|
海洋测绘作为测绘科学技术的一个分支，主要以占地球表面积71%的海洋和陆地水域的河流湖泊为研究对象。其研究内容涉及获取、处理、管理、表示和利用与海洋和陆地水域及其邻近土地的地理空间分布有关的几何、物理、人文和时变信息。海洋测量是海洋测绘的重要组成部分，主要包括海洋大地测量、水文测量、海底地形测量、海岸地形测量、海洋重力测量、海洋磁测、海洋工程测量等。随着卫星定位技术的发展，遥测遥感技术、计算机技术和传感器技术、海洋测量也发生了深刻的变化。它充分体现了学科拓展与融合、信息源集成、数据挖掘深度和应用服务普遍性等特点。在测量信息的获取和处理、测量设备的研发、新技术和新方法的应用等方面取得了显著进展。 不同时期的专家对海洋测量技术的研究现状和发展趋势进行了回顾。无论是从测量方法、平台使用、设备研发、数据处理等方面，还是从机制体系、学科建设、人才培养、标准建设等方面进行论述，为读者客观评价海洋测量技术的发展。特别是《测绘地理信息蓝皮书》和《测绘科技发展报告》（又称白皮书）中国测绘地理信息学会每年都从各个方面对海洋测绘技术的发展进行全面的介绍和评述。基于笔者的理解，结合前人的研究成果，本文拟从几个方面重点介绍海洋测量技术的发展，有助于读者进一步了解海洋测量技术的发展概况。
一、海洋测量学科拓展与交叉融合发展 按照学科归属的划分，海洋测绘无疑属于测绘学科，这是毋庸置疑的。海洋测绘的基本理论、坐标框架、技术方法和应用领域与测绘学科一脉相承。海洋测量作为一种数据采集技术，自然属于测绘学科中地理空间信息的采集与处理。但是，随着现代高新技术的迅速发展、普及和应用，以及测量仪器制造工艺的改进、测量元件的多样化和测量技术的普及，海洋测量技术不仅极大地拓展了学科本身的研究内容，而且实现了学科的可持续良性发展。 ⒈学科研究内容的拓展 ⑴从传统的海道测量学到现代的海洋测量学 海道测量学科的发展已有一百多年的历史，而海道测量活动则可追溯到更为久远的历史。随着测量仪器、测量内容和测量方法的变革，从20世纪以来，在海道测量学科的基础上，又出现了海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋大地测量、海洋遥感测量等，已经逐渐发展为海洋测量学科。国际海道测量组织出版的《Hydrographic Dictionary》《IHO Standards for Hydrographic Surveys》和《Manual on Hydrography》里面所指的hydrography，其内容还是我们平时所讲的以保证航海安全为主要目的的海道测量。 1990年，国际海道测量组织出版的《海道测量词典》(第四版)，对hydrography的定义是：专门以航海为应用目的，涉及测量和描述地球表面可通航区域及其毗邻的沿海区域自然特征的一门应用科学。 在国内，大家对海道测量和海洋测量的认识也渐趋一致。一般认为海道测量是海洋测量的组成部分。海道测量是对海洋和江河、湖泊水下地貌及其附近陆地地形所进行的测量与调查的理论与技术。获取的数据主要用于编制航海图、发布航海参考资料、提供水域基础地理信息，主要目的是保证船舶安全与高效率航行。比较而言，在海道测量基础上发展起来的海洋测量，其内涵要比海道测量广得多。海洋测量是对海洋和江河、湖泊及其沿岸地带进行测量的理论、技术和方法。海洋测量按研究内容和任务可分为海洋大地测量、海道测量、海底地形测量、海岸地形测量、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋工程测量和海洋遥感测量等。 ⑵从狭义的海洋大地测量到广义的海洋大地测量 大地测量学历史悠久，内容丰富，是研究和确定地球的形状、大小、重力场、整体与局部运动和地球表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。而海洋大地测量作为陆地大地测量在海洋区域的扩展，其研究内容不再局限于狭义的建立海洋大地控制网(点)，测定平均海面、海面地形和大地水准面等，而是渐渐融入了更多的陆地大地测量的研究内容。在陆地上，大地测量包括椭球面大地测量、物理大地测量、空间大地测量、卫星大地测量、动力大地测量、行星大地测量等。在海洋上，除了传统的海洋大地测量研究的内容外，随着海洋重力测量手段的多样化、垂直基准的建立，建立海洋大地控制网方法的发展以及海底长期观测网的建立等，同样包括了物理大地测量、空间大地测量、动力大地测量的研究内容。这些内容已经超出狭义的海洋大地测量所包含的范围，渐渐发展为广义的海洋大地测量。 ⒉学科交叉融合发展 ⑴海洋测量与海洋调查 虽然海洋测量和海洋测量属于不同的学科，但它们在仪器设备、测量要素、操作方法、数据处理和结果应用方面有许多共同之处。特别是在海底地形测量、海底沉积物勘探和海洋重磁测量等方面，技术方法、测量要素、数据处理和成果形式的融合性很强，体现了两个学科之间的日益融合。当然，尽管这是一个跨学科的特征，但两者之间的差异仍然很明显。 海洋调查主要是对海洋地理空间要素的测量和处理，不研究海洋化学、海洋生物学和海洋光学。海底地形测量的比例尺范围为1:2000至1:500000。测量结果关系到船舶航行安全，对测量精度和精度要求较高。海洋重磁测量成果主要用于海洋测量基准的确定和军事保障，因此测量成果的精度、可靠性和准确性较高。 海洋测量主要是调查海洋环境因素，不涉及海岸地形测量、海岸水深测量、海洋大地测量等。海底地形测量的比例尺范围为1:100000至1:100万。调查结果主要为海洋资源勘探和海洋科学研究服务，仅为编制船舶航行图提供参考信息。对测量精度和精度的要求相对较低。同样，海洋重磁测量结果主要服务于海洋资源勘探和海洋科学研究，仅为确定海洋测量基准和确保军事应用提供参考信息。因此，要求测量精度较低。 ⑵海洋测量与海洋地质调查 海洋地质调查本身就具有两个学科交融的特点，其既有海洋学科的特点，又有地质学的特点。海洋测量过去仅对水深在100m以内的海区进行海底表层底质探测。随着海洋测量成果应用领域的拓展，海洋测量的探测要素不再局限于海底底质，而是向海底地质调查的内容靠近。所用的仪器设备、作业方法和探测要素基本相同，但由于应用目的不同，海洋测量对样品的分析和底质分类的精细程度要求较低。 ⑶海洋测量与海洋声学调查 声波在海水中的传播路径和传播速度直接影响海底地形的测量精度。为了保证多波束测深系统对海底地形的探测精度，在测量过程中必须在测区内布设多条声速剖面，以跟踪和校正声线弯曲，提高海底地形的探测精度。随着中远综合测量船的建造，为了充分利用测量船上携带的声速测量设备，在实施海洋测量时，更多地考虑了海洋声学测量的需要，使海洋测量与海洋声学测量在仪器设备、作业方法、测量要素、成果应用等方面实现了更加一体化、协调发展。 二、海底地形与海岸地形测量技术的进展 海底地形测量是海洋测量最为核心最具特色的信息获取技术。目前多波束全覆盖测深技术已经成为海洋测量的常规技术，点线测量模式已经发展为面状的全覆盖测量模式。目前在海底地形与海岸地形测量方面，其研究进展主要体现在以下几个方面： ⑴海底地形地貌立体测量体系基本形成。船舶海洋测量一直是获取海洋地理空间信息的主要途径。传统的点-线海底地形测量模式已发展为地面全覆盖作业模式。随着机载激光测深系统的应用，这种高精度、高效率的机载测深作业模式已成为50m以上浅水区多波束测深方法的重要补充。利用大量的卫星测高数据，结合船载测深数据，可以反演全球海域的海底地形，相对精度可以达到反演水深数据的7%以上。可见光遥感和微波遥感也是水深反演的一种手段。航空摄影和遥感技术作为传统野外测量的补充，已成为海岸地形测量的常规手段。水下隐蔽测量手段正在建设中。船载和机载综合陆地和水测量技术已得到应用。航天、航空、地面、水面、水下五位一体的测量手段，标志着全要素、多平台的海洋测量体系初步形成。 ⑵水陆一体化测量技术得到应用。在传统的海洋测量中，海底地形测量和海岸地形测量是分开进行的。前者通过船舶实现，后者通过人工现场测量或摄影遥感实现。随着激光三维扫描仪的出现，利用舰载模式，携带多波束测深仪（或单波束测深仪）、GNSS接收机、激光三维扫描仪、姿态传感器等设备，可在海岸线附近同时进行海底地形测量和海岸地形测量，实现水陆无缝结合。同样，具有海岸地形测量功能的机载激光探测系统也可以实现海岸线附近的水陆无缝综合测量。目前，这项技术已经成熟。在科技部重大仪器项目的支持下，国产机载探测激光雷达将于今年内问世。利用气垫船进行大面积浅滩地形测量的试验取得了良好的效果，无疑为船舶因吃水问题无法进入、浅滩面积大、难以人工测量的大面积浅滩地形测量提供了有效的解决方案。 ⑶具有自主知识产权的浅水多波束测深系统已经研制成功。多年来，无论是深水还是浅水多波束测深系统一直依赖于引进，严重制约了沿岸水深的全覆盖测量和内陆水域的全覆盖测量。目前，浅水多波束测深技术已经实现突破，采用多脉冲发射技术和双条幅检测技术，实现了高密度信号的采集和处理。采用Dolph-Tchebyshev屏蔽技术，减少了垂直航迹方向的旁瓣效应。其产品已推广应用。深水多波束测深系统、侧扫声呐和浅底层剖面仪正在研制中。 ⑷GNSS无验潮水深测量技术已经发展成熟，被广泛应用于沿岸水深测量当中。一是有效提高了测量的作业效率，减轻了作业人员的劳动强度;二是有效削弱了波浪和潮汐误差的影响，提高了测量成果精度。GNSS无验潮水深测量的定位方法也已由初期的GNSS RTK发展到现在的精密单点定位(ppp)，大大拓展了差分定位的作用距离，使得远离海岸的GNSS无验潮水深测量成为可能。 ⑸海底地形反演方法取得进展。除了利用单波束测深仪、多波束测深系统和机载激光测深系统实施海底地形测量外，利用卫星测高数据反演大尺度海底地形也是海洋测量领域研究的热点问题。其反演方法除了传统的匹配滤波法和线性回归法，国内学者又改进和发展了新的反演方法。其中基于地壳密度差的重力地质法更加适宜于利用卫星测高重力异常反演海底地形。其将重力异常划分为长波参考场和短波残差场，前者由已知海水深度和重力异常的控制点计算，后者在待求点上用重力异常减去长波重力异常得到短波分量，然后根据短波分量来反演海水的深度。这种方法能够获得比ETOPO1模型更高的精度。 ⑹海底地形产品更加多样化。海洋测量成果的主要产品形式一直以纸质航海图为主，兼有航海书表等产品。海洋经济的发展、国防建设和科学研究的需要促进了海底地形产品的多样化、服务保障的网络化、覆盖区域的全球化。海底地形测量成果除了用于编制出版纸质航海图外，还用于编制出版各种格式的数字航海图以及数字海底地形模型DEM(或者数字水深模型DDM)。通过基准转换、增删部分要素或者与其他相关的要素叠加，编制出版不同用途的专题海图(海底地形图、海底地质图等)。 ⑺综合航空摄影测量和潮位推算来确定海岸线位置的方法已在海岸地形测量中得到应用。海岸线的位置作为海洋测量要素的重要组成部分，《海道测量规范》规定：“海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘。海岸线应进行实测”。但在痕迹不明显或者困难地区，实地测量也会存在很多差异。因此，应用航空摄影测量和潮位推算来确定海岸线位置的方法不失为一种可行的方法，且已经在国家专项中得到应用。然而，在日潮特征海域，现有海岸线定义中的多年平均大潮高潮面是没有实际意义的，国内有学者提出了在日潮特征海域，应该用回归潮平均高高潮位来取代多年平均大潮高潮面来确定海岸线的位置。 ⑻多波束测深数据处理更加精细化。主要表现为：声线弯曲校正方法不断改进，一是提高声线弯曲校正的精度，二是提高声速剖面的代表性。为了跟踪声速传播的路径和速度，有恒声速声线跟踪法、恒梯度声线跟踪法、声线跟踪误差修正法和等效声速剖面法。为了将实测声速剖面与经验声速剖面相结合，提出了经验正交函数法。为了实现相邻条带的拼接，弱化“哭脸”和“笑脸”现象，除了简单的平均法、手动调整法和两步调整法外，国内学者还提出了以中心梁为控制条件的条带拼接法，取得了良好的效果。异常数据检测主要采用人机交互编辑和自动编辑。前者是手动检查每个Ping数据或海底三维模型数据，以发现异常数据。后者采用加权平均、统计分析、中值滤波、稳健估计、趋势面滤波、立方体滤波等数学方法查找异常数据，或直接删除（建立DEM时）或人工确认（发布图表时），以避免出现虚假或弃真现象。 三、海洋重力与磁力测量技术的进展 海洋重力和磁力测量方面的进展主要体现在：重磁力测量信息采集平台逐步实现多样化，海洋重力和磁力测量仪器研制国产化取得成效，数据融合处理和误差处理更加精细化，应用领域得到有效拓展。 ⑴航空重力测量和海底重力测量技术发展迅速。船载海洋重力测量方式一直是实施海洋重力测量的主要作业模式，但随着海洋航空测量体系的构建，航空重力测量模式成为船载重力测量的重要补充，尤其在近岸海域，航空重力测量是最有效的获取重力场信息的手段。同时，国家专项的实施又为海底重力测量提供了发展契机。不久的将来，将会在一些局部海域开展一定数量的海底重力测量，作为基准比对和研究之用。 ⑵重力测量仪器的研制已经实现国产化。具有自主知识产权的捷联式航空重力仪和海洋重力仪、三轴平台式航空重力仪和海洋重力仪的研制均已取得突破性进展，并进行了航空重力测量试验和船载重力测量试验，其测量精度可与国外同类重力仪相媲美。 ⑶重力场向下延拓方法研究取得进展。应用航空重力测量技术获取海洋区域的地球重力场已经成为海洋重力测量的重要方法。由于海洋区域的特殊性，其数据处理方法有着区别于陆地区域航空重力测量的特点。重力场向下延拓除了传统经常采用的迭代求解法、最小二乘配置法、梯度法、正则化方法外，我国学者提出的基于高阶重力位模型或者卫星测高数据的海域重力场向下延拓方法，无论是计算的稳定性，还是延拓精度都取得了很好的效果。 ⑷海洋重力测量误差处理更加精细化。海洋重力测量系统误差处理方法已经成熟，可应用整体网平差法或者两步处理法来实现。针对多航次不同船不同仪器的海洋重力测量，有时彼此之间会存在比较明显的系统误差。为了统一多航次船载重力测量数据基准，基于平差思想，选取一个重力异常模型作为参考场，将航次实测数据与参考场数据差异的平均值作为观测量进行分析计算，可有效统一多航次船载重力测量的数据基准。 ⑸磁力测量仪器的研制已经实现国产化。具有自主知识产权的光泵式海洋磁力仪已研制成功，并在海洋工程建设中得到应用。国产航空磁力测量仪的可靠性和精度有了大幅提高，已广泛应用于海洋磁力测量和水下磁性目标探测。 ⑹为了解决离岸较远海区的磁力测量，已广泛应用海底日变站进行日变改正。同时，我国地磁海床日变化观测仪器的研制也取得了重要进展。在地磁磁偏角测量中，为了克服小岛面积小、观测基线短的问题，提出了太阳天体观测来解决小岛磁偏角测量问题。同时，提出了一种基于陀螺经纬仪的超短基线磁偏角测量方法。传统的单探头海洋磁力仪适用于大规模海洋地质体的测量，不适用于水下小目标的精细探测。为了探测水下磁性小目标，考虑到多探头同步测量数据比单探头数据具有更好的分辨率，便于目标解释和推断，研制了一种多探头磁强计阵列，较好地解决了磁性小目标的识别与定位问题。 四、海洋测量信息应用技术的进展 （1） 海底地形测量信息的主要目的一直是为海图编制服务，为经济建设、国防建设和海洋权益维护提供基础数据。近年来，海底DEM的构建已成为多波束测深数据的一个重要应用方向。相关的数据融合处理、不确定性评估、DEM构建方法及其在不同领域的应用也成为研究热点。水下机器人定位一直是人们感兴趣的问题。除了研究基于地球物理场（重力场和地磁场）的水下匹配导航外，人们还积极探索水下地形匹配用于水下航行器定位的可能性。 ⑵ 海洋重力测量数据的主要用途之一是确定地球的形状和大小。随着国家专项工程的实施，海洋垂直基准面的确定受到了特别的重视。在建立一致的近岸海陆垂直基准的基础上，海域范围进一步扩大，基准精度进一步提高。作为水下匹配导航的另一个数据源，人们对水下重力匹配导航的模型算法和仿真进行了深入研究，在匹配区域的选择、匹配算法的改进、重力场模型的建立等方面取得了重要进展。为了为远程战略武器发射提供重力场支持，中国学者在分析重力场对埋藏式战略导弹发射的影响方面取得了创新性成果，海洋重力场测量精度论证及重力异常场分配模式的构建。 ⑶ 海洋磁测资料除了研究地壳结构和矿产资源开发外，在大地基准面建立、水下航行器磁强计探测、船舶消磁、地磁匹配导航等应用研究方面也取得了显著进展。 （4） 针对缺乏高精度海底基准控制点、缺乏海洋大地基准、水下导航技术单一、缺乏统一的海陆地理空间信息系统等问题，中国开展了海洋大地基准和海洋导航新技术研究，如海洋大地观测网建设、海陆基准无缝对接、水下参考点建立、海洋多传感器融合导航等。 （5） 数字海洋地理信息基础框架建设完成了我国“数字海洋”从科学概念到工程实体建设的重要一步，我国数字海洋地理信息基础框架建设取得了丰硕成果。国家海洋局系统和军队海洋测绘部门率先建设数字海洋，在理论方法、观测技术和数据处理方法上取得重要进展。目前，潜艇控制网或潜艇观测网建设被列为国家全球空间基准和海洋观测计划专项的重要建设内容。根据不同的服务目的，这些海底观测网将具有定位、流量测量、重力测量、磁力测量、地震监测、数据传输等功能。未来，数字海洋地理信息从技术研究、产品研发、系统建设到产业化的社会化应用服务模式将不断完善。 五、结论与展望 经过多年的发展，海洋调查平台已变得更加多样化。以传统舰载平台为基础的航天、航空、地面、水面、水下多元化三维数据采集平台系统已基本建成。无人机、无人驾驶船舶、气垫船等新型测量平台已初步应用。水陆一体化的海底/海岸地形测量技术取得了显著进展，在海洋测量中显示出其独特的技术优势。成功研制了一批具有自主知识产权的海洋测量仪器设备，取得了满意的试验结果。一些设备已在实践中得到应用。一些新的理论、方法和技术在海洋测量中得到了推广，大大提高了测量效率和精度。学科间的交叉整合程度得到了提高，并衍生出许多新的研究方向。可以预见，测量平台的多样化、测量设备的国产化、信息采集的一体化、测量领域的全球化、数据处理的智能化、，产品生产的系列化和服务保障的网络化将逐步成为海洋测量的新常态。 各种海洋测绘标准将更加完善，最终形成军民融合、衔接、兼容、协调、互补的海洋测绘标准体系。随着国家专项的实施，覆盖中国近海的海洋测量基础设施体系建设备受关注，相关专业验证点和水陆一体化基准建设将取得突破。 海洋地理空间信息采集平台和仪器设备研发国产化进程加快。海洋测量全要素信息融合处理、多元化产品生产、全球信息应用服务等仪器设备自主研发取得重大进展。 国内浅水多波束测深系统将在国内市场与国外产品竞争，中深水多波束测深系统也将国产化。海/空重力仪和海洋/航空磁强计的国产化速度大大加快。目前已进行了多次海上试验，其精度和可靠性可与国外同类仪器媲美。可以预计，其在国内市场占据一席之地的日子并不遥远。 海陆一体化无缝测量技术将得到更广泛的应用，海岸地形航空摄影测量技术将成为海岸地形图快速更新的常规手段。无人机和无人驾驶艇将得到更广泛的应用。 在数据处理、方法技术、算法模型等方面，将更加精细、实用、准确。垂直基准面建立、海底地形测量、海洋重力测量、海洋磁测等数据处理方法将更加成熟。无缝拼接、偶然误差和系统误差处理、各种环境参数的校正、不同源数据的融合处理将更加完善。
| 
