海洋測(cè)繪在南極科考中的作用及實(shí)踐

陳正偉 裴寧

摘 要：中國(guó)計(jì)劃在羅斯海西岸的維多利亞地附近建立第5個(gè)南極考察站，第29次至第33次南極考察隊(duì)連續(xù)5年開展了現(xiàn)場(chǎng)選址勘察工作。作者隨中國(guó)第31次南極科考隊(duì)，在羅斯海西岸難言島上設(shè)置自動(dòng)驗(yàn)潮站采集水位數(shù)據(jù)，使用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)附近海域進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)，為新錨地的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)， “雪龍”號(hào)科考船成功拋錨?？偨Y(jié)考察經(jīng)驗(yàn)，為南極海洋測(cè)繪提供借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪；南極科考；多波束；全覆蓋掃測(cè)；錨地；高程基準(zhǔn)

0 引 言

從1984年起，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了30多次南極科學(xué)考察活動(dòng)，開展了海洋、氣象、冰雪、空間、遙感、生物生態(tài)、地質(zhì)、地球物理和測(cè)繪等學(xué)科的考察與研究，在一些重點(diǎn)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

我國(guó)的南極科學(xué)考察事業(yè)起步較晚，但起點(diǎn)較高，已先后建立了“長(zhǎng)城”“中山”“昆侖”“泰山”等考察站，近階段計(jì)劃在羅斯海西岸的維多利亞地附近建立第5個(gè)考察站，第29次至第33次南極考察隊(duì)連續(xù)5年開展了現(xiàn)場(chǎng)選址勘察工作。

1 需 求

極地考察需要大量的物資、能源支持。極地考察船是具有破冰能力的綜合測(cè)量考察船，隨船搭載有極地考察和建站必需的工程機(jī)械、運(yùn)輸工具和各種考察設(shè)備。南極大陸與其他大陸不僅相距遙遠(yuǎn)，而且周圍還被數(shù)公里乃至數(shù)百公里的冰架和浮冰所環(huán)繞，周圍海洋中還漂浮著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的巨大冰山，給海上航行帶來了極大的困難和危險(xiǎn)。

鑒于南極大陸附近海域的特殊性，開展海洋測(cè)繪存在諸多困難。目前，環(huán)南極水下地形資料極度缺乏，在極地海域，全球范圍內(nèi)只有小比例尺海圖，尤其是南極沿岸大比例海圖資料接近空白。海圖資料大部分年代久遠(yuǎn)，其精度和時(shí)效性都難以滿足人類日益頻繁的南極科考之需。

由于缺乏精確的海圖資料，大型科考船在靠近南極大陸作業(yè)以及對(duì)科考站進(jìn)行補(bǔ)給時(shí)無(wú)法找到合適的錨泊水域，只能漂航，不但存在安全隱患，同時(shí)也增加了對(duì)岸運(yùn)輸補(bǔ)給的作業(yè)難度和成本。以往，科考船經(jīng)常利用攜帶的工作艇對(duì)考察站附近海域進(jìn)行單波束測(cè)量，但無(wú)法完整地獲取精確的水下地形地貌情況，資料可靠性、系統(tǒng)性、測(cè)量效率都存在問題。南極科考亟須海洋測(cè)繪的支持。

2 考察過程

我國(guó)第31次南極科考于2014年10月30日啟程，執(zhí)行“一船三站”任務(wù)?？疾炱陂g，考察隊(duì)全面完成了包括新站區(qū)域地質(zhì)勘查、難言島周邊海域水下地形測(cè)繪等工作，于2015年4月10日返回上海極地科考碼頭，全程163天，航程3萬(wàn)海里。作者代表東海航海保障中心全程參與了此次科考行動(dòng)，執(zhí)行難言島附近海域水下地形測(cè)繪任務(wù)。

極地科考是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，現(xiàn)場(chǎng)情況瞬息萬(wàn)變?？疾礻?duì)從作業(yè)安全、物資補(bǔ)給、測(cè)艇操控、工作安排、測(cè)區(qū)劃定等方面給予了大量支持，確保了海洋測(cè)繪工作的順利實(shí)施。

2.1 陸上工作

2014年12月26日，“雪龍”號(hào)考察船到達(dá)羅斯海難言島附近，登島后，考察隊(duì)員在原生態(tài)的南極陸地上工作一周多，利用極晝的有利條件，全天作業(yè)，按照國(guó)際性作業(yè)、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，順利完成全部考察任務(wù)。

陸上主要工作是完成定位基準(zhǔn)站和自動(dòng)驗(yàn)潮站的架設(shè)以及水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)等測(cè)前準(zhǔn)備工作。定位基準(zhǔn)站采用Trimble公司SPS852大地型接收機(jī)，用于提高定位精度，這也是多波束測(cè)量數(shù)據(jù)條帶拼接所必需的，因?yàn)槟蠘O地區(qū)沒有設(shè)置好的各種地面差分站，衛(wèi)星差分系統(tǒng)在高緯度地區(qū)也無(wú)法使用。自動(dòng)驗(yàn)潮站使用瑞士Keller DCX-22自容式潮位儀，數(shù)據(jù)更新率為每5分鐘記錄一個(gè)水位，數(shù)據(jù)分辨率1cm，從12月27日中午安裝至1月5日下午撤離為止，共收集了難言島連續(xù)9天的水位數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)將用于新站高程基準(zhǔn)的確定及測(cè)深的水位改正、潮汐分析。

2.2 水上測(cè)量

根據(jù)考察隊(duì)的統(tǒng)一安排，水下測(cè)量小組隊(duì)員于2015年1月1日上午乘坐“黃河”艇返回“雪龍”號(hào)。返程中，領(lǐng)隊(duì)關(guān)注到“黃河”艇船用測(cè)深儀上的水深數(shù)據(jù)，難言島附近海域可能存在合適錨地，指示考察隊(duì)員優(yōu)先對(duì)該海域進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。

隨后，考察隊(duì)員使用測(cè)量小艇在難言島東側(cè)海域開展水下地形測(cè)量工作，艇底固定安裝Kongsberg公司EM2040淺水多波束，采用200kHz工作頻率等距模式。考察隊(duì)采用IXBlue公司HYDRINS光纖羅經(jīng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位和姿態(tài)補(bǔ)償，該系統(tǒng)能提供高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)、航向、姿態(tài)和速度等；采用Hypack海洋測(cè)量軟件進(jìn)行導(dǎo)航，多波束數(shù)據(jù)采集使用Kongsberg公司sis軟件，最終完成了12平方公里海域的全覆蓋掃測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

自動(dòng)驗(yàn)潮儀采集的水位數(shù)據(jù)（儀器零點(diǎn)）如圖4所示，潮汐類型為不規(guī)則全日潮，經(jīng)數(shù)據(jù)分析最高和最低水位差0.87m。通過潮位數(shù)據(jù)計(jì)算平均海平面（當(dāng)?shù)仳?yàn)潮期平均海平面），通過人工驗(yàn)潮比對(duì)，確定BM點(diǎn)的平均海平面高程，并通過水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)反算得到難言島水準(zhǔn)原點(diǎn)高程。

由于未獲得足夠長(zhǎng)序列的水位數(shù)據(jù)，無(wú)法通過計(jì)算確定當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫F(xiàn)場(chǎng)采用最低水位以下0.5m作為假設(shè)理論最低潮面。經(jīng)查詢羅斯海水位歷史資料，附近有特拉諾瓦灣（-74.75， 164）和羅伯茨角（-77.032， 163.163）兩處水位站，水位時(shí)間序列分別達(dá)到119天和365天，經(jīng)準(zhǔn)調(diào)和分析證明，假設(shè)理論最低潮面是安全的。

多波束數(shù)據(jù)使用Caris Hips軟件，經(jīng)涌浪數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)檢查、潮位改正、聲速改正、條帶拼接檢查、子區(qū)拼接檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。經(jīng)與ODOM CV200型單波束測(cè)量的水深檢查線互相校對(duì)，互差符合海道測(cè)量規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。錨地水深圖以準(zhǔn)確數(shù)據(jù)證實(shí)了考察隊(duì)領(lǐng)隊(duì)關(guān)于存在合適錨地的猜想，2015年1月5日下午，“雪龍”號(hào)科考船在該海域順利拋錨。

2.4 取得成果

本次極地科考測(cè)量，是我國(guó)首次采用專業(yè)海洋測(cè)量船舶，使用多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)等精密海道測(cè)量裝備，按照IHO-SP44標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際海道測(cè)量組織海道測(cè)量規(guī)范特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)南極重點(diǎn)水域進(jìn)行全覆蓋精密掃測(cè)。我國(guó)首次在南極發(fā)現(xiàn)適合大型科考船錨泊的水域，為科考船的航行安全及今后新站建設(shè)物資的運(yùn)輸補(bǔ)給提供了有力的保障。

錨地水域水深在20～50m之間，海底地形相對(duì)較平坦，大部分海域底質(zhì)為砂石，錨地水域?yàn)槿粘保L(fēng)向主要為西北風(fēng)，夏季無(wú)冰或少冰，可供大型科考船錨泊、避風(fēng)。該錨地距離海岸線僅900m左右，能有效縮短人員與貨物的過駁轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，提升貨物裝卸效率。

水位控制不僅適用于海道測(cè)量過程中的水位改正，而且是確立新建科考站高程基準(zhǔn)的基礎(chǔ)，更是新站卸貨碼頭及站上所有工程建設(shè)的基礎(chǔ)。由于極地長(zhǎng)期被冰蓋覆蓋，同時(shí)海岸線附近地形極其復(fù)雜，因此要在極地區(qū)域獲取高精度的水位數(shù)據(jù)尤其困難。本地測(cè)量的難言島附近海域無(wú)任何水文歷史資料，潮汐性質(zhì)、變化范圍等重要數(shù)據(jù)均為空白。在本次科考測(cè)量過程中，雖然受限于人員數(shù)量少、作業(yè)時(shí)間緊張等不利因素影響，但測(cè)量人員仍在沿岸基巖上架設(shè)了高精度壓力式自動(dòng)水位計(jì)，使用無(wú)人值守的自動(dòng)水位計(jì)采集了連續(xù)9天的水位數(shù)據(jù)，獲取了當(dāng)?shù)爻毕再|(zhì)等關(guān)鍵要素。這些寶貴的水文數(shù)據(jù)為后期測(cè)量數(shù)據(jù)綜合分析及今后新站建設(shè)奠定了重要的基礎(chǔ)。

3 總 結(jié)

本次南極海洋測(cè)繪是東海航海保障中心、中國(guó)極地研究中心聯(lián)合實(shí)施的《極地綜合航海保障研究與應(yīng)用》項(xiàng)目的重要組成部分，針對(duì)新站建設(shè)選址附近海域水下地形有針對(duì)性地開展全覆蓋掃測(cè)。

若新站確定選址難言島，新錨地的發(fā)現(xiàn)將為新站的建設(shè)提供極大便利。即使新站選址附近其他位置，作為專業(yè)海洋測(cè)繪在南極開展工作的嘗試，本工程也能提供借鑒。

（1）極地事業(yè)是國(guó)家海洋事業(yè)的重要組成部分，加快我國(guó)極地考察能力建設(shè)對(duì)于落實(shí)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重大意義。伴隨全球氣候變化和國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)格局的新變化，南極戰(zhàn)略價(jià)值迅速上升，各國(guó)紛紛設(shè)立南極保護(hù)區(qū)，加緊南極立法，主張劃分外大陸架，強(qiáng)化對(duì)南極大陸和海洋的控制。我國(guó)亟須加強(qiáng)南極海域特別是建成站附近海域水下地形的測(cè)繪工作，獲取翔實(shí)的水下地形數(shù)據(jù)。

（2）極地特殊的氣候條件及后勤補(bǔ)給情況容易影響工作效率，所以在前期準(zhǔn)備階段需全面考慮，關(guān)鍵設(shè)備需做好雙備份；開展工作期間的安全是重中之重，人員、船艇、環(huán)境、測(cè)量設(shè)備的安全，一旦發(fā)生意外難以施救，所以工作期間需要考察隊(duì)的氣象支持；南極沿海夏季（12月和1月）氣溫一般在-20℃～10℃，測(cè)量設(shè)備及電池等不需要特別考慮氣溫因素，但如果是長(zhǎng)期觀測(cè)設(shè)備就必須考慮越冬期間極端氣溫的影響，還應(yīng)考慮測(cè)量艇及設(shè)備的保存環(huán)境。

（3）南極大部分海域?qū)儆诟呔暥鹊貐^(qū)，采用常規(guī)定位方式很難獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，而多波束測(cè)量的水深數(shù)據(jù)質(zhì)量高度依賴于高精度的定位數(shù)據(jù)，必須考慮RTK-DGPS模式；工作期間人員緊缺，現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境也不方便人工進(jìn)行水位觀測(cè)，所以即使工作時(shí)間很短，自動(dòng)驗(yàn)潮儀也是最適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ剑豢上扔脝尾ㄊ绞竭M(jìn)行大范圍、低密度的測(cè)量，一旦發(fā)現(xiàn)有利水域，盡快開展多波束等方式的全覆蓋測(cè)量。

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