淺談精密海洋測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

王金魁，祁凌云，曾鵬，張超瀛，王如婕

（中船（浙江）海洋科技有限公司，浙江舟山，316100）

0 引言

本文在概述我國(guó)海洋測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的同時(shí)，探究精密海洋測(cè)量與數(shù)量處理技術(shù)在海洋生產(chǎn)中的應(yīng)用，為促進(jìn)我國(guó)海洋精密海洋測(cè)量與數(shù)量處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 海洋測(cè)量技術(shù)

海洋探險(xiǎn)的出現(xiàn)，促成了海洋測(cè)量工作。早期人們通過觀察、記錄星體運(yùn)行來確定航線。16 世紀(jì)六分儀的誕生，標(biāo)志著人們開始采用定量化方法來確定船只的航行方向、位置，與此同時(shí)人們開始應(yīng)用多種儀器包括鉛錘、測(cè)量桿等開始了水深的測(cè)量。1950 年以來，電子技術(shù)的飛速發(fā)展，定位、定向、探測(cè)理論、技術(shù)取得了質(zhì)的發(fā)展，海洋科學(xué)測(cè)量也取得了十足的進(jìn)步，海洋測(cè)量的服務(wù)對(duì)象，也從簡(jiǎn)單的航海工程不斷向海洋資源的開發(fā)、海洋生物的保護(hù)等多領(lǐng)域發(fā)展。我國(guó)航海源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，歷史悠久，對(duì)世界航海事業(yè)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)，早在600 多年前，鄭和下西洋開創(chuàng)了人類航海的先河，并留下了詳細(xì)的古代航海圖，遺憾的是清政府的閉關(guān)鎖國(guó)，中國(guó)喪失了早期航海史上所取得的優(yōu)勢(shì)，錯(cuò)失了十五世紀(jì)大航海時(shí)代所帶來的海洋測(cè)量產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。新中國(guó)給成立以來，國(guó)家尤其注重海洋測(cè)量工作，專門成立了海洋測(cè)量研究結(jié)構(gòu)，并投入了大量人力、物力、財(cái)力等，用于海洋測(cè)量。電子信息化時(shí)代的到來，我國(guó)海洋測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)取得了飛躍的發(fā)展，已經(jīng)完成了我國(guó)海域及其港口的航海圖測(cè)量工作，并完成了大陸架測(cè)量、沿海礦藏勘測(cè)等工作，為我國(guó)航海事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展、海上貿(mào)易及其海上防衛(wèi)工作等提供了有力支撐。

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)

與早期的單波束相比較，多波束的出現(xiàn)，極大的擴(kuò)展了海洋測(cè)量的方法，有效的提升了海洋測(cè)量的效率，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化記錄、自動(dòng)成像化記錄，將原有的點(diǎn)線測(cè)量升級(jí)為平面測(cè)量，甚至實(shí)現(xiàn)了立體化測(cè)量、自動(dòng)化成像。將海洋側(cè)身技術(shù)發(fā)展提升到了一個(gè)新的高度。我國(guó)于上世紀(jì)八十年代中期開始著力于多波束測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)工作，當(dāng)時(shí)由于資金、技術(shù)方面的不足，僅限于理論性、原理性試驗(yàn)的研究，直至上世紀(jì)90 年代，哈爾濱工大、海軍大共同研發(fā)，首先提出了多波束測(cè)深系統(tǒng)——H/HCS-017 型多波束測(cè)深系統(tǒng)，不僅具有千赫茲以上的工作頻率，而且實(shí)現(xiàn)了多波束工作，探測(cè)深度可達(dá)1km，探測(cè)覆蓋面積可達(dá)4 倍水深。雖然在海洋測(cè)深方面仍存在諸多不足，但多波束測(cè)深系統(tǒng)的研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)著國(guó)家海洋測(cè)試技術(shù)裝備達(dá)到了商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，21 世紀(jì)，我國(guó)相繼研發(fā)出便攜式高分辨淺水多波束測(cè)深，大大提升了測(cè)量的時(shí)效性，具有極強(qiáng)的創(chuàng)新性和適用性。

歷經(jīng)多年的發(fā)展，波束測(cè)深技術(shù)在國(guó)內(nèi)取得了飛速的發(fā)展，無論是設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是觀測(cè)精度都相當(dāng)?shù)某墒旌头€(wěn)定。不同型號(hào)之間的勘測(cè)差異日漸縮小，從世界范圍來看，現(xiàn)有的商用多波束測(cè)深系統(tǒng)的精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了IHOS-44 標(biāo)準(zhǔn)，新時(shí)期，隨著多波束測(cè)深系統(tǒng)的逐步升級(jí)，其對(duì)數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)管、評(píng)估，是現(xiàn)代多波束測(cè)深系統(tǒng)首要解決的問題。

1.2 機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)

早在80 年代中期，國(guó)內(nèi)就開始了機(jī)載激光測(cè)深理論研究和原理性試驗(yàn)，進(jìn)入19 世紀(jì)中期，國(guó)內(nèi)機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)研究才取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。時(shí)至2001 年，在國(guó)家項(xiàng)目資助下，中國(guó)海軍大、上海激光所研發(fā)了我國(guó)的第一臺(tái)機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)，其測(cè)深距離達(dá)到了50m，精度范圍±30cm，效率效果高達(dá)50km2/h，系統(tǒng)研發(fā)過程中，歷經(jīng)多種改正，克服了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，突破了多項(xiàng)理論技術(shù)難題，終達(dá)成預(yù)期目的。其做為海底地形測(cè)量的輔助手段，機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)、傳統(tǒng)聲學(xué)技術(shù)的有效結(jié)合應(yīng)用，是未來機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展的重要方向?，F(xiàn)階段，科研人們?nèi)硇耐度爰す獍l(fā)射頻率、最淺測(cè)深能力的開發(fā)。不斷提升激光重復(fù)頻率。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用，更加突出了航空遙感測(cè)試技術(shù)的重要地位。

1.3 無驗(yàn)潮測(cè)深系統(tǒng)

測(cè)深、定位做為海洋測(cè)量的基礎(chǔ)性工作，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)、精密探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋環(huán)境測(cè)量精準(zhǔn)度得到了有效提升。新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，大大提高了海洋測(cè)量的精度、深度的同時(shí)，拓寬了海洋環(huán)境環(huán)境信息獲取的途徑。面對(duì)不斷變化的海洋信息數(shù)據(jù)，越來越繁瑣的數(shù)據(jù)歸算。潮汐歸算最為海洋信息數(shù)據(jù)中最典型的動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，為了不斷提升驗(yàn)潮效率，降低耗材。近年，國(guó)內(nèi)外的專家全身心投入高精度GPS 測(cè)高技術(shù)研發(fā)，經(jīng)過數(shù)年努力取得了一定成效。時(shí)至2003 年，我國(guó)海洋首次通過GPS 動(dòng)態(tài)信息技術(shù)，借助信息科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行了高精度GPS 定位、動(dòng)態(tài)海圖導(dǎo)航、圖像處理等多位一體無驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)，該技術(shù)的提出，可謂是國(guó)內(nèi)海洋測(cè)深處理技術(shù)的重大破圖，研究者們以此為基礎(chǔ)，提出了GPS海洋測(cè)深處理模型，傳統(tǒng)的設(shè)臺(tái)潮汐觀測(cè)方式逐漸被取代，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)海洋抄襲觀測(cè)的跨越式發(fā)展。

現(xiàn)階段，我國(guó)海軍全身心的開發(fā)海洋精密單點(diǎn)定位技術(shù)，深入開發(fā)海洋戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量繪制，為其在海洋測(cè)量領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供專業(yè)基礎(chǔ)，不斷擴(kuò)大海洋測(cè)量質(zhì)量，提高我國(guó)在世界海洋領(lǐng)域成果，占據(jù)世界海洋領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，為海洋高技術(shù)發(fā)展提高支撐。

2 海洋數(shù)據(jù)處理技術(shù)

信息處理技術(shù)是海洋測(cè)量作業(yè)中重要環(huán)節(jié)，早在上世紀(jì)八十年代，我國(guó)就開始致力于海洋測(cè)量信息數(shù)量的采集、處理。時(shí)至1985 年，我國(guó)海軍研發(fā)第一套近海水?dāng)?shù)據(jù)采集自動(dòng)系統(tǒng)，于1986 年成功應(yīng)用于市場(chǎng)。時(shí)間來到1990 年，我國(guó)成功研發(fā)了具有多種功能的海洋信息采集自動(dòng)生成系統(tǒng)，可用于不同類型傳感數(shù)據(jù)的采集、記錄、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、處理、應(yīng)用，并具備一定的導(dǎo)航功能。歷經(jīng)20 多年的理論和實(shí)踐研究，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化海洋信息處理系統(tǒng)于20 世紀(jì)末研發(fā)成功，不僅實(shí)現(xiàn)了海洋測(cè)量全過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、合成，而且實(shí)現(xiàn)在作業(yè)過程中，船只軌跡的測(cè)量顯示，方便作業(yè)人員監(jiān)測(cè)的同時(shí)，引導(dǎo)船舶航行。更為重要的是，通過計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠有效防止測(cè)量報(bào)廢事件的發(fā)生。并可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，使測(cè)試人員準(zhǔn)確掌握測(cè)試區(qū)覆蓋情況提升工作效率的同時(shí)，測(cè)量成果質(zhì)量得到保障。近年，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，海洋數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)朝著集成化、硬件平臺(tái)小型化、通用化方向不斷發(fā)展，與此同時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、抗變形能力得到了廣泛提高。

2.1 海洋處理處理工程

在海洋測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，研究者開始著力于海洋數(shù)據(jù)處理技術(shù)。1999 年，我國(guó)首次研發(fā)了海洋數(shù)量測(cè)量、成像軟件，并在隨后的時(shí)間內(nèi)，不斷的完善、不斷的補(bǔ)充。時(shí)至，2001 年，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的綜合性海洋測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不僅能夠進(jìn)行各種海洋信息數(shù)據(jù)的成像測(cè)繪，而且能夠?qū)崿F(xiàn)潮汐分析、磁力數(shù)據(jù)處理等，幾乎涵蓋海洋測(cè)量的方方面面。近年，國(guó)家出臺(tái)的《海洋測(cè)量規(guī)范》約束下，綜合性海洋測(cè)量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅使得海洋測(cè)量的準(zhǔn)確性得到了大幅度提升，而且實(shí)現(xiàn)了海洋測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化，大大提升了海洋測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性，可以說是海洋測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一大變革。

現(xiàn)階段，依據(jù)國(guó)家海洋作業(yè)部隊(duì)的需求，我國(guó)海洋研究主要致力于多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研發(fā)，在充分借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)家以國(guó)際先進(jìn)水平為目的，通過在自主研發(fā)的方式，開發(fā)研制適合于國(guó)內(nèi)國(guó)情、國(guó)內(nèi)特色的，并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.2 海洋測(cè)量誤差處理技術(shù)

國(guó)內(nèi)研究者通過不斷的實(shí)踐，不斷的改進(jìn)聲速，不同實(shí)現(xiàn)了水文統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確計(jì)算出近海海域回聲測(cè)深改正。更為重要的是，通過潮汐改正，研究者們借助信號(hào)處理理論，按照時(shí)差解算法，不僅解決了傳統(tǒng)上的多站潮汐改正等多方面問題，同時(shí)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法——基準(zhǔn)面歸算法，采用潮位擬合方法，對(duì)深度基準(zhǔn)面、海面均值進(jìn)行計(jì)算。與此同時(shí)，有學(xué)者引入抗差估計(jì)理論進(jìn)行海洋測(cè)量數(shù)據(jù)處理，大大的提升了海洋數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，有研究者采用方差分析方法，構(gòu)建了海洋測(cè)量系統(tǒng)誤差的顯著性分析方法，構(gòu)建海洋測(cè)量系統(tǒng)誤差顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此補(bǔ)償區(qū)系統(tǒng)誤差、測(cè)線誤差的計(jì)算。

3 海洋測(cè)量信息應(yīng)用技術(shù)

3.1 海洋空間地理環(huán)境應(yīng)用

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋測(cè)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)正由紙質(zhì)化方向逐步向數(shù)字化方面過渡，不僅是海上航行的安全保障，更成為海洋戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)工具，乃至成為海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的核心數(shù)字產(chǎn)品。更為重要的是，為不斷適應(yīng)海軍作戰(zhàn)環(huán)境發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)海軍根據(jù)海洋空間地理環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)，通過不斷技術(shù)攻關(guān)，成功研發(fā)了海洋導(dǎo)航系統(tǒng)、海洋地理環(huán)境仿真系統(tǒng)等多種海洋信息化產(chǎn)品，成為了國(guó)家海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的建設(shè)保障?，F(xiàn)階段，國(guó)家通過數(shù)字化海圖、海洋GIS 和指揮自動(dòng)化等技術(shù)融合發(fā)展，力爭(zhēng)提升我國(guó)海洋戰(zhàn)隊(duì)綜合力。

3.2 海洋磁場(chǎng)測(cè)量信息應(yīng)用

海洋磁場(chǎng)作為海洋物理環(huán)境的不可或缺部分，通過海洋磁場(chǎng)的研究，一方面能夠準(zhǔn)確的掌握海洋物理信息，包括時(shí)空、空間數(shù)據(jù)等，另外為海洋生態(tài)環(huán)境的研究提供基礎(chǔ)。近年隨著國(guó)家專項(xiàng)基金的不斷投入，國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨進(jìn)行了海洋磁場(chǎng)信息測(cè)量，包括水下障礙物勘測(cè)、潛艇勘測(cè)、海下武器制導(dǎo)等測(cè)量，尤其是在海下小目標(biāo)勘測(cè)方面國(guó)內(nèi)海洋磁場(chǎng)信息測(cè)量取得來的十足的進(jìn)步，不僅提出了多探頭海洋磁力儀陣列設(shè)計(jì)方案，而且開展了相關(guān)的理論研究和實(shí)踐研究。

3.3 海洋重量場(chǎng)測(cè)量信息應(yīng)用

海洋重力場(chǎng)作為海洋物理環(huán)境的又一組成部分，海洋重力場(chǎng)的研究。不僅有利于掌握地球內(nèi)部形狀、構(gòu)造，而且對(duì)海底資源、物質(zhì)的勘察具有重要意義，尤其是近年各國(guó)軍事緊張，在軍事領(lǐng)域方面，現(xiàn)代彈道導(dǎo)彈的研發(fā)，地球重要場(chǎng)計(jì)算成為制約導(dǎo)彈命中率的制約因素，海洋重力場(chǎng)的研究意義重大。

4 結(jié)語

本文在概述我國(guó)海洋測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的同時(shí)，探究精密海洋測(cè)量與數(shù)量處理技術(shù)在海洋生產(chǎn)中的應(yīng)用，為促進(jìn)我國(guó)海洋精密海洋測(cè)量與數(shù)量處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。