真没想到 海洋测绘概述

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这篇原来是答“湖的水量是怎么测出来的” 这个问题的，最近刚好做了点实习，来总结下哈

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图1 海洋测绘整体过程

那下面就结合图1讲讲水文测量（Hydrographic survey）【在我国专称海洋测绘较多】，其核心即如何获得水底点三维坐标并以此建模。以下介绍我知道的几种方法：

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首先，我们需要一艘船，这艘船需要搭载可以测水平坐标和测水深的装备，最好还有个测姿态的装备。（如图2）【现在也有不少用无人船的】

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图2 船需搭载的装备

水平坐标XY对我们来说比较简单，和地面上一样，用GPS就行，精度要高的话用DGPS(伪距法差分)【如图3】或RTK(载波相位法差分)，这样基本能得到分米级以上精度了。【在GPS出来之前使用Loran-C双曲定位较多】

图3 差分GPS定位

那水深怎么测呢，我们会想到用测距的传统办法电磁波，可惜电磁波在水中衰减太快了，于是选择采用声波了，依然是用速度*发射接受时延/2这种方法来测距。有两种常用装备可供使用，单波束和多波束测深仪，如图4所示。单波束覆盖面积小，比较便宜，多波束线阵推扫，覆盖面积大，覆盖区边界上精度不如单波束，比较贵。对于测深声纳，和GPS不同，时延不再是误差的重点[毕竟光速还是比声速高了好多数量级]，而需要更多地关注声速。声速在水中随着温度，盐度，压强的变化而变化，有一些随深度变化的经验公式但也不准，所以一般会在实地标定一个平均声速。(水声学这块儿我也不懂，貌似哈工大很厉害)。[此外，也可以用机载激光之类的通过水面反射与水底反射时延来测深，不过精度较低且只能适用于几十米以内的浅水区,本文不作讨论]

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图4 不同测深方法比较

copyright：http://www.fugro-pelagos.com/papers/newdevinmulitbeambackscatter/images/Bottom%20Coverage%20Comparison.jpg

不过由回声测深仪echosounder测得的并不是我们所想要的水深。如图一所示，我们还需做潮汐改正tide correction，声波发射接受器安放位置改正draft，声速改正sound velocity correction还有船的侧倾俯仰上下浮动改正roll,pitch,heave correction.

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下面主要介绍潮汐改正。潮汐(特指垂直方向)主要由月球及太阳引力引起，具体原理，性质在此不作介绍。由于每时每刻潮汐都在变化，我们要得到固定的绝对水深，需要一个基准。

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一般我们取天文潮汐最低潮作为这个基准Chart Datum，这个在各地方也会不一样，需要地方验潮站经年累月的观测。一般，它与多年平均海水面高度间的差异会是一个常数，而多年平均海水面即该处的大地水准面geoid，是大地测量外业的基准面。【另外，如果要测量水平方向的海流方向及速度，我们可以用ADCP(声学多普勒流速剖面仪)来测量】

潮汐改正就是当前水面到这个Chart Datum基准的垂距。实际测量中有两种方法计算潮汐改正。

第一种如图1左侧所示，在岸边水里立一水准尺(比如说5米)，然后通过水准仪高程传递到临近的水准点Benchmark(也可以是多个，然后作平差)，这样岸边测潮水准尺tide staff顶端的高程(相对于geoid)可知。又可在测潮水准尺tide staff上读出当前水面高度observed level，那么我们可以由下式计算潮汐改正：

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Tide correction= Staff top level+known constant-(staff height-observed level)

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潮汐改正=测潮水准尺顶端高程+大地水准面与海图基准常数差-（测潮水准尺高-当前水位读数）

known constant 即为所用Chart Datum 与大地水准面之间的已知常数。

第二种方法是直接用GPS RTK 测得相对于WGS84椭球面的高，再通过大地水准面精化

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模型得大地水准面差距geoid gap然后有如下表达式：

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Tide correction= GPS height-geoid gap+known constant-antenna height

潮汐改正=GPS高-该处大地水准面差距+大地水准面与海图基准常数差-GPS天线到水面高

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第二种方法比较方便，但大地水准面精化毕竟还不成熟，RTK Z方向误差也要厘米级了，精度会低点，这就和地面上传统水准测量还没被GPS高程测量取代是一个道理。（如图5）

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图5 自然表面，大地水准面，参考椭球面，总椭球面比较

参照图1中间，得到潮汐改正后，我们再由测姿态的IMU得到roll,pitch,heave 改正，由水声学模型得到声速改正，易测得draft(水面到transducer底)然后我们所要求的水深chart depth就可以按如下表达式得到了：

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chart depth=observed depth+draft+roll pitch heave correction+sound velocity correction-tide correction

海图深度=观测深度+声波发射接受器安放位置改正+船的侧倾俯仰上下浮动改正+声速改正-潮汐改正

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图6 倾侧对测深的影响

这样我们就得到了海图深度Z 坐标，由于GPS和transducer的安装水平位置一般不一样，我们还要作一个平移，还有船姿态的旋转变换才能得到transducer位置的精确XY坐标。

至此，我们测水底点三维坐标的任务就完成啦。由于单波束声呐在航线上也是以某一频率测离散点的，按Z字折返测得到的也是测区的离散点坐标，故需插值建立DEM，这和地面测量也概念差不多。

图7 声纳工作示意

数字地形建模完成后用一些GIS算法就可以进行各种查询与分析，有求区域水量，航行海图，海洋监测，辅助海底工程等多种应用。见图8

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图8 海洋测绘成果

[由于这门课是用英语学的，那些术语真不知怎么翻译，见谅]

另，之前看到有答案说可以用卫星测水深，测海底地形，表示不太认可，如下图

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通过这种方法，我们只能得到卫星到水面距离，卫星到WGS84椭球面的距离，然而椭球面到真实海底地表还差了太多太多。故这种方法只能用来监控水面相对椭球面的变化，如监控海平面上升之类的问题，测海底地形是不行哒。还有用遥感来做的话，最好的波段也就能穿个60米吧，大海可不止60米深，在海岸边还能看出个颜色变化来分析下水深，在深海区就都一样。不过,卫星测高可以间接求取海洋重力异常，可反演出海底地形。虽然测量效率提升显著但精度较低，在几十米的数量级，在很多应用上是不满足要求的。

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Reference:

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[1]C.D. de Jong, G. Lachapelle,S. Skone,I.A. Elema(2010), Hydrography,DelftUniversity PressThe Netherlands, pp.366

[2]DEPARTMENT OF THE ARMY U.S. Army,Corps of Engineers (2002), HYDROGRAPHIC SURVEYING, published by American Society of Civil Engineering Press.

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[3]PolyU George,Liu PPT

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Po几张最近海测实习的图，南海

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最后抒发点无用的情绪

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交换的学校的测绘与地信系的slogan是Geomatics expresses our world. 个人感觉还是挺贴切的，测绘不是一门无用的学科，它也许不能切实的改变我们的世界，极大地改善我们的生活，也许没有艰深的理论，没有独树一帜的体系，但经由测绘，这个世界的确被更好地，更精确地展现在我们面前。它就像LOL里的辅助位，插插眼，排排视野，帮ADC（建筑土木工程）探路断后，在AP（CS，EE）的carry下送上自己微小的贡献，虽然没啥输出，缺它也是不行的。我想这大概已经是我这样的民工最大的欣慰啦。