 点击上方“溪流之海洋人生”即可订阅哦南极作为全球战略新疆域和治理体系的新空间，已成为西方各国领土主权主张、科研能力、制度性话语权较量的角力场，特别是在《南极条约》对南极领土做出“冻结”要求后，科技能力和治理能力已成为各国开展南极竞争的重要争夺领域。《中华人民共和国国家安全法》中明确将外层空间、国际海底区域和极地纳入“国家战略新疆域”，更是将探索及和平利用极地上升到国家安全的高度。同时，积极参与极地全球治理以及维护极地安全也是人类命运共同体理念的重要体现。南极空间地理信息已成为参与南极治理和南极科学考察活动的基础支撑，因此加强南极地形测绘数据获取与测绘产品研制尤为重要。
* D; n* ~3 s4 e7 r- t- ~/ @# P 随着国际在极地的博弈日趋白热化，各国加紧了对南极地区的地理信息调查，尤其美国、俄罗斯等极地强国凭借其技术和支撑保障的优势在全南极开展了大规模的陆表、冰下和海底地形测绘工作，开发了覆盖全南极的地理信息系统产品。然而，我国自主的地理信息资源储备相对匮乏，自主保障能力十分有限，地理调查工作仍局限在我国科考站周边有限范围内，与美、俄等极地强国相比存在显著差距。因此，本文在查阅国内外文献的基础上，系统介绍了国外在陆表地形测绘、冰下地形测绘和海底地形测绘等方面的发展现状，提出了我国南极地形测绘领域工作发展建议，以期为我国南极地形测绘应用发展提供参考。 . M' ?2 T) b* ~) H2 d
一、陆表地形测绘发展现状 ( |! T7 Q4 c, h7 ]" ]# P
陆表地形测绘是开展极地基础设施建设的一项基础性工作，系统地开展地理调查有助于全面提升地理信息保障能力和服务水平，对于极地科学考察及研究、极地事务管理等均具有显著的促进作用。目前南极地形测绘手段主要有卫星遥感、航空摄影测量和地面数字测量等，各种测绘技术相互结合，提供了多源多尺度的地理信息数据。
, F: z' h+ s y& Q: Q ⒈卫星遥感测绘 * H: K- Y3 Q$ n0 C
自20世纪80年代以来，各国极地工作者一直致力于基于卫星遥感技术的南极陆域地形测量研究。1983年美国航空航天局（NASA）利用Seasat雷达高度计数据生产了72°S以北、空间分辨率为20km的南极数字高程模型（DEM），随后南极陆域DEM发展出了多种数据源版本，空间分辨率和高程精度也在不断提高。1997年，Liu等依托Radarsat南极制图计划（RAMP），应用地图数据、遥感数据及实测数据制作了一个全新的、高精度无缝南极DEM，目前已经发展到第二版本，其空间分辨率最高能够达到200m。2007年，DiMarzio等利用冰、云和陆地高程卫星（ICESat）等激光测高数据研制了分辨率为500m、覆盖南极63°S-86°S区域的DEM。2013年，Fretwell等利用ICESat激光测高数据、地球资源卫星（ERS）数据、重力反演与气候实验卫星（GRACE）数据和实测数据联合发布了第二代南极冰下制图计划（BEDMAP2）DEM，该栅格产品记录了南极洲60°S以南的地表高程、冰层厚度以及海底和冰下河床高程，栅格数据的分辨率为1km。2018年，NASA成功发射了ICESat-2激光测高卫星，用于测量格陵兰岛和南极洲陆地冰川的年平均高度变化，Shen等利用ICESat-2激光测高卫星于2018年11月至2019年11月期间基于约4.69×109个测量点构建了500m分辨率的南极DEM，生成的DEM与实测数据的均方根偏差为10.83m，并随地表坡度和粗糙度的变化而变化。2017年，Slater等利用2010年7月至2016年7月期间的2.5×108幅CryoSat-2雷达高度计数据生产了空间分辨率1km×1km、覆盖面积超过35万km2的南极大陆冰盖和冰架DEM，总体精度达9.5m左右。同年，德国航空航天中心利用TerraSAR-X和TanDEM-X卫星于2010年12月至2015年1月采集的高分辨率遥感影像像对制作了全球TanDEM-XDEM，该模型有12m、30m和90m分辨率的不同版本，其中TanDEM-X90mDEM在南极区域的整体精度约4～6m，在冰盖边缘区域的精度较差。2018年，Howat等应用亚米级光学立体像对影像（Worldview1/2/3，GeoEye）制作了带有时间戳的2m/8m南极参考高程模型（REMA），REMA数据可覆盖南极大约98%的区域，最大延伸到88°S，其大部分区域的绝对精度小于1m，相对精度为分米量级。 ) l W, } C2 J5 G+ T$ }
国外利用卫星遥感技术手段生成了系列比例尺地形图。目前，国际南极研究科学委员会（SCAR）公开的1:100万地形图有22幅，主要覆盖东南极沿海地区，包括毛德皇后地、恩德比地、乔治五世地、莫森站等区域；1:25万地形图有44幅，主要分布于恩比德地、麦克罗伯逊地、伊丽莎白公主地等。此外，利用卫星遥感影像还制作了各种用途的图集，如空中作战计划图、航空运输图、海事管辖区图等。 9 P+ p2 T. ~5 b! i& c
⒉航空摄影测量
/ R5 E" n, J) S5 |' n+ s 近年来，许多国家陆续启动了基于航空飞机的遥感调查项目，通过有人/无人机搭载不同类型的传感器，获取极地陆域地形和冰盖表面形态数据。2007－2009年国际极地年期间，由美国国家科学基金会（NSF）资助的南极甘伯采夫地区探测计划（AGAP）在“双水獭”飞机上加装冰雷达、激光测距仪、重力仪等传感器对东南极甘布尔泽夫山脉以及兰伯特冰川盆地进行了陆表及冰下测量。为填补南极卫星数据覆盖的空白，欧空局通过PolarGap项目利用机载雷达对南极威尔克斯、极光盆地等区域的冰盖进行高精度测量。美国国家航空航天局于2009年启动“冰桥”（IceBridge）科学计划，利用航空平台搭载数字相机、激光雷达、冰雷达、重力仪以及辅助设备等5类遥感传感器，在南极洲海岸线、南极半岛、南极海冰区域及内陆、北极格陵兰岛等区域开展了冰盖、冰架以及海冰等极地要素探测，截至2020年4月已完成1229架次航空调查任务，总航线达到381.2万km，积累了大量的航空遥感、冰雷达探测、重力数据等资料。此外，国际横穿南极科学考察（ITASE）计划、东南极冰盖分冰岭（IDEA）计划及国家南极冰川学计划（IAGP）均对冰盖地形测量有所涉及。 7 h2 z2 e3 ~. E
⒊地面数字测量 0 _& }5 Q4 U- J$ h z7 ]0 F) W
地面地形测量主要是为了绘制大比例尺地形图，用于极地科考站建设、机场选址和管理区选划等。随着科技的发展，测量工具已从传统的经纬仪、全站仪制图发展到全球定位系统（GPS）实时动态载波相位差分技术（RTK）、地面三维激光成像扫描测量仪等。作为传统的测图方式，地面地形测量是最早用于极地测绘的手段之一。早在19世纪初，考察队员就对南极大陆地面地形进行了考察、勘探，绘制了南极地图。随着各国在南极陆续建立自己的科考站，考察队员利用地面测图的方式绘制了各科考站1:300～1:5000比例尺的地形图。此外，在南极特别管理区和机场区域同样利用地面测量等方式绘制了大比例尺的地形图和专题图，用于特别管理区管理和机场维护等。 / B: s( v! M* E8 O& m
二、冰下地形测绘发展现状 2 R/ ^* }$ m1 x
冰盖厚度和冰下地形是南极冰盖的基本几何特征参数，作为冰盖动力和地球系统模式基本的输入参数对于评估冰盖演化和冰流变化具有重要意义。目前，冰下地形测绘主要有卫星重力测量和直接测量两种手段，卫星重力测量多适用于相对平坦的冰厚区域，而对于地形复杂区域的冰厚误差最高可达1000m。为了获取准确的冰盖厚度和冰下地形，各国多采用冰雷达、地震探测、钻孔等方法对冰盖厚度进行直接测量，而冰雷达技术是目前最有效、应用最广泛的冰厚测量方法。
t A; j1 l3 v2 D" k7 ^- a8 V 早在20世纪60年代，科考队员就利用冰雷达进行南极冰厚和冰下地形调查。1967－1979年，英国剑桥斯科特极地研究中心（SPRI）、NSF和丹麦技术大学（DTU）采用机载冰雷达探测方法在南极冰盖上实施了第一次大范围探测，测线总长约40万km，覆盖约1/3的南极大陆面积，形成了“SPRI-NSF-TUD”冰雷达数据库。2001年，英国南极调查局（BAS）基于“SPRI-NSF-TUD”数据库，并综合了之前冰雷达探测数据及其他研究结果，形成了第一代南极冰下制图计划数据库（Bedmap1）。之后，各国针对南极冰厚和冰下地形的实地探测项目不断展开。南极AGAP计划对东南极甘伯采夫山脉以及兰伯特冰川盆地进行了详细的冰厚探测；欧空局通过PolarGap项目对东南极威尔克斯和极光盆地等区域的冰厚度、冰下地形进行了探测；美国“冰桥”科学计划获取了西南极、南极半岛大部分区域的冰盖表面高程和冰盖厚度；在ITASE计划中，美国采用车载冰雷达测量方法在西南极至南极点区域开展了一系列的冰厚探测；此外，在东南极科茨地、毛德皇后地、阿蒙森海等区域也进行了冰盖厚度测量。2013年，BAS在Bedmap1的基础上新增大量冰雷达和重磁测量结果，推出了Bedmap2数据集。Bedmap2改进了冰盖表面高程数据，分辨率从5km提升到了1km，覆盖范围扩展到了60°S，大部分冰下地形DEM的精度优于300m，但伊丽莎白公主地、科茨地等部分区域误差超过了1000m。
$ g: @( h8 @( B 即将发布的新一代南极冰厚和冰下地形模型Bedmap3将在分辨率、数据覆盖和质量保证等诸多方面进一步提升，并且纳入了我国在东南极伊丽莎白公主地等区域的航空冰下地形调查结果。2020年，美国国家冰雪数据中心（NSIDC）发布了最新版的Bedmachine Antarctica V2数据集，该数据集是NASA在研究环境中使用地球系统数据记录（MEaSUREs）计划的一部分，包括南极陆地/海床地形图、冰盖厚度、表面高程、冰层/海洋/陆地掩膜等参数。Bedmachine Antarctica V2覆盖范围为（53°N－90°S，180°W－180°E），空间格网分辨率为500m，数据时间范围为1970年1月至2019年10月，大部分区域冰厚度精度优于200m。
M$ w% g6 K& z. f 三、海底地形测绘发展现状 & b! v/ L3 t' ~" \2 W5 _3 S
海底地形是海洋动力、泥沙运动和人为等因素综合作用的反映，也是开展海洋资源开发、海底命名、海洋环境保护和海洋科学研究等的重要基础资料。国外利用实测水深数据、卫星重力反演数据、数字化海图等开展了多个水深制图业务化项目，构建了不同的南极区域和全球水深格网数据集。1973年以来，国际水道测量组织（IHO）和IOC联合指导了通用大洋水深制图项目（GEBCO），该项目发布了一系列覆盖全球的多种水深数据集和产品，包括1、15″和30″的全球大洋水深格网数据集、GEBCO数据图集、GEBCO海底地名辞典等，在促进全球海底地形数据应用方面发挥了重要作用。2016年，GEBCO和日本基金会提出了联合开展Seabed2030全球项目，预计在2030年之前利用现有声呐技术绘制完成全球海底地形图，以提升人类探索和了解关键海洋和海底过程的能力。依托Seabed2030项目，GEBCO于2022年6月发布了格网大小为15″的最新版全球海底地形模型GEBCO_2022，该模型以SRTM15+2.4版本作为先验模型，基于Seabed2030项目设置的全球数据中心和4个区域数据中心拥有的格网海深数据进行模型增强，格网大小为86400×43200，共373248万个地形数据点。2008年，美国国家地理数据中心（NGDC）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）利用船测数据、测高重力数据、海岸线数据及陆地高程数据等资料经过统一评价和编辑制作形成了全球地球起伏模型（ETOPO），该模型包括全球陆地地形和海洋水深的数据，其中水深模型有1×1、2×2、5×53种分辨率。 ! O7 Z+ }; u; D9 H6 h% g3 {
2006年，IHO、IOC和SCAR批准了国际南大洋水深制图项目（IBCSO），该项目作为GEBCO的一个区域绘图项目，其目标是通过汇总来自各国的所有可用测深数据，生成一个60°S以南的覆盖整个南极区的无缝水深网格。2013年发布的第一版国际南大洋地图集（IBCSOv1.0）收录了来自15个国家30多个机构的42亿个水深点，制作形成了网格间距500m的数字水深模型。
$ c7 D* K& T. D, n 2022年发布的最新版IBCSOv2.0收录了单波束、多波束、卫星重力反演等14种水深数据集，覆盖范围延伸至50°S，较IBCSOv1.0改进了南极绕极流重要海洋门户、德雷克海峡和塔斯马尼亚门户的水深测量数据，成为50°S以南地区最权威的海底地图。 0 N1 _' B0 v; Y4 x$ |' T9 K" Q
四、我国南极地形测绘发展建议 8 @% n3 i0 M3 N! l0 b6 x
我国从1984年首次开展南极科学考察至2022年，已经完成了38次南极科学考察，获取了丰富的地理调查数据，取得了众多的科研成果和产品，这些数据资源和成果有效支撑了我国南极科学考察、科学研究等活动，但与极地强国相比，在地理信息应用研究与服务方面还存在差距。为加快我国极地测绘的发展，增强极地地理信息应用服务的能力，应在以下几个重点发展及研究方向加大投入力度。 : l1 p1 J5 v* [
⑴有序推进南极地理信息资源建设 : r3 ]0 g3 ?, }6 J& o
充分发挥极地地理信息的基础性、战略性作用，通过统筹规划，有计划、分步骤地推动全南极陆海地理信息资源的优化覆盖。利用国产自主遥感卫星影像实现从南极重点区域向全南极陆表区域1∶1万地理信息数据覆盖；采用中低空航空调查手段实现大比例尺的陆表和冰下地形测绘从我现有管控区向地缘关键区乃至全南极的拓展；基于南极科学考察，有计划地推进南极重点海域大尺度、高精度的海底地形地貌产品全覆盖。
! L9 j8 n$ e& L ⑵深化极地地形测绘技术方法研究 + J a0 |" n: a) S
南极特殊的地理位置和极端的自然环境是我国极地地形测绘工作面临的重大挑战。在强化极地测绘技术自主创新发展的同时，更应该注重地理信息方法研究，主要表现在：开展南极似大地水准面模型、深度基准模型融合研究，构建南极陆海一体化测绘基准体系，实现南极陆域高程基准与海洋深度基准有机统一；开展南极地理信息数据统一标准化处理，研究多源多尺度空间地理信息数据融合更新方法，增强数据集的准确性和现势性。 9 I/ L+ o2 F; @: c9 E
⑶增强南极地形测绘产品自主研发 6 ~3 q3 o& N3 r% c5 ~/ D9 q1 h
地形测绘产品是提升地理信息应用服务水平的关键。充分整合卫星遥感、航空综合调查、地面实地调查、海底地形调查等数据资料，统筹利用国内外已有的南极地理信息数据，研制具有国际领先水平的全南极陆表、冰下和海底一体化数字地形模型产品，使其真正担负起作为各领域“底图”的作用；面向极地科考、国民经济发展等需求，制作不同类型的测绘产品。 , n$ {6 V# Q; x$ t% ^, _. c! {
⑷加快南极测绘地理信息服务体系建设 0 W8 V2 ]: C: ^ P) F! J
测绘地理信息服务体系建设是提升地理信息应用服务能力的重要途径。建设我国地理信息资源、南极考察测绘数据成果和国际共享资源在统一时空基准下的南极测绘地理信息数据库；研究南极测绘地理信息服务体系有关信息分类分级方法、服务内容、服务模式、服务标准规范、交换与共享服务政策机制，构建空间一体、联动更新、按需服务、开放共享的南极地理信息公共服务平台。
/ j6 W. p6 i( P% t& z% q 五、结语
7 K7 d4 u# E7 X7 N/ C 南极地形测绘不仅是开展极地科学考察及科学研究的重要支撑条件，还涉及维护国家在南极的国家安全和权益问题。本文在文献调研的基础上，梳理总结了国外南极地形测绘在陆表、冰下和海底等区域的发展现状。我国南极地形测绘经过近40年的发展，取得了丰硕的成果，但与极地强国相比还存在较大差距。为此，需要加快我国南极地理信息资源建设，逐步实现全南极空间地理信息调查；推进极地测绘地理信息技术理论和方法创新，实现核心技术自主可控；增强南极地形测绘自主产品研发，提升我国测绘产品在国际上的竞争力；统筹南极地理信息资源，提升我国南极地理信息应用服务水平，满足国家极地战略发展的需求。 $ V9 p4 O# K+ g% b3 L" G
1 " K" ?/ l, B6 T- `0 E3 Y
END
1 J7 W# i h; x4 G7 H% b8 k 1
% o9 u( D/ ~+ j) x6 ~, ?) M. R 【作者简介】文/王朝阳 邢喆 张峰 王晶 郭灿文，来自国家海洋信息中心。第一作者王朝阳，博士，工程师，主要从事极地测绘研究。文章来自《海洋信息技术与应用》（2023年第1期），参考文章略，用于学习与交流，版权归出版单位与作者所有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”编辑与整理。   
. ~9 p) o- Y" q" ^8 _ 相关阅读推荐 海测讲坛▏王剑：南极海底地形调查与命名海测论坛▏海洋测绘在南极科考中的作用及实践科技动态▏科学家制作出史上最精确和清晰的南极地图海洋风采▏山东科技大学南极科考队员王磊：155天特殊差旅背后的故事海洋论坛▏几款全球海底地形模型比较分析新闻透析▏武汉大学南极科考纪实：一路向南，勇闯“无人区”    
( p. A2 {% g/ A% |% G 公众号 % k* z- \9 m$ q. }' d% w* N
溪流之海洋人生 & ]0 ]5 C/ L% ]# o; K6 |
微信号▏xiliu92899  ( b. S. l, H' R
用专业精神创造价值 % ~/ t# c: ?1 H9 W: V
用人文关怀引发共鸣 您的关注就是我们前行的动力
1 V% X! y' }, | 投稿邮箱▏191291624@qq.com  
: ]+ c3 H0 u. r, c5 m# ^; v( t) I+ w0 Q8 Y
0 E# @1 ~! W3 ?: b
% N0 y5 [. h/ r0 H H7 ]) y/ G5 T) T+ o4 h/ m- M+ x% w1 e0 ?
| 
