绘制新时代“海国图志”——记自然资源部海洋测绘重点实验室

海洋是人类发展的资源宝库，海洋测绘是一切海洋活动的先导和基础，其任务已由传统的航海图测绘发展为海洋地理空间信息保障与服务。　　自然资源部在行使“两统一”职责过程中，涉及海洋、海岛、海岸带领域的调查监测、确权登记、空间规划、用途管制、开发利用、生态修复时，各个环节都需要海洋测绘的支撑。精准的海洋地理空间信息是维护我国海洋空间安全的基础数据。　　我国海洋测绘发展相对滞后，海洋测绘设备、人才和技术仍然落后于世界主要海洋国家，远不能满足海洋地理空间信息保障需求，发展海洋测绘任重而道远。自然资源部海洋测绘重点实验室（以下简称海洋测绘实验室）依托山东科技大学、自然资源部海南测绘地理信息局、自然资源部第一海洋研究所等单位共建，旨在深化海洋测绘技术研究和技术实现，拓展海洋测绘地理信息社会化应用，培养海洋测绘领域人才，服务经济社会发展。

                               
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安装无人机激光雷达国产设备。海洋测绘重点实验室供图突破关键技术难题　　近年来，对高精度和高分辨率水下地形地貌信息的需求日益加大，相关探测技术的价值不断显现。海洋测绘实验室致力研发海底地形地貌高精度探测数据自动化处理与分析应用技术，构建了多波束水深和海底反向散射强度精细处理技术体系，提出了高动态环境下的多波束声呐测深精密波束归位模型，解决了收发换能器独立性引起系统性偏差的难题，解决了声速误差、潮位误差对测深的显著影响，研发了海底中央镜面异常、波束入射角效应校正技术，实现了高精度海底地形地貌的精确表达。同时，针对海底底质探测需求，实验室依据数据预处理、特征提取和分类器构建三个主要环节，开发了多元特征优选、深度学习分类模型构建和深海混合声像元分类等关键技术，实现了海底底质高精度分类和监测。　　基于以上技术创新，海洋测绘实验室研制了具有自主知识产权的多波束测深精细化数据处理软件和海底底质分类软件，能够处理当前主流格式的多波束数据，满足了高精度、高分辨率海底地形地貌三维表达的迫切需求，为岛礁测绘与大洋科考等国家重大科技工程项目提供了关键技术支撑。　　随着海洋强国建设的进一步深化，对海岸带和海岛礁区域高精度、高效率与全覆盖的资源环境探测提出了更高的要求。为了实现海洋及其周边区域的合理化管理，首先要借助测绘技术，以获取水上水下全要素地形地貌数据。然而，海岸带、海岛礁等水体周边地形变化剧烈、环境十分复杂，采用常规的测量方式效率低、成本高、难度大、风险高。如何快速、高精度测量复杂浅水海域，成为当前亟待解决的海洋测绘技术难题。为此，海洋测绘实验室研制了船载水上水下一体化测量系统，集成多波束测深仪、三维激光扫描仪、定位定姿系统等，可满足一些海岸或岛礁区域测量需求，实现不登岸/岛的水上水下无缝测量。　　近年来，无人机激光雷达测深技术的出现与迅速发展，使其成为解决上述问题的一种新的有效手段。该技术同时具备水陆地形测量功能，具有测量效率高、覆盖面广、水陆两用、机动性强等诸多优势，特别适合于复杂浅水区域地形的快速探测，能够同时获取浅水区海底地形及近岸水上地形，解决不易到达的岛礁的地形测量、海岸带和滩涂地形测量问题。该技术最早在国外浅水及岸线地形测量中得到应用，近几年我国也开始重视并开展无人机激光雷达测深技术与装备研发，获得了一批有价值的数据。　　海洋测绘实验室在无人机激光雷达测深技术与装备研发方面取得了进展。该技术以数字为基础，以模型为载体，将有效解决海洋测绘水陆一体化测量关键技术难题，助力海洋实景三维建设，提升海洋测绘数据精细化处理及应用水平。　　
& b$ l8 k$ Y( X7 S! W瞄准国产化产业化　　海洋测绘实验室的海洋智能导航与感知团队面向海洋工程、海洋探测、油气管道安全等应用领域，研究海洋声学定位、水声探测和管道安全监测等关键技术，致力于推动高端海洋测量与定位导航装备的国产化和产业化。　　从2018年开始，该科研团队围绕水下智能导航与感知关键技术，展开了高端海洋测绘装备关键技术研究。主要研究成果包括：独立研制了浅地层剖面仪，并逐步实现产品化推广；与中国科学院声学研究所（以下简称声学所）联合研制了深海近底多波束测深仪，解决了近底多波束的海底水声地形测量、声学信号处理等关键技术，并成功应用到多个国家深远海潜器重大项目中；参与声学所中深水多波束测深仪研发项目等。此外，团队正在开展全海深三维成像声呐、全海深混合基线水下定位系统和水下组合导航系统等关键技术的研发。团队已申请30多项发明专利和10多项软件著作权。　　针对海底基准站“放得稳”关键技术问题，海洋测绘实验室提出了“流线锥型”海底基准方舱整体结构，采用了稳定着底、稳固重心、防淤积、防冲击、防拖网等创新设计，模拟真实海洋场景，优化确定了海底基准站方舱参数；针对海底基准站“待得久”长期驻留服务问题，设计了6000米深海抗压、防腐、防附着海底基准站方舱；针对海底基准站核心测量单元的“可回收、可维护”难题，提出了海底基准站方舱分体式框架设计，并采用双释放器等提高系统分体回收的可靠性。在海底基准站方舱设计方案基础上，海洋测绘实验室研制了我国首批浅海/深海海底基准站方舱，并成功实现了海底基准站布放、回收、标校等全流程技术验证。　　与此同时，海洋测绘实验室构建了“粗勘”和“精勘”海底基准站址勘选技术，提出了海底基准站址可用性评价5级指标体系，解决了海底基准勘选成本控制问题和稳定性评价难题。受复杂海洋水文环境、海底地形、地质构造条件和海底沉积物等因素影响，海底基准站布放和建设面临巨大技术挑战和风险。海洋测绘实验室构建了影响海底基准点稳定布放与长期工作的海洋环境特征指标集，涵盖了海底起伏度、海底坡度、沉积物类型分布、构造稳定性、工程地质力学性质、地层冲淤特征与地层稳定性等20余项指标因子。构建了海底基准站址勘选与综合评价的三层五级技术体系，有效降低了海底控制网勘选建设成本。　　此外，海洋智能导航与感知团队提出了融合洋底压力和海面高的全球卫星导航系统-声学定位方法，推导了基准点标定的最优走航轨迹，揭示了声速水平梯度特性及其影响，构建了声速三维时变模型，大幅提高了海底基准点的定位精度；研制了自主知识产权的水下精密导航定位软件，并成功应用于我国首个3000米水深海底大地基准点定位，获得厘米级精度坐标值，这是目前国际上同等水深的最好精度之一。此成果可为我国下一代综合导航、定位和授时系统建设（海洋部分）提供重要技术支撑，可广泛应用于海底精密工程建设、海底板块边界及内部的位移形变监测，以及断层、地震、火山研究和地震海啸的实时观测网高精度数据处理预警等。建设海洋实景三维　　海洋实景三维建设是实景三维中国建设的一个重要组成部分。近年来，海洋测绘实验室在海洋实景三维建设中取得了多项重要成果。该实验室建立起海南岛及近海岛屿比较完备的空间基准基础设施，以及海南岛似大地水准面模型等，获取了我国南海区域卫星遥感影像成果，主要涵盖西沙群岛以及南沙群岛的部分岛礁和礁盘。依托自然资源海南省卫星应用技术中心，该实验室可接收自然资源部国土卫星遥感应用中心、国家卫星海洋应用中心的高分、资源和海洋系列卫星数据。　　此外，海洋测绘实验室开展了海洋实景三维建设，获取了陆海一体化采集数据。海洋实景三维精细模型数据包括海南海口主城区、三亚主城区、儋州主城区、澄迈主城区、五指山主城区以及博鳌地区等，面积约800平方公里。　　该实验室初步建成实景三维海南基础平台，集成海南岛数字高程模型、遥感影像、倾斜摄影、精细模型、建筑信息模型等数据类型，依托实验室技术成果，开展海洋环境数据、气象数据的整合集成。同时集成国土空间规划、土地利用现状等专题数据，平台已支撑海南省国土空间基础信息平台建设，以及海南省重大项目选址、工程建设项目审批等业务。　　面向海陆一体化应用需求，海洋测绘实验室开展了海图与陆图融合的技术研究，克服了海图与陆图重叠区域地物不一致的矛盾，实现海陆多尺度数据的融合制图。通过该项技术，实验室完成海南岛周边陆图、海图空间数据融合，制作完成海陆一体电子地图，范围涵盖海南岛及南海区域。相关成果已应用于海南省社会管理信息化平台、海南省“多规合一”信息综合管理平台等，并与平台业务相结合，提供陆图海图数据展示、业务上图及地图绘制等技术支持，在相关业务运行中发挥了重要地理底图支撑作用。服务海洋强国建设　　山东科技大学作为海洋测绘实验室依托单位，带动和促进了测绘学科、海洋技术学科的发展。　　实验室另一共建单位——自然资源部海南测绘地理信息局拓展地理信息中心业务向海洋信息发展，构建了海洋信息中心。在实验室科技支撑下，打造自然资源部海南测绘地理信息局国际海洋测绘专业队伍，形成特色优势。　　实验室共建单位——自然资源部第一海洋研究所基于国家海洋测绘业务，承担国家海洋测绘重大工程，在实验室海洋测绘科技支撑下，形成国际海洋测绘技术体系和标准体系；研发具有自主知识产权的海洋测绘装备，实现产业化；逐步形成国际知名的海洋测绘科研机构。　　“十四五”期间，海洋测绘实验室将发展新型海洋测绘关键技术，达到国际一流海洋测绘技术水平，支撑海洋测绘“十四五”业务的开展，重点支持海洋基础测绘专项的技术需求；组建国内和国际海洋测绘信息联络站点，交流海洋测绘技术信息；开展海洋测绘科技发展动态研究，形成年报机制，打造国家海洋测绘科学研究基地；针对海洋测绘仪器设备国产化短板，开展海洋测绘相关软硬件设备研发，为测绘仪器设备国产化助力；积极开展实验室与产业合作，推动海洋测绘技术产业化。　　海洋测绘重点实验室聚焦国家战略，肩负引领海洋测绘科技发展重任。下一步，实验室将聚焦国家战略和社会需求，加强一流人才培养，与国内外海洋科研机构共同推进海洋测绘科技创新步伐，力争在前沿探索中取得更具影响力的标志性成果，为建设海洋强国贡献新的力量。（王晶）
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