无用的情绪
8 N I- q( z% ^ 交换的学校的测绘与地信系的slogan是Geomatics expresses our world. 个人感觉还是挺贴切的，测绘不是一门无用的学科，它也许不能切实的改变我们的世界，极大地改善我们的生活，也许没有艰深的理论，独树一帜的体系，但经由测绘，这个世界的确被更好地，更精确地展现在我们面前。这大概已经是我这样的民工最大的欣慰啦。
; \, u& c" C: K- a4 w. x
