什么是海洋测量技术 -海洋测量的定义是什么

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【编者按】马航MH370搜救为全球深海探测行业提出了新的挑战，探讨了海洋测量技术在深远海搜救中的应用，指出了我国开展深远海搜救面临的问题和解决的措施，对于加快远海区海洋测绘资料收集，提高远海区航海和水文气象保障，探索深远海探测搜救的新思路和新方法，开创我国深远海探测搜救的新局面有一定的指导意义。本文发表在《海洋测绘》2016年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。边刚，男，山西榆次人，讲师，博士，主要从事海道测量理论与数据处理研究。

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文/边刚 孙雪洁 崔杨 吕良 金绍华

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一、引言

近年来，全球深海探测行业已经趋于成熟。诸如搜索泰坦尼克号和找回美国失事挑战者号航天飞机任务的顺利开展也都进一步加速了这一领域科技的发展[1-3]。2014年3月8日，MH370失事以来共经历了水面搜救和水下探测搜救两个阶段，来自25个国家的65架飞机和95艘舰船及专家在印度洋面上搜寻了数月时间，动用了水下声波探仪、水下航行器“蓝鳍金枪鱼-21”、海底声纳等设备[4]。MH370的搜救给全球深海探测行业提出了新的挑战，如何综合利用现代的探测技术对深海失事飞机或船只残骸展开探测和搜救，对于深海探测行业的发展有着重要的作用和意义。尤其对于中国，深远海搜救技术和方法落后于西方发达国家[2]。本文以MH370的搜救为例，分析了海洋测量技术在深远海搜救中的应用，探讨了目前我国开展深远海搜救面临的问题和解决的措施，希望能够对我国进一步规范和完善深远海搜救技术有一定的指导意义。

二、马航370搜救中海洋测量技术的应用

⒈ 黑匣子探测技术

“黑匣子”，是飞机专用的电子记录设备之一，其能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的语音对话和两小时的飞行高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林尼治时间，还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等记录下来，需要时把所记录的内容解码，供飞行实验、事故分析之用。黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信标，一旦黑匣子入水，信标上的水敏开关启动信标工作，通过信标的金属外壳把频率为37.5kHz的超声波信号发射到周围水域，声源级约160db，理论最大作用距离4～6km，能持续30天。30天后随着电量逐渐耗尽，超声波信号将越来越微弱直至停止工作。

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此次搜救MH370飞机黑匣子，各国已经动用了从太空、空中到海上、水下等多个领域的技术手段和高科技装备，展开了一场史无前例的国际大搜索。2014年4月5日，在接近黑匣子寿命30天时，中国海巡01轮已在南纬25度、东经101度附近南印度洋水域通过黑匣子搜寻仪侦听到频率37．5kHz每秒一次的脉冲信号。2014年4月6日上午，搭载了美国黑匣子搜索设备的澳大利亚“海盾号”军舰，曾两次在搜索区域的最北端收测到了脉冲信号，第一次持续2h20min，第二次持续13min。2014年4月9日“海盾号（Ocean Shield）”又发现两次信号，第一次持续5min32s，第二次持续7min。4月12日，澳方确认搜寻到的信号来自MH370黑匣子，并将搜寻区域缩小至一块40km×50km的区域。4月17日澳方表示水下搜索马航MH370航班的最佳线索将在大约一周后失效。因此，由于黑匣子无法实时传回数据，飞机的飞行方向无法确定，如果飞机没有按照原来的航线飞行，甚至折返，那么整个搜救的范围就需要画很大一个圆，给后续的搜救带来很大的难度。

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⒉ 侧扫声纳探测技术

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20世纪80年代以来，侧扫声纳探测技术主要用来探测水下障碍物如礁石、沉船、管道、电缆等目标[5-6]。然而，就马航MH370事件而言， 侧扫声纳的使用存在一定的局限性。

⑴搜寻区域水深较大

此次搜寻的区域水深大约在3000m左右，其中最深区域可达6000m，而目前世界上最先进的美国Benthos公司的SIS1615最大工作深度为2000m，而德国ATLAS公司的EdgeTech4200FS的最大工作深度为1000m。为此，单独采用侧扫声纳探测技术，对于飞机残骸的探测就显得无能为力。值得注意的是，如果在前期的泰国湾搜索中，推测区域的海图水深最大为57m，侧扫声纳探测技术可以用来进行搜索，但随着搜素区域转入南印度洋，只有将侧扫声纳换能器安装到水下机器人上，可以弥补侧扫声纳工作深度的局限。

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⑵搜寻目标较小，撞击海面后分解

波音777-200型飞机长约为64m、高18.6m，如飞机整体，使用侧扫声纳扫测则有可能发现，然而当飞机撞击水面时，即便飞行能够保持滑翔机的降落姿态也仅仅会有数块大型残骸能够保持完好，飞机的引擎和极其坚固的涡轮都会折断并沉入海底。有时候，飞机的驾驶舱能够较为完好的保存下来，但飞机的其余部分恐怕都会在巨大冲击力的撞击下瓦解。然而，即便是数块大型残骸也不会为此次搜索提供太多便利，因为在海沟和多岩海域它们很有可能被研究人员所忽略。

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⒊ 多波束探测技术

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多波束探测技术即采用回声测深原理，对搜索海区的海底进行全覆盖扫测，生成海底深度等深线，进而获得搜索区域的海底地形图，通过海底地形图来判别、确定失事目标准确位置[8]。另外，多波束测深系统还可以获取海底底质回波的反向散射强度数据，根据该数据可以对不同海底底质进行分类，从而判别、确定失事目标的准确位置[9]。然而，就马航MH370事件而言，多波束探测技术也存在一定的局限性。主要表现在：

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⑴搜寻区域水深较大

根据飞机疑似失事海域情况，水深在3000m左右，其中最深区域可达6000m。以目前世界上最先进的美国Reson公司的Seabat8150多波束测深系统为例，其测深范围虽然可达10～15,000m，垂直分辨率0.45m，水平分辨率在正常情况下约50～100m左右[10]，如果飞机破坏不严重，则有发现可能，如果飞机解体且碎片较小，则多波束发现的可能性很小。

截止2014年8月根据最新的海底图形分析，搜索单位已经鉴定58个可能有飞机残骸的印度洋海域，这些地点有可能是飞机残骸，也有可能是船只残骸或者巨石，2014年9月5日搜索人员在最新的搜索区域海底绘测中检测到硬物体，但是该物体似乎周边环境并不相符。2014年12月12日在失踪9个多月后，澳大利亚运输安全局发布了经过电脑处理的多波束探测的海域洋底示意图。然而遗憾的是，并不能从海底图像中分辨出飞机残骸。

⑵海底回波强度难度大

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海底回波强度是多波束系统的另外一个测量参数。由于数据量庞大，国内许多用户很少采集这方面的数据，对其图像的研究也少有文献，其实对于水下碍航物探测与识别来说，回波图像是十分重要的数据源[11]。但是在现有的图像处理方法中还没有适合多波束图像处理的最优方法。因此，采用该方法进行识别的难度也非常大。

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就目前的技术而言，还无法采用多波束探测技术来判定MH370飞机残骸，但是对搜救区域的海底测绘，将帮助人们掌握这片海域海底的形态、深度和构成，从而为后续重点的海底搜救提供前提和基础。截止2014年9月，在中国“竺可桢号”和澳大利亚的辉固赤道号经过需要三个月的时间，已经将总6万平方公里的搜寻范围测量出来。并鉴定出58个可能有飞机残骸的印度洋海域，这些地点有可能是飞机残骸，也有可能是船只残骸或者巨石，接下来也将集中搜索这些地点。

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⒋ 海洋磁力探测技术

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海洋磁力探测技术通过磁力传感器（磁力仪）采集的磁场信息对铁磁性物体进行定位与识别。该技术的优势体现为：⑴识别能力好，执行时间短，定位精度高；⑵独立工作能力强，实时性好；⑶被动探测，隐蔽性好，不受浅水制约等[12]。

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值得注意的是，海洋磁力探测技术实施过程中磁力仪采取拖曳式工作，并且要求磁力仪拖鱼距海底一定距离（1m左右），为此，该技术主要用于江河、湖泊和浅海等水域磁性目标的探测与识别。MH370搜救的前期，如在泰国湾搜索中，推测区域的海图水深最大为57m，曾考虑过采用海洋磁力探测技术进行搜救，随着搜救转向深远海，海洋磁力探测也难以发挥作用。

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⒌ 水下机器人

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水下机器人也称潜水器是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在水下机器人可以加载诸如单波束测深仪、多波束测深系统换能器、侧扫声纳、合成孔径声纳、CTD探测器、照相机或摄像机，以及声学摄像机等设备。目前水下机器人在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞等方面都获得广泛的应用[13]。

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MH370搜救中，4月22日，“蓝鳍金枪鱼-21”在西澳大利亚首府帕斯西北的印度洋海域执行第9次搜寻任务。用来探测4月8日“海洋盾号”探测到的最后一段音频信号，并划定了一个半径6.2英里的圆形水下搜寻区域。遗憾的是并没有获得飞机黑匣子。

2014年9月下旬，荷兰辉固公司的“发现号”、“赤道号”、马来西亚的“凤凰号”携带先进的海底声呐和AUV开始了海底搜救工作[18]。截至2014年年底，澳大利亚交通安全管理局已经完成1.8万平方千米（总面积为6万平方千米）的海下搜索，相当于总工作量的30%，却毫无收获，整片海域的搜索工作拟于2015年5月完成[19]。另外，据5月13日报道，澳大利亚政府将在未来两年拨出7千960万澳元(约合人民币3.94亿元)，用作搜寻马航MH370客机的费用。搜索范围也将从6万平方千米扩大到12万平方千米。

三、深远海区搜救需解决的技术难点

⒈ 第一时间确定搜救区域

搜救区域的确定是整个搜救行动开展的前提，通常是根据飞机与地面雷达站或国际海事卫星组织提供的与飞机通讯记录来判定飞机大致失事的区域，然后针对该区域迅速展开海面搜索，以搜索飞机残骸或飞机的黑匣子，以精确确定飞机失事的位置。此次MH370搜救的前期，各种猜测层出不穷，马来西亚政府更是多次发布不准确消息，导致事件变得扑朔迷离。一直到后来，国际海事卫星组织的专家通过卫星与飞机的最后一次“握手信号”，确定了南北两条“走廊”：一条从哈萨克斯坦和土库曼斯坦边境至泰国北部地区，一条大致从印度尼西亚向南至南印度洋。北部走廊被排除后搜救区域集中在南印度洋。2014年10月，来自澳、英、美、马来西亚的相关组织和专家，根据卫星通信数据以及客机飞行数据，重建了马航370航班的飞行路线，最终判定客机可能在燃油耗尽后以螺旋下降的方式坠入南印度洋，地点可能在第七条弧线区域内更靠南的位置。由此可见，对于远海区搜救探测，综合利用各种手段，第一时间判定搜索区域，对于后续的搜救工作可以达到事半功倍的效果。

⒉ 搜救区域的航海及水文气象保障

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搜集区域的航海保障是能否顺利开展搜救的重要保障。进行搜集的飞机或舰船必须掌握搜救区域的航路、水文气象等情况。特别是对印度洋等陌生海域航海图书资料以及水文气象资料的保障就成为远海区搜救的一个难点。

为此，我们应了解后续搜救任务兵力情况，预先做好航海图书资料准备，一是准备好所需英版海图，及时提供给任务舰船；二是可以在船上加装海图支持系统，实现对海区的及时保障和更新。另外也可以通过与地方支援保障解决舰船在印度洋海区时，缺乏岛礁区和沿岸海域大比例尺英版海图的问题[14]。

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对于水文气象，国家海洋预报中心可以开展漂浮物轨迹推算和溯源分析，并加强水文气象会商，深化海洋环境信息的分析与研判。水文气象保障单位为任务船只提供了任务海域水文气象气侯背景统计产品（如天气及天气现象、风向、风力、波高、能见度、趋势气象预报以及水文要素（温、盐、流）预报），为兵力安全运用提供了有力保障。在任务舰船上还可以协调携带抛弃式温深仪、Argo浮标、漂流浮标等便携式设备等上船，结合开展任务海域的海洋调查和测量，及时掌握海区温盐、海流、海浪、大气波导和水深、重（磁）力等水文气象和地理要素第一手资料，加强对陌生海区水文气象资料的收集[15,16]。

⒊ 搜救装备的保障

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搜救装备也是搜救能否顺利完成的重要保障。装备的保障应根据搜救目标的特点和搜救区域的自然地理条件选择。在海面搜索阶段，根据卫星相片、飞机及舰艇雷达图像等，以及采用目力观察、望远镜、探照灯、红外夜视仪等设备，对失事目标进行搜寻，并根据实施目标残骸漂浮物或油污、当前风向、流速，判断失事目标大致方位。一旦海面搜救失败，转入海底探测搜索阶段，首先应该选择黑匣子搜寻仪，来探测黑匣子发出的声学信号，进而判定黑匣子的位置，通过对黑匣子的数据进行分析，展开下一步搜寻。而当黑匣子的声信号失效，则必须借助于多波束、侧扫等声学测量设备或海洋磁力仪进行飞机残骸探测。无论是声学还是磁探测都有其局限性。我们必须结合搜救区域的自然地理条件以及设备的技术性能指标，合理的选择探测设备，以保障搜救的顺利完成。此次MH370的搜救，由于海底搜寻区域水深在3000～6000m，为此，必须利用多波束系统对搜救区域进行全覆盖扫测，根据海底图像判定可疑位置，进一步利用水下机器人搭载海底声呐来对可疑位置进行探测。

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⒋ 加强国内及国外各部门的联合协助

此次参与马航失联搜救国家扩展至26个，参与搜救的飞机65架，舰船95艘（中国13架飞机，19艘舰船），中国还调动了21颗卫星参与搜寻。因此，如何与国外各搜救部门畅通联络渠道，进行联合协调也非常重要。此次搜救中，澳大利亚成立了搜寻马航370的联合协调中心，与马来西亚政府、中国政府合作开展搜救，并及时发布一些有关搜索的最新进展，为参与搜寻国家提供指导，为此次搜救的顺利进行提供了保障。

另外，参与此次搜救的各国，除了军方的飞机、舰船还有国际海事卫星组织的专家以及地方的搜救机构。如马来西亚海事部门、马航、澳大利亚运输安全局、荷兰辉固（Fugro）石油和天然气咨询公司的专家。而中国参与此次搜救还包括交通运输部中国海上搜救中心的“海巡01”“海巡02”“海巡31”号搜救船，还有“雪龙号”科考船。而且在搜救初期，中国海上搜救中心还重新划定了商船搜寻区域，要求航经的商船适当调整航线，在孟加拉湾和印度尼西亚及澳大利亚西部海域协助搜寻。同时，与农业部渔政局沟通，请其协调在印度洋相关海域进行远洋作业的渔船加强水面瞭望，协助搜寻。

由此可见，对于深远海区域的搜救不仅要加强各国之间的联合协调，还要协调本国各部门之间的沟通，成立联合搜救中心，组织协调各搜寻单位互通有无，资料共享，这样才能保障搜救的顺利进行。

四、结论

MH370的搜救工作给全球深海探测行业提出了新的挑战，特别是我国的深海探测行业，还较落后于西方发达国家。所以，我们要以此为契机，立足于自身，加快收集远海区海洋测绘资料，提高我国深远海区的航海和水文气象保障能力；引进并研发自主知识产权的深远海探测设备，加强与各国或各单位的协调联系；积极参与国际深远海探测搜救，探索深远海探测搜救的新思路和新方法，开创我国深远海探测搜救的新局面。

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