我国海洋测绘市场、海洋测绘技术综述

                               
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, Q5 X% A+ X6 g" Z; _% V【作者简介】文章作者龚强，双硕士，博士，博士后，教授，研究员级高级工程师，翻译职称，博士生导师，长期从事测绘与GIS、网格计算与地理空间信息网格、云计算等研究及教学工作。本篇文章节选自论文《我国海洋测绘市场、海洋测绘技术综述》。

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【摘要】海洋测绘是海洋空间地理信息测量与表达的总称。目前，我国海洋测绘市场逐渐形成，迫切需要高质量的海洋测绘技术提供服务。海洋测绘产业大致分为海洋基础测绘、海洋资源开发、海洋科学研究与管理、海岸带生态修复与海洋环境保护、海上交通运输等。海洋测绘技术包括海洋大地测量、海洋导航定位技术、水深测量、海岸带地形测量、海洋遥感、海底底质探测、海洋工程测量、侧扫声呐测量、合成孔径声呐探测等。
) [. {# N7 L1 n4 b  |【关键词】 海洋；测绘；市场；技术
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0.引言 ) i$ K* H  Q7 b  @0 ~$ _

为了加强我国海洋经济的发展和海洋战略的实施，助力拓展我国蓝色发展空间，促进国家海洋治理能力的提升，缓解我国陆域发展资源不足和环境承载压力，为经济高质量发展提供更加丰富的资源，更好地参与海洋治理，必须大力发展海洋测绘产业，大范围、高质量开展海洋测绘工作。再从另一个角度考虑，近年来，随着我国经济的高速发展，智慧城市建设已经进入实施阶段，同时，建设智慧海岸带也被提出。无论是沿海智慧城市建设，还是智慧海岸带建设都需要通过海洋测绘提供基础数据。为此，对我国海洋测绘市场、海洋测绘技术综述如下。

1.海洋测绘及海洋测绘市场发展

海洋测绘是海洋空间地理信息测量与表达的总称，是研究海洋、江河、湖泊以及毗邻陆地区域各种几何、物理、人文等地理空间信息采集、处理、表示、管理和应用的专门学科，是测绘学的一个重要分支，是一切海洋军事、海洋科学研究及开发利用活动的基础[1]。
泰伯研究院根据海洋测绘市场和发展状况分析研究，提出的报告《海洋测绘市场现状与发展趋势》认为：国内海洋测绘和海洋地理信息体系建设起步晚，底子薄，但近些年依托国家战略支撑，发展迅猛。随着“海洋强国”战略和“一带一路”倡议等政策的落实，产业与技术将逐步建立互动并相互促进，未来的海洋测绘领域有着优良的发展前景[2]。
6 O- @2 J, t" D新中国建立以后，我国最初的海洋测绘工作是由中国人民解放军承担的。1978年改革开放以后，当时我国的海洋测绘市场结构相对比较单一，主要是针对船舶航行安全等方面的任务开展工作。其时只有海事局所属测绘队伍、解放军海测部队以及地质调查、交通运输、水利科研系统的涉海测绘单位从事海洋测绘业务，业务范围主要是海道测量。上世纪80年代后，才有了海洋重力测量和海洋磁力测量，出现了海洋测绘的术语，并逐渐开展相关海洋测绘工作。
上世纪90年代初期，涉海水利部门所属测绘队伍从内河转向海洋，交通系统所属勘查测绘单位相继进入海洋测绘市场，一些部队的海洋测绘单位也参与进来，海洋测绘市场初见雏形并逐渐形成。那一时期，为数不多的民营海测企业尚未涉足海洋测绘，仅从事港口交通建设等方面的测绘工作。20世纪90年代中期以后，电力、电信、通讯业蓬勃发展，海岛通电、通讯需求日益强烈，海底管线路由项目方兴未艾，增加迅速，国家海洋勘查测绘队伍参与到海洋测绘工作中来。到上世纪末本世纪初，涉海民营测绘队伍应运而生，顺势而动，具有资质的海洋测绘企业迅速增加，且业务水平日渐提高，迅速形成今天的海洋测绘市场。立体、高精度、高分辨率、高效的信息获取、处理和应用技术将是海洋测绘技术发展的趋势，军民融合发展成为今后海洋测绘的主要发展模式。

2.海洋测绘产业类别

如图1所示，随着大数据、云计算等现代高科技技术在测绘领域不断渗透，海洋测绘在数据获取与处理、产品形态与应用等方面正在发生深刻变革，海洋物联网和海洋信息化快速发展，海洋测绘领域进一步拓展，尤其是以下几个方面发展迅速，需求迫切。简单综述如下：

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图1 海洋测绘产业分类

& ~! H8 s: I1 t" _, d2 @- b2 y: h2.1 海洋基础测绘近年来，海洋经济呈加速度态势发展，地方政府及相关部门对海洋基础测绘提出了更高要求。目前，东南沿海一些省和自治区在所管辖的海域相继展开了基础测绘工作，例如，福建省、浙江省、山东省、广西壮族自治区等已经开展了陆海基准测量、地图投影与地图分幅统一的基础测绘工作，构建了基础地理信息系统。开展1∶50000、1∶10000、1∶5000等不同比例尺的海洋基础测绘工作，以满足日益迫切的发展需求。2.2 海洋科学研究开展海洋科学研究无论如何都离不开海洋测绘。海洋测绘不仅为海洋科学研究提供各类基础图件、资料、成果，还为海洋生态、海底科学、气候变化等各类相关科研工作提供多种技术手段和支撑。海洋遥感技术因其快速、广泛、提供实时数据信息等特质，可以比较全面地获得海洋的整体情态，同时，应用这项技术直接助力海冰、绿潮、溢油、赤潮、海温、水色、海洋水产、渔业以及风暴潮的研究和监测，尤其是对海况预警预报、海洋防灾减灾、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学利用等领域具有重要影响和重大意义。2.3 海洋科学管理海域管理(包括海岸带管理)必须依赖海洋测绘提供技术支持，无论是海籍确权测量，还是用海空间规划等，都需要依据不同比例尺的地形图和相应的测绘地理信息成果，借助相关的测绘地理信息手段。而在规划编制前(无论是海洋国土空间规划还是“多规合一”)的调研、规划编制、规划执行以及规划管控、监督全过程，都离不开测绘地理信息工作的支持[3]。当然，对测绘地理信息技术、手段成果精度等也有不同的要求。2.4 海岸带生态修复与环境保护目前，我国一些海岸带环境已经出现了污染，海岸带生态在一定程度上被损坏。针对这一现状，国家明确提出必须加大海岸带环境保护力度，加快海岸带生态恢复、治理和修复。而要做好这项工作，必须开展持续的、周期性的岸滩演变监测和分析研究，这就需要海洋测绘提供技术支撑。而开展滩涂演变分析、海港回淤测量，则需要周期性的水下地形测量，然后进行海泥流沙数值建模、场地冲淤计算，以及评价、提供预测等。这些工作均需要应用海洋测绘手段获取成果数据，以提供技术支持。2.5 海洋资源开发海洋资源极其丰富，海洋石油及海底其他矿产资源的开发，无论是前期初勘、详勘、储量计算，还是生产作业的各个阶段，都需要作业区域的海底地形地貌测绘作为基础资料。与此相关的海底地质、水动力和泥沙动力环境参数的调查测量也需要高精度的导航定位支持[4]。而海上石油开发，有的需要建设海上石油勘探开采平台，还有的需要铺设海底输水、输电、输油管线等，甚至要建人工岛。各种海底管线路由、施工前后的勘测、调查、检测、各类管线的布设，大多要进行海底地形测量、海底面状况侧扫、浅地表剖面测量等；还要开展工程地质钻探等工程，这些都需要海洋测绘手段及测绘成果提供支持。2.6 海上交通运输码头、航道、锚地等工程测量一般包括码头前沿、后沿及底部、调头区、回旋水域、进出港航道、待泊锚地等相关各类测绘工作，同时，还需要进行水深测量施工，以确保船只在涉及水深以上航行。此外，还要进行航道整治工程测量，以及针对海底地质环境复杂锚地区进行的海洋磁力测量等。

3.海洋测绘技术

如图2所示，根据海洋测绘的定义和内涵，结合目前相关技术的进展情况，对海洋测绘技术简单综述如下[5-6]：

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图2 海洋测绘技术

3.1 海洋大地测量
. ^6 i/ H! f* f, G/ A3 ^海洋大地测量是陆地大地测量在海区的扩展延伸，其目的是确保海洋测量控制基准，它是为海洋测绘建立重力和磁力(物理)、平面和高程(几何)基准体系与维护框架的大地测量技术，是最重要的基础测绘工作。除了海洋物理大地测量，即海洋重力(海洋重力测量在大地测量学、地球科学、航天科技、海洋科学、水下地磁匹配导航，以及海洋军事活动等方面有重要意义，其目的是为研究地球形状和内部构造，勘查海洋矿产资源，保障航天和远程武器发射等而进行的测量)、磁力测量(作为海洋地球物理探测的重要内容，它根据岩石磁性差异，磁异常的特征及其分布规律，探究海底岩石磁性不均匀性，据此推断地壳结构和构造、洋底生成和演化历史、勘查大陆边缘地区的矿产分布。由于磁法探测不受空气、水、泥等介质的影响，能够准确检测出铁磁物质所引起的磁异常，因此应用于水下沉船、铁锚、光电缆、海底路由管线等探测，同时，也用于水下小目标，包括泥沙下磁性目标的探测等)，还包括海洋控制网建立，即布设、施测覆盖海岸、岛礁、水体和海底控制网的工作。它是大地控制网的组成部分，是陆地平面坐标框架网向海洋的延伸。海洋垂直基准是海洋垂直测量成果的起算参考，包括陆地高程基准、平均海平面和深度基准面。海洋垂直基准通常借助潮位站获取的潮位数据来确定，随着卫星测高、GNSS等相关技术的发展，海洋垂直基准确定采用的数据源和表达方式发生了深刻的变革[7]。
3.2 海洋导航定位技术
& x' H. d  o, [- O0 f5 h- x所有海洋活动都需要基于位置提供的服务。目前，海上的位置服务主要依靠助GNSS(由美国GPS、欧盟GALILEO、俄罗斯GLONASS以及中国北斗卫星导航系统四大卫星定位系统联合组成的GNSS系统)。船只导航一般多采用GNSS单点定位技术；中小比例尺水下地形测量中，导航定位多采用GNSS广域差分或星际差分技术；在高精度测量中，定位主要采用GNSS RTK (real-time kinematics)、PPK (post-processing kinematics)和PPP (precise point positioning)定位技术[8]。
水下导航定位多采用水下声学定位系统，如LBL(long base line长基线)、SBL (short base line短基线)和USBL (ultra-short base line超短基线)。LBL、SBL和USBL均采用交会定位方法，且常组合使用[8]。这种利用水声设备确定水下载体或设备位置的声学技术，在使用上是有区别的：LBL和SBL水声定位系统必须分别在海床和船体上安装固定接收基阵，USBL则是将水听器组件封装于一个精密的容器里。一般来说，USBL定位技术具备便携性和独立性优势，因此，目前已经成为水声定位设备研究的热点。
另外，经常会组合使用声学定位技术、惯性导航系统、航位推算系统等，以保证水下导航定位精度，同时还可以提高其稳健性。最近几年，为了保证水下潜器导航的连续性、长时性，尤其是为了提高隐蔽性，经常将惯导系统与海底几何场(地形、地貌)或物理场(重力、磁力)的匹配导航技术组合，从而形成(无源)自主导航定位系统，服务于水下潜器导航。
( I: W/ N6 F$ ]0 j' ?/ {3.3 水深测量及水下、海岛礁与海岸带地形测量
, @3 w2 l) r7 @, ]  J8 s8 W) P海底、海岸带地形测量是海洋测绘的基本内容之一。传统的海底地形测量一般是对潮位、吃水、深度、涌浪等直接测量获得数据，而现代水下、海岸带地形测量使用方法更加先进，已经呈现出立体、高效、高精度测量态势。
作为水下地形测量的重要环节——水深测量，当前多采用单波束(一次测量获取一个测深点，一般适于中小比例尺或小区域大比例尺水下地形测量)、多波束测深(一次测量可在航行正交扇面内获得几百个测点，实现对海底全覆盖扫测)系统和机载激光(LiDAR)全覆盖测深等技术。水深测量是海道测量的基本手段，其目的是通过水深测量获取理论深度基准面上的水深。它是海道测量的内容之一，除了保障船舶航行安全，水深也是海图制图的重要要素之一，水深测量亦是海底地形测量的基本手段。水下地形测量起算面一般基于多年获取的平均海水面数据或1985国家高程基准，多用于海洋工程建设或是海洋工程的施工图等。GNSS一体化水深测量技术是现代船基水深测量的代表，可实现在航多源信息综合采集、数据融合，大幅度减少、削弱各类误差影响，从而提升海底地形测量精度，还可以提高作业效率。反演技术包括：卫星遥感反演水深——借助可见光在水中传播和反射后的光谱变化，结合实测水深，构建反演模型，实现大面积水深反演，再结合遥感成像时刻水位反算得到海底地形[9]；海底地形——依据重力异常和海底地形在一定波段内存在高度相关，据此反演出大尺度海底地形；SFS (shape from shading)方法——基于声呐图像实现海底高分辨率地形反演。
# k6 I, [) {+ Y, E, k' T% \海岸带一体化地形测量技术：海岸带地形是岸上地形与海底地形的连接部分，是海岸带与海岛礁陆地地形与海底地形的过渡地带，是海洋空间资源的重要组成，也是海洋测量的重点。对其进行测量是海洋工程建设及海洋空间规划的需要。传统海岸带地形测量一般采用全站仪、RTK进行，但效率相对较低，有些区域施测难度非常大，难以完成任务。最近，机载LiDAR(雷达)与GNSS结合、遥感技术、航空摄影、水下近岸一体化测量等技术得到广泛应用。一体化测量系统在堤坝、码头等水域应用取得了很好的效果。水上水下一体化移动测量因其快速、动态和低成本等特点突出，从未来发展趋势看，应该是海岛礁与海岸带地形测量的首选。
, l2 w0 l8 o4 b8 }9 U/ W3.4 海洋遥感
卫星遥感：依托国内外各类卫星资源，对海洋进行实时、全方位的立体监测，以获取海洋环境数据，包括波浪、温度、海冰以及风力等，从而获得长期、稳定、可靠的海洋观测资料。机载遥感测量技术：主要依靠机载可见光相机、可见光摄像机、高光谱成像仪、红外相机、以及雷达、合成孔径雷达等开展海岸带地形测量，岸线、植被、水色等监测。
1 D% b+ K; m5 g3 X8 V* I2 Z声呐遥感：包括常见的带状海底成像设备侧扫声呐系统SSS (side-scan sonar)、多波束成像技术、合成孔径声呐(synthetic aperture sonar，SAS)，即利用合成孔径技术的侧扫式主动成像声呐、采用基于船基悬臂或座底工作模式，近场(小于100m)对目标开展快速线扫描成像的二维声呐成像。除此之外，还包括在清澈的海水环境下采用的光学近景摄影技术。
3.5 海洋水文测量
2 s1 E4 [8 `% Y6 m海洋测量包括水文测量，它是海洋测量的重要组成。水文观测项目根据调查任务确定，目的是了解海洋水文要素分布状况和变化规律，如水位和流速与其他海洋测量项目。具体还包括海流、泥沙、波浪、海水温度、盐度、水色、透明度、含沙量、浑浊度、海发光以及海冰等。多要素的水文观测可广泛应用于危险化学品污染监测、赤潮监测、海洋溢油调查、海岸侵蚀调查、海洋倾倒区选划、海洋自然保护区选划、特殊海区发展规划、海水增养殖区监测和陆源污染物排海监测等工作中。海流、泥沙等水文要素观测可满足码头和航道区的选划、海洋环境评价、滩涂演变分析等需求。观测手段可利用卫星遥感、机载遥感、海洋浮标、岸基监测及船基测验等，观测方式大致有大面观测、断面观测以及连续观测。
3.6 海洋底质探测与侧扫声呐测量
海洋底质探测是海洋测量不可或缺的内容。主要是为海洋动力学研究、海洋矿产资源开发与利用、船泊锚地选择、海底管线铺设、水下潜器座底、海洋工程建设等海洋科学、经济以及军事等提供重要的基础数据。海洋测绘中的海底底质探测主要针对海底表面及浅层沉积物性质进行，应用这项技术的目的是获取海床表面及浅表层沉积物类型、分布等相关信息。方法大多采用表层采样、取样、柱状采样、浅地层剖面测量和单道反射地震等。表层采样取样和柱状采样利用钻孔取芯或者是采样器取样，以此分析结果，但成本高、效率低；浅地层剖面测量依据声波回波特征与底质的相关性实现底质探测，效率和分辨率都比较高。单道反射地震可为地质构造研究、填海工程、航道疏浚、海上基建项目选址提供可靠依据，同时，还应用于隧道、海底管线和各种掩埋物等的勘测、调查和研究。
- k& q$ a* y: q  g侧扫声呐测量也是海洋测绘的重要技术。侧扫声呐系统借助海上航行器左舷、右舷换能器阵列发射的宽扫幅波束，在走航中对海底进行线扫描，以形成可反映海底目标分布、地貌特征以及水体的带状条形图像，是比较常见的条带式海底成像设备和扫海测量手段，随着侧扫声呐系统向多脉冲、多频段、多波束等同时具备测深及成像功能方向发展，越来越广泛地用于各种水下目标探测、扫海测量、裸露海底管线调查、海底障碍物探测等。
3.7 合成孔径声呐探测
$ j3 }8 E, K( p: H( [$ T4 @1 p用虚拟孔径代替真实孔径，以解决方位向分辨率的问题，相应的声呐就是合成孔径声呐(synthetic aperture sonar，SAS)。相比传统侧扫声呐，SAS的优势体现在可以得到很高的方位空间分辨能力，而与距离无关。使用设备为高、低频换能器组合，可以同时获取高频和低频声呐图像，进而清晰地呈现海底地貌及海床下一定深度的目标。利用SAS搭载平台的运动测量信息生成的地理信息系统，能够实现目标的自动定位，并支持自主作业航迹规划。在地理信息系统中，对条带成像后的声图进行拼接(亦称之为镶嵌)，从而升成大范围的图像。因此，合成孔径声呐探测可以应用于水下勘察及水下考古探查、海底地形测量、水下军事目标识别等，尤其是应用于海底管线路由调查、泥下小目标探测等方面前景广泛。
* |4 y8 l0 G, t6 i% P; K  w今后，合成孔径声呐技术的发展将呈现在以下几个方面：SAS系统集成技术，尤其针对多频段(高、中、低)和多平台(拖曳、舷侧、UUV等)等背景的SAS应用；依托信息技术发展、结合实时处理系统架构，探索相应的高效快速成像算法，以提升SAS系统实时处理能力及性能水平；随着SAS性能提升将会满足更新、更高的需求。而惯导和运动测量技术的不断进步将促进SAS运动补偿技术升级,结合水声物理理论研究，进一步推动SAS研究的发展。目前，声呐成像信号处理是把声场环境假定为理想的自由场，数学模型基于该假设。理想的自由场假设，与实际声场环境，尤其是近海海洋环境存在很大差别。开展合成孔径成像的水声物理理论研究，会促进成像处理性能的提高。
7 P% e! a4 P2 u9 D2 u; Y3.8 海洋工程测量
海洋测量还包括海洋工程测量，它是海洋工程建设中勘查、设计、施工、建造和运行管理过程的测量技术总称，内容比较宽泛，几乎涵盖海洋测绘的所有内容。近年来，海洋工程增多，复杂程度加大，海洋工程测绘技术也有了新的拓展。水下声学定位、三维声呐和水下激光扫描仪用于水下建筑物检测、智能水下机器人搭载多波束水深测量、水面无人船巡检和水下潜器定姿等新技术不断涌现，以满足各类海洋工程建设、海洋资源调查、海洋科学考察、单一要素测量、多要素综合测量、多测合一等不同需求。
5 g) h0 d& i9 y0 y除此以外，海洋测绘技术还包括海洋地理信息系统(Marine Geographic Information System, MGIS)或海岸带地理信息系统(Coastal Zone Geographic Information System，CGIS)构建。MGIS以海面、海底、水体、海岸带以及大气的自然环境与人类所进行的各类活动为研究对象，对不同来源的空间数据进行采集、处理、集成、存储、显示和管理，为各类用户提供综合制图(包括电子海图绘制等)、可视化表达、空间分析、模拟预测及决策支持等服务，应用Web技术还能够实现海洋数据和相关MGIS功能的实时共享。MGIS为涉海管理部门的规划、评价、监视以及各类决策提供支持，实现涉海单位的信息资源共享，进而满足海岸带资源和海洋环境综合治理、管控的需要，以及航道整治工程测量、针对海底地形环境复杂地区的海洋磁力测量等。
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4. 结束语

近年来，我国海洋测绘市场迅速形成，迫切需要高质量的海洋测绘技术提供服务，例如，海洋国土空间规划的编制、实施与监管；海洋资源开发、利用与区域协调；海岛、海礁的合理开发、利用与总体布局；海洋工程建设、海洋工业发展、海洋运 输与海洋旅游；海洋灾害预警与救援；用海需求与海洋权属的确定；各类海域及海洋产业的开发、管理等等，都需要海洋测绘资料、海洋地理信息、电子海图等各种海洋测绘地理信息成果支撑。因此，从客观上对海洋测绘提出了更高的要求[10-11]。海洋测绘是为智慧海洋、智慧海洋中心城市建设提供基础地理信息底层数据，还是海洋资源开发、海洋生态保护、海岸线保护与管理、海域管理必不可少的、最基础的工作。为此，简要地对我国海洋测 绘市场、海洋测绘技术进行综述。
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