海洋測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r研究

黃衛(wèi)勤

摘要：隨著數(shù)字信息化技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，我國(guó)海洋測(cè)繪發(fā)生了歷史性的變革，進(jìn)入了以數(shù)字式測(cè)量為主體、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐、以3S技術(shù)為代表的新階段。以岸基、艦船、飛機(jī)和衛(wèi)星為平臺(tái)的立體測(cè)量框架及綜合要素探測(cè)已成為海洋測(cè)繪的主要模式。

關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪；數(shù)字化；測(cè)深系統(tǒng)

1.引言

我國(guó)海洋面積廣闊，做好海洋的測(cè)繪工作有著深遠(yuǎn)的意義。以前的海洋測(cè)繪通常使用羅盤定位與六分儀、測(cè)深桿、測(cè)深繩、測(cè)深鉛魚等方法進(jìn)行測(cè)量，耗時(shí)耗力且測(cè)量精度不高，測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)只能用作粗略的了解，無(wú)法得出高精度的數(shù)據(jù)。隨著科技的發(fā)展，大量新技術(shù)應(yīng)用于海洋測(cè)繪工作中，在測(cè)深方面，側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)，海洋遙感測(cè)深等技術(shù)可以得出精確的數(shù)據(jù)，應(yīng)用衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)對(duì)海洋大地水準(zhǔn)面、重力異常、海洋環(huán)流、海洋潮汐等問(wèn)題進(jìn)行了比較詳細(xì)的探測(cè)。現(xiàn)今，數(shù)字信息化技術(shù)在海洋精密定位和水深測(cè)量中得到了廣泛的使用，使海洋測(cè)繪從測(cè)量航海要素為主，發(fā)展到測(cè)量各種專題要素的信息和建立海底地形模型的全部信息，使海洋測(cè)繪向著更高效、高精度的方向發(fā)展。

2.海洋測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展歷程

海洋測(cè)繪是指測(cè)量海洋底部的地球物理場(chǎng)的性質(zhì)及其變化特征，繪制成不同比例尺的海圖和專題海圖，是對(duì)海洋水體和海底為對(duì)象所進(jìn)行的測(cè)量和海圖編制工作。主要包括海道測(cè)量、海洋大地測(cè)量、海底地形測(cè)量、海洋專題測(cè)量，以及航海圖、海底地形圖、各種海洋專題圖和海洋圖集等的編制。

常規(guī)或傳統(tǒng)的海洋深度測(cè)量主要以水面船只作為測(cè)量平臺(tái)。由于其測(cè)量精度高、探測(cè)詳細(xì)，今后仍將為海洋測(cè)量的主要作業(yè)模式。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用衛(wèi)星遙感手段在淺水區(qū)修編海圖方面達(dá)到實(shí)用化階段。機(jī)載激光水深測(cè)量技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用，我國(guó)正在進(jìn)行研究，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)淺于50m海區(qū)大面積快速測(cè)量。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始將航空攝影測(cè)量手段應(yīng)用于海洋測(cè)繪，主要解決淺水區(qū)或島礁附近海岸地形測(cè)量。在相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，海洋測(cè)量的要素相對(duì)單一，最主要的為深度和底質(zhì)測(cè)量。20世紀(jì)80年代，隨著側(cè)掃聲納、海洋重力儀的應(yīng)用，海洋測(cè)量可同時(shí)獲取海底地貌、海洋重力場(chǎng)數(shù)據(jù)。雙頻測(cè)深儀的應(yīng)用，則可同時(shí)對(duì)深度、淤泥厚度和底質(zhì)類型進(jìn)行測(cè)量或判別，具有較好的實(shí)用性。20世紀(jì)90年代以后，新造測(cè)量船只配備的測(cè)量設(shè)備發(fā)生了很大的變化，可同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)剖面，包括水深測(cè)量、海底地形地貌測(cè)量、重力與磁力測(cè)量、淺地層剖面測(cè)量，以及水文氣象調(diào)查，可最大程度地發(fā)揮測(cè)量船的效能，獲取海洋環(huán)境的綜合要素信息，提高經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

日本、英國(guó)和美國(guó)等沿海發(fā)達(dá)國(guó)家早已形成了數(shù)字化的空間地理環(huán)境產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)體系。由于不同數(shù)字產(chǎn)品的一致性問(wèn)題，不同數(shù)據(jù)源的融合問(wèn)題現(xiàn)已引起了科研和管理部門的高度重視。美國(guó)于1996年把6大政府國(guó)家機(jī)構(gòu)的影像技術(shù)部門，劃歸到國(guó)防部制圖局，成立了美國(guó)國(guó)家影像與測(cè)繪局（NIMA），使得遙感影像、地形圖、海圖等不同空間信息的管理與出版取得了一致性。日本也于2001年4月把安全廳的水路部改名為海洋信息部，形成了與美國(guó)NOAA相似的，可同時(shí)完成海洋環(huán)境的調(diào)查、測(cè)量、評(píng)價(jià)與數(shù)字產(chǎn)品出版的技術(shù)體系。由此可見(jiàn)，數(shù)字地圖、GIS到數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、數(shù)字地球，不只是名詞與概念上的改變，它是地理信息科學(xué)與實(shí)踐發(fā)展到了一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的必然反映，可引起空間信息技術(shù)與數(shù)字產(chǎn)品出版體系發(fā)生重大的技術(shù)變革。按照科學(xué)的方法論，考察、歸納沿海國(guó)家海洋測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)體系，由于歷史沿革、數(shù)據(jù)積累與技術(shù)條件的不同，不同的國(guó)家具有完全不同的海洋測(cè)繪產(chǎn)品的出版、分發(fā)與服務(wù)模式。

3.探測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展

3.1海洋測(cè)深空間的精細(xì)描述

劉雁春將海洋空間3維水深場(chǎng)測(cè)量結(jié)構(gòu)細(xì)分為基本空間結(jié)構(gòu)、瞬時(shí)測(cè)深空間結(jié)構(gòu)、水位（潮汐）改正空間結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)深度空間結(jié)構(gòu)并研究了各空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，提出了接近真實(shí)水深場(chǎng)的再現(xiàn)與推估及隨船一體化海洋測(cè)深的新概念和新方法，在國(guó)際上建立了高精度海洋測(cè)深的空間結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理的理論。

3.2海洋測(cè)深網(wǎng)平差理論與方法的建立

在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，劉雁春等成功地將海洋測(cè)深數(shù)據(jù)按測(cè)線組網(wǎng)進(jìn)行整體平差，建立了海洋測(cè)深數(shù)據(jù)的平差理論，完成了海洋測(cè)深數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償和精度評(píng)定。

3.3測(cè)深效應(yīng)的研究

測(cè)深效應(yīng)是指測(cè)深過(guò)程中的影響因素及對(duì)測(cè)深的作用效果，是高精度海洋測(cè)深必須研究的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)這方面取得突破的有波束角效應(yīng)的影響、波束角效應(yīng)和波浪效應(yīng)的耦合機(jī)制及其改正、系統(tǒng)延時(shí)效應(yīng)、測(cè)線布設(shè)方向的平滑效應(yīng)與伸縮效應(yīng)、深水淺報(bào)效應(yīng)、船姿效應(yīng)，為高精度水深測(cè)量提供了改正模型和改正方法。

3.4異常測(cè)深數(shù)據(jù)的探測(cè)研究

海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境易導(dǎo)致異常水深數(shù)據(jù)，探測(cè)并消除異常數(shù)據(jù)是保證海洋測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)工作。這方面的研究有抗差回歸分析法來(lái)抵制測(cè)深粗差的污染、抗差Kal-man濾波、序統(tǒng)計(jì)濾波等，這些方法均有一定的優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)性。

3.5多波束測(cè)深系統(tǒng)的研究

多波束測(cè)深的效率高的優(yōu)越性使其成為海洋測(cè)深的主要技術(shù)，這方面的研究主要包括：多波束歸位計(jì)算模型和過(guò)程的建立、多波束測(cè)深系統(tǒng)中的安裝校準(zhǔn)誤差影響規(guī)律研究、多波束相位差序列模型的建立、多波束測(cè)深的聲速改正、多波束的信號(hào)檢測(cè)、多波束水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃圖像融合處理、多波束圖像生成、多波束海量數(shù)據(jù)的三維建模、基于多波束數(shù)據(jù)的海底底質(zhì)的自動(dòng)分類識(shí)別和多波束數(shù)據(jù)后處理軟件的研制等。

3.6機(jī)載激光測(cè)深方面的研究

機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)適合我國(guó)局部海域，這方面的進(jìn)展有：建立了顧及波浪和潮汐影響的機(jī)載激光測(cè)深的深度歸算模型，建立了顧及姿態(tài)變化的機(jī)載激光測(cè)深的位置歸算模型。

3.7嚴(yán)密的海洋測(cè)繪垂直框架

翟國(guó)君等探討了建立海洋測(cè)繪基準(zhǔn)的必要性和具體方法。暴景陽(yáng)等探討了建立理論深度基準(zhǔn)面中淺水改正和長(zhǎng)周期潮改正的合理性，指出：①一年或更長(zhǎng)時(shí)間尺度的潮汐序列經(jīng)調(diào)和分析計(jì)算海圖深度基準(zhǔn)面的穩(wěn)定性在中國(guó)沿岸處于厘米級(jí)；②中國(guó)沿岸長(zhǎng)期站的深度基準(zhǔn)面之間的差異是算法不同所致；③為保證分潮表達(dá)最低潮面合理性，建議淺水分潮訂正宜采用區(qū)間訂正法，長(zhǎng)周期分潮訂正宜直接按年周期分潮振幅訂正；④精化海圖基準(zhǔn)面的任務(wù)不在于改變模型，在于精化算法。勞順根等研究了長(zhǎng)江口近代歷史海圖各深度基準(zhǔn)面的推算數(shù)學(xué)模型。黃辰虎等研究了采用最小二乘潮位擬合法推算海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站未來(lái)時(shí)刻潮位值的方法，吳中鼎研究了潮波數(shù)值模型用于海道測(cè)量水位改正的適用性。

4.結(jié)語(yǔ)

海洋測(cè)繪是我們認(rèn)知海洋重要的一步，新技術(shù)在海洋測(cè)繪方面的應(yīng)用能夠更好的提高測(cè)繪的精度，現(xiàn)代數(shù)字化信息技術(shù)其自身卓越的性能和巨大的優(yōu)勢(shì)在海洋測(cè)繪方面有著廣闊的前景，應(yīng)該加快對(duì)于現(xiàn)代化信息技術(shù)如GPS等在海洋測(cè)繪方面的研究，使其不僅能夠在海洋測(cè)繪方面發(fā)揮作用，更能夠在內(nèi)陸的水域與近海海洋的測(cè)繪中發(fā)揮重要作用。

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