海洋测量的进展及发展趋势

测绘信息与工程JournalofGeomaticsAug.2009;34(4)25文章编号:100723817(2009)0420025203中图分类号:P229文献标志码:B海洋测量的进展及发展趋势赵建虎1李娟娟1李萌2(1武汉大学测绘学院,武汉市珞喻路129号,430079;2湖北省电力建设第一工程公司,武汉市中山路388号,430061)摘要对海洋测绘的现状及最新进展进行了分析,并就其发展趋势给予了探讨。关键词海洋测绘;物理海洋测量;几何海洋测量随着现代科技的发展和作业内容的延伸,海洋测绘在测量手段的现代化、立体化及学科交叉增强及学科界限模糊两个方面发生了深刻变革。传统海洋测量仅局限于基于船载设备的点测量,如单波束测深系统,难以实现“面”扫测,新兴的海洋扫测系统如多波束和测深测扫声纳的出现,使水深测量这一基本工作实现了对海底的全覆盖扫测和呈现[1,2]。同时,LIDAR系统、航空重磁力测量以及水深遥感的发展和应用,使海洋测量呈现现代化、立体化的态势[3,4]。海洋测量内容随着工程需求的拓展,涉足领域越来越广[4]。卫星遥感、扫测技术、水下摄影、水下电视等非接触式测量技术在海洋测量中的广泛应用,使得遥感技术与海洋测量密切相关。基于声波的高精度水深测量和定位对水下波束的声速精度要求越来越高,风暴潮的频繁出现、潮汐潮位在现代海洋测量中的重要性日益增强等都决定了海洋水文与海洋测量密不可分;与海洋测绘相关的物理学、计算机学、电子学等与海洋测绘的交叉融合在海洋测量中越来越显著,这些不但改变了传统海洋测量的现状,也打破了已有海洋测绘的结构体系。1海洋测量的现状现代海洋测绘包含的内容十分广泛,按过程顺序分为测量、呈现和管理。海洋测量按性质可划分为海洋物理测量和几何测量。1.1物理海洋测量物理海洋测量主要是对海洋底部地球物理场性质的测量。应用物理学的测量手段,可调查海洋的地质构造和矿产分布。主要测量方法有地震测量、重力测量、磁力测量、海底热流测量和海洋放射性测量及声学测量。物理海洋测量包括海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋水文测量以及海水面的测定。海洋重力测量是在海上测量重力加速度的工作。近年来,海洋重力测量在如下方面获得了长足的发展:重力测量系统的主体技术得到改进;DGPS的广泛应用,提高了重力测量中的导航定位精度;广泛采用光纤陀螺技术,提高了平台的灵敏度、稳定性和使用寿命;消除了交叉耦合效应的影响;数字化控制重力弹簧或摆的调平、平台的调平,使仪器变得更轻便、更易维护,测量精度更高。卫星测高技术拓宽了海洋重力测量的领域和范围,能覆盖全球大洋,提供足够精度和分辨率的海洋大地水准面起伏,而由其恢复的重力场精度和分辨率已接近于海上船载重力测量精度水平[3,4]。海洋磁力测量是测定海上地磁要素的工作。卫星、航空器和海洋船只等所采集的海洋地磁测量数据,对于直接寻找海底磁性矿产和研究海洋基底构造与海底扩张等科学问题具有不可替代的作用。近几年来,海洋磁力测量的主要技术进步表现为:传感器由传统的磁通门式、核子旋进式过渡到铯光泵式,提高了测量的灵敏度、精度、采样速率和稳定性;联合DGPS、压力深度仪、声学高度计、超短基线定位系统、浪潮仪和ADCP(AcousticDopplerCurrentProfiler)等辅助设备,提高了传感器定位和环境噪声改正的精度;出现地磁总场或水平分量的梯度测量技术,增强了目标探测的能力。海洋水文观测是海洋调查中重要的作业内容,与现代海洋测绘的实际需求密切相关。随着走航式温盐深计的出现,动态情况提取不同水层的温度和盐度,为立体海洋温度、盐度分布研究提供了丰富的数据,彻底改变了当前点测量的局限。透明度仪的采用改变了白色光盘人工观测精度低和不准确的问题。在遥控、遥报潮位观测和GPS在航潮位测量方法出现后,潮位观测自动化和精确性均得到很大程度的提高。海流的流速和流向目前通过测站式或走航式ADCP测定,相对传统方法,ADCP加快了测量速度,体现了三维流速和流向的特性,提高了测量精度和范围。海水面的测定包括海面形态的测定和平均海水面的确定。前者对海洋测量和海洋科学研究有着重要的作用,后者对大地测量有着重要意义,平均海水面的形状即大地水准面。传统的验潮站办法亦能测定海洋沿岸几个点的水位情况;而对整个海面形状的测定只有借助于卫星测高这一手段才能按所需要的精度加以测定。1.2几何海洋测量几何海洋测量涉及的内容比较广泛,主要包括海洋大地测量、海洋定位、水位测量、水深测量、海底地形地貌测量、海洋遥感及其在海洋工程、海域划界中的综合应用。海洋大地控制测量是研究海洋大地控制点(网)及确定地球形状大小,研究海面形状变化的科学。相对水上岛礁控制网,海底控制网的建立却有一定特殊性。目前,单个海底项目来源:国家教育部“十一五”规划教材基金资助项目(G2006116)。26测绘信息与工程JournalofGeomaticsAug.2009;34(4)控制点坐标可利用已知船位(通过卫星可以确定船的实时位置)通过两点交会法、三点空间交会法和距离差法来测定。近年来,随着水下GPS技术的发展,利用GPS实现海底控制点(网)坐标的联测已成为现实。以测量船为中继,利用GPS卫星确定船位,同时通过船上水声仪器对海底控制点进行同步观测,这样的观测可通过船的移动进行多次,然后用最小二乘法求解船和海底控制点在统一坐标系统中的坐标。海面定位一般采用卫星定位的方法,水下定位普遍采用水声定位。水声定位按照定位距离可分为长基线定位、短基线定位、超短基线定位。目前我国已经研发了水下DGPS高精度定位系统用于水下定位,该设备首次利用GPS解决水下设备导航问题和水下设备实时三维定位问题,并提供亚米级的定位结果。与传统的单波束测深相比较,多波束系统具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等诸多优点,将测深技术从传统的点、线扩展到面,并进一步发展到立体测图和自动成图,从而使海底地形测量技术发展到一个较高的水平。测扫声纳主要用于获取海底地貌,缺少可信的水深。我国声学研究所研制的高精度高分辨率测深侧扫声纳系统填补了这个空白,使得水深测量在密度和精度上得到了很大改善。LIDAR因其具有测量速度快、精度高等特点,近年来与之相关的研究一直方兴未艾,并在定位、定姿、归位计算和数据融合方面取得了长足的发展[4]。随着GPS高精度定位技术在海洋测量中的应用,水下地形测量的导航和定位精度得到了进一步改善。同时,GPS垂直解应用于在无验潮模式下的水下地形测量中,结合姿态改正技术、信息融合技术以及波束角效应综合改正技术,实现了厘米级的水下地形测量。随着卫星遥感技术的发展,基于可见光的水深遥感方法在水域覆盖和水深普查中应用越来越多,其水深反演精度也越来越高。海底地貌、底质的探测可通过多波束和测扫声纳来实现。近年来,无论是多波束系统还是测扫声纳系统,均朝着高分辨率、精确定位和同步提供测深及声纳图像方面发展(如Geosawth系统和高分辨测深测扫声纳),这为实现海底地貌的详细勘察提供了重要手段。2海洋测绘的发展趋势海洋测绘发展的总趋势是向高精度、全覆盖、全过程自动化方向发展,结合我国的具体国情以及国外的研究进展,具体表现在如下几个方面。2.1海洋大地测量基准、大地水准面及海洋无缝垂直参考基准面的研究为便于海洋开发和利用,有必要在我国所辖海域建立一个完善的海上大地控制网。此外,基于长程超短基线定位系统、永久浮标技术和GPS水下定位等技术,通过系统研制、数据处理理论研究,完全可建立我国水下大地控制网。我国的重力场理论研究已与国际同步,如我国学者研制的新一代分米级似大地水准面(CQG2000),这些成果在陆地上取得了较高的精度,而在海上由于重力数据欠缺,还难以满足高精度的海洋测量需求。为此,需大力发展船载、机载、星载重力测量技术,建立所辖海域完善的重力资料;同时,对所辖海域进行水下地形测量,构造我国大陆架内海床DEM/DTM,联测沿海水准网,与陆地数据联合,建立我国高精度的海洋大地水准面。随着GPS高精度定位技术在海洋测量中的应用,海洋垂直基准的不连续问题越来越成为该技术应用的瓶颈,研究无缝垂直参考基准的选择及高程系统转换显得越来越迫切。2.2水下综合定位与导航技术海上导航与定位技术已有了长足的发展,现有技术已基本满足海面作业的精度需要,但目前水下定位和导航技术还需要进行深入研究。我国已经在长程超短基线定位、组合导航方面的研究取得了长足发展,但距离成熟应用还存在一定差距。因而还需在卫星水下定位技术、基于水下声标台与INS的组合导航技术和系统、基于多波束、前视声纳、测扫声纳和已有地形资料的地形、地貌匹配导航技术、重力和磁力匹配导航技术研究以及基于上述技术的综合导航技术和系统的研究和开发。2.3AUV/ROV关键测绘技术为详细探测海底地形地貌以及水下目标,水下机器人将在深海测绘中扮演非常重要的作用。我国虽然在这方面起步较晚,但进步很快“,十五”期间已研制出ROV水下样机,因此,基于AUV/ROV进行水下精密测量已成为可能。AUV/ROV关键技术中与测绘相关的研究主要表现在:水下机器人的导航和定位技术研究;水下目标识别技术研究及基于水下机器人载荷测量设备的精密测量方法及归位计算方法研究。2.4海洋遥感信息技术相对传统的海洋测量技术,海洋遥感具有经济快速等特点,非常适合于海洋普查。目前,海洋遥感测绘技术主要包含星载(SAR、多光谱及高度计)、机载(LIDAR、航空摄影)和船载(多波束和测扫声纳)等技术。我国利用这些技术已在岛礁定位、岸滩监测、岸线确定、浅海测深、航行危险区和他国非法占领海区海图修测等方面发挥着重要的作用,但不足之处主要表现在单一系统的算法和精度还需改善、系统应用领域还需进一步拓展、系统间的信息共享性较差、在综合反映海洋要素以及要素间的相互作用方面较欠缺。2.5多源多传感器信息的融合技术研究新的海洋测绘体系中融合和吸收了大量其他边缘学科的理论和技术,如航空航天技术、通信技术、计算机技术、航海技术、数据库技术、天文学、海洋学、气象学和水文学等。这些技术间的相互渗透和相互作用,共同反映了丰富的海洋信息。但由于单一技术侧重点的不同,反映海洋要素方面还存在着不足,这就有必要将相关信息进行综合,提高海洋要素的准确度和全面性。近年来,我国已在海洋信息的融合方面进行了相关的研究,并取得了一些进展,但对于数据的深层挖掘和应用还显不足。因而,在未来一段时间,数据融合研究还需进一步深入或拓展:超光谱数据与测深数据的融合处理技术研究;多波束与测扫声纳数据的融合研究;SAR/InSAR数据与测深数据的融合研究;多波束测深数据与LI2DAR测深数据的融合研究;其他多源多传感器同测量对象的数据融合研究等。测绘信息与工程JournalofGeomaticsAug.2009;34(4)272.6数字海洋技术海洋信息主要通过星载、机载、数字测量技术,全球定位系统等技术获取,这些技术提供了海量数据和高质量的海洋信息,呈现了多样化的数字产品,为构建数字海洋奠定了基础[5,6]。我国在构造数字海洋方面已取得了一些进展,但离海洋状况的真实呈现和综合应用还存在一定差距,为此,还要在如下方面开展研究:建造覆盖我国近海海域的大、中比例尺海洋数据库,形成统一标准与接口的数字海洋基础信息平台;建立海洋综合管理信息系统,形成面向海洋管理的辅助决策分析能力和面向公众的信息发布服务能力;发展3S、虚拟现实、仿真、互操作等技术手段,以数字化、可视化、动态显示等方式,真实呈现和预测海洋变化;形成海洋信息关键技术的自主研发能力,取得一批拥有自主知识产权的创新性数字海洋关键技术,缩短与国外的差距;建成适应海洋信息化建设发展的软环境,包括标准规范等。2.7海平面变化、海洋灾害监测及预报技术我国海域自然灾害频繁,且影响巨大,灾害监测和预报显得尤为重要。我国已初步形成由中央到地方、从近海到远海、多部门交叉的海洋环境观测、预报、警报网络,在防灾、减灾工作中起着重要作用。但这些系统还不够完整、配套和先进,仍存在观测网点少,观测技术和传输手段落后、预报项目不全、准确率不