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仅介绍一下这次搜寻工作在海底地形测绘方面的成果。
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(关于几搜海洋调查船的信息,建议优先参考张曰:如何解读 2017 年10 月 3 日公布的马航 MH370 最终搜寻报告?的回答)
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自2014年3月8日MH370失联起,应马来西亚政府的要求,澳大利亚政府合作开始了搜寻工作:通过飞机和船搜寻海面,通过声学设备搜寻海底。于是,作为搜寻的副产品,这次历时三年的海下搜寻还对印度洋底的部分区域进行了详细的海底地形测绘:总测绘面积达71万平方公里,其中高精度的水下声纳测绘面积超过12万平方公里,两者都创下了海底测绘任务之最。(虽然最终没有在这些区域找到残骸)
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覆盖面积达71万平方公里的海底地形测绘区域。高分辨率的声纳测量地形(分辨率40m²每像素),底图是卫星重力测量的估算结果,非常粗略,分辨率只有5km²每像素。新的高分辨率地形图显示出了海底的惊人细节。测区海底地形图细节,火山和峡谷。高程显示的时候有夸张处理。不过……测了三年才测了这么一小块,貌似也没什么了不得的?那是你不知道海底地形测量有多困难!
& q0 C, k5 T4 z( t, }5 E 在haibaraemily:其它行星上的山的高度是如何标定的?这个回答里我说过,传统的陆地高程测量采取的是水准仪高程传递的方式:一点一点累积测出目标点和基准点的高程差,想测哪点就把水准仪架到哪里去测。不用多说,这种方式显然是费时费力而且覆盖性和更新度都很差的。
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水准仪测高原理
& y7 Q; n: B" }4 B7 M R, }" t 但随着GPS和测高卫星的广泛应用,高精度全球陆地地形和海面地形的获取一下子变得高效、经济、容易得多,让雷达/激光测高卫星自己一边飞一边采数据就好,一圈一圈扫完,最后接收一下数据打包处理一下就能搞出全球图来。
4 ?& }/ L6 ] N' z) l 卫星测高原理。GPS确定卫星的位置,卫星通过发射和接收雷达/激光信号获得星下点的高程信息,两者结合就可以推算陆地/海水表面地形。可是高精度海底地形却是雷达(X波段)和激光无法完成的,也就是说,从海平面到海底这一段还需要额外的测量手段,目前一般通过声学设备来测量。更具体的,你得专门有艘配备了测量仪器的船(以及测量人员),每到一个点,声纳或者其他声学设备通过发出和接受声波信号(单波束或多波束),可以测船附近一个点(或者一排)点的海底地形,跟测高卫星一样的,差分GPS可以获取测船的坐标位置。两者结合一下就差不多了?测船还在海上不断地跟着波浪移动的好么,还要加上海潮校正(当然还有其他各种细节校正)。分辨率40m²每像素的话……就是差不多隔6m就要测一个点……那么大的海……你们感受一下……
7 S; g. z8 ^% q/ A, g) c 各种声学仪器测海底地形的简易原理。Gulf of Maine Council/ P' E% _) q% G) I9 e
具体到这次MH370的搜寻工作,一共用了两种设备:拖曳型声纳仪(towed underwater vehicles)和水下自动机器人(autonomous underwater vehicles,报告里简称为AUVs),两者各有利弊。
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拖曳型水下测深仪。优点是(测区地形较平坦的情况下)大范围测量的效率较高,可以连续线性测量,且不容易受到恶劣天气的影响(相比于AUVs),缺点是操纵性和灵活性较差,无法独立使用,且定位不太准确。水下自动机器人。优点是独立性和灵活性较高,可以离海底更近所以测量精度也更高,缺点是待机时间短耗电快,大约每26个小时就要回收和充电。总之,目前的高精度海底地形的测量依然面临着传统陆地地形测量的困境:只能是一个点一个点(或者说一条线一条线)地测出来,这必然是费时费力对仪器要求高且覆盖度很低的。这也就意味着,如果想要获得大规模高精度海底地形,就得大把大把地砸钱去投入人力物力。
( V q3 K9 L6 T 可以说,如果不是本着生命(以及是否确认遗骸)的价值高于一切的人道主义精神,以目前的技术几乎不可能有国家这么不计成本地投入人力和物力,也不会有这么精耕细作的海底地形(以及其他珍贵的地质勘测成果)了。
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而事实上,海底地形和地质勘测又仅仅是这次搜寻成果的一小部分,虽然有点夸张,但正如另一个答主@于野说的,“感觉现代理工科学(除了纯理论的)的每一个分支都被用到了”。
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从这个角度来说,虽然逝者无可挽回,但这些副产品也算是MH370的的悲剧留给人类的宝贵财富了吧。R.I.P.
! O* Q( n$ k7 Y$ k$ {; g% q PS:地质方面的分析不敢造次,有待各位地质大神来补充。
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PPS:这个回答能在评论区收到这么多认真的讨论,我真是太开心了~答主虽然本科是这个专业的,但一方面已经转行多年,另一方面即使是当时所学的也不过是课本上的知识,从没有接触过真正的工程实践,有些具体技术相关的知识难免落后于时代,独学无友则孤陋寡闻,这才是知乎的意义所在不是么~
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感谢评论区各位:
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: w1 j6 U6 D) d* [% p 的补充和指正,这里也把特别有参考价值的评论一并奉上:
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# Y5 I- l. |, i8 P5 w5 I 一般卫星采用雷达(x波段)比如奋进号搭载的雷达。分辨率在10米到100米不等。想要精度更高是则采用三线阵立体像对,可以达到米级。像
wordview3这样dem成果分辨率可以在亚米级,不过这样范围就特别小。当然激光雷达在测绘上用得很多,但是都是机载,卫星载的话,一是功耗;二是云雾衰减;三是数据量,存储处理和传输都是问题。
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目前海洋测绘用的比较多的是多波束,简单说,工作时要先在海图上设计出覆盖整个测区的间距均匀的测线,检校后方可按预先设计测线进行施测。后续数据处理涉及潮位,声速,以及噪声改正,后处理时间是工作时间的二到三倍。所以海洋测绘是一件极其耗费人力物力的工作,日均成本为陆地的三到五倍。目前最大的问题还是缺人,我国目前开设海洋测绘专业学校只有两所,一军一民。外加
天津海洋研究所9 @5 d, J0 i; ~: L2 l
,青岛海洋两所,基本上也就这么些人了。如何在现有的条件下,改进作业方法,优化后处理算法,这也是我们一直致力解决的。
答主补充一下:其实还是蛮多院校和科研机构开设了
海洋测绘相关的,比如答主本科所在的
武大测绘学院和硕士所在的
中国南极测绘研究中心(海冰方面),上海极地办应该也有相关专业,但规模可能不算太大,而且偏科研和遥感,不太清楚这位知友的开设标准是怎么定的,权且一起放上了。
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8 [, c w$ D2 h 民用领域内,X波段的雷达测绘效果很尴尬,基本能做到1:5000相应精度。而高精度的卫星数据+地面控制在不复杂区域做到这个精度是可能的。所以雷达在经济性上不占优势(动迁飞机,飞十几趟),特别是大面积测绘中。激光雷达目前主要搭载在固定翼飞机上(热带雨林要用直升机),飞行高度几百米(根据精度要求),结合地面控制和GNSS做到1:500的详细设计用地形图很轻松。国内发展的路子是LIDAR结合无人机,我觉得是对的。
另外,激光雷达由于水对光的散射作用和吸收作用,在测量海底地形中的应用还很初级。一般能测绘十几米水深就很不容易(当然吹牛的话基本都奔着50米去)。粗略的海底测绘多用
重力梯度法。
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