我国海洋测绘研究进展 - 海洋测绘软件

文章节选自2018年《海洋测绘》第四期“我国海洋测绘研究进展”，作者，申家双;葛忠孝;陈长林。

       海洋测绘是研究海洋、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、管理和应用的科学与技术。海洋测绘作为测绘科学与技术的一个重要分支，与陆地测绘相比，因其受海洋巨厚水层与海洋环境的影响以及陆地常规测量技术在海洋探测中的限制，声学探测便成为人类认知海洋的主要技术手段，也决定了海洋测绘有其独特性、专业性与复杂性。

       近年来，大数据、云计算、移动互联、智能处理等高新技术的快速发展以及在测绘领域的不断渗透，促使海洋测绘数据获取方式、信息处理技术、产品供应形态、分发服务模式以及应用保障领域发生了深刻变革。随着我国海洋经济的快速发展、海上安全威胁的形势驱动以及“一带一路”等海洋强国战略的逐步实施，对海洋地理空间信息的需求愈加急迫，也使海洋测绘的地位作用愈发重要。海洋测绘作为一项超前性的系统工程，是一切海上活动的先导与基础，其理论技术水平与信息获取、处理与应用能力必将随着海洋科技的进步与应用需求的牵引得到重大提升，并在海洋科学研究、海上交通运输、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋环境治理、海上军事演习与海洋防卫等任务中发挥更为重要的作用。纵观海洋测绘专业发展历程，在经历以模拟化、数字化为目标的初期阶段后，正朝着信息化、智能化海洋测绘新阶段转型发展，服务方式也由目前的以海图服务、数据服务为主逐步向信息服务、知识服务、预测服务、决策服务的方向拓展升华。

       本文从新时代海洋测绘的作用意义和应用需求入手，节选了近两年来我国海洋测绘平台、装备、理论与技术等方面的进展，分析比较了本领域国内外现状与差距，并就加强我国海洋测绘专业建设提出了具体的发展策略与措施建议，以期为推动我国海洋测绘建设发展提供决策支持与有益参考。

1、我国海洋测绘近期发展现状

1. 1 海洋测量平台与装备

1. 1. 1 海洋测量平台

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      海洋测量通常基于天基( 各类卫星) 、空基( 飞机、飞艇等) 、岸基( 车载、单兵与固定站等) 、海基( 舰船、舰艇等) 、潜基( 潜艇、潜器与海底等) 五类作业平台，通过搭载多种海洋测量探测装备( 各种传感器与配套系统) ，以有人或无人的方式来获取海洋地理、海洋重力、海洋磁力等要素信息，满足不同海域及海岛礁、重要海峡通道、战略利益攸关区的需要。本文主要节选海基及潜基测量平台作深入分析。

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      (1) 海基测量平台方面。利用船载平台搭载定位与探测装备开展海洋测量作业是当前获取海洋地理信息最有效、最可靠的手段，也是海洋测量的主要作业方式。随着我国船舶设计水平的提高、建造工艺的提升以及海洋经济的发展，海洋测量船呈现出种类数量越来越多、性能功能越来越强的趋势。新建的测量船集多学科、多功能、多技术手段为一体，配置了当今国际上最先进的综合导航定位系统、海洋重力和磁力测量系统、多波束测深系统、浅地层剖面测量系统、侧扫声纳测量系统、超短基线水下声学定位系统、深水多普勒海流剖面测量系统等数十种装备，使得海洋测量范围从近海扩展到远海、大洋乃至极地地区。目前，我国地方部门拥有近百艘的在役调查船，分别隶属于国家海洋局、中国地质调查局、中科院、多所研究所或大学和一些企业等单位。海军是我国海洋测绘的一支重要力量，拥有专门的海洋测绘部队。海军调查测量舰船建造经历了从小吨位、功能单一到大吨位、综合测量能力突出的发展历程。近年来，海军872、873、874、875、876、877 号中远海综合调查测量船相继入役，极大地提升了海军海洋调查测量的能力。

      (2) 潜基测量平台方面。AUV、ROV 等潜基测量平台从少量应用到成熟运行，已逐渐成为探索海洋和深水的一支生力军。潜基平台搭载多波束测深仪、侧扫声纳等探测设备，并运用惯性导航、多普勒计程仪、超短基线等定位设备，可在水下连续作业，配备的深度和高度传感器，能够随时获取所处深度和离底高度数据，实施定高或定深的勘察任务。

1. 1. 2 海洋测量装备

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      近年来，我国在海洋测量装备自主研发方面投入了较大力度，并取得了实际成效，装备国产化进程取得重要进展。

      (1) 海岸地形测量装备方面。我国在经纬仪、全站仪、水准仪等传统光学测量装备以及GNSS 测量装备研发和生产方面完全具有自主能力，设备性能完全满足实际作业任务需求，功能性能与国外装备相比基本持平。国内用于海岸带航空摄影测量的专用航空相机与机载激光虽有研发生产能力，但性能水平与国外相比尚有差距，目前虽然形成了一些系统样机，但还没有成熟的产品面世。

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      (2) 海底地形地貌测量装备方面。我国已具备独立自主研发和生产用于海底地形地貌测量的单波束、多波束、侧扫声纳等测量系统的能力，国产装备在海洋测量工程中的使用率同国外设备基本持平。

1. 2 海洋测绘理论与技术

       在此以海底地形地貌测量和海图制图与海洋地理信息工程为例。

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1. 2. 1 海底地形地貌测量

      随着测量装备技术的发展和数据处理技术的突破，海底地形地貌测量正朝着立体、动态、实时、高效、高精度的方向发展。

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      (1) 海基测量技术。船载一体化测量技术是当前海底地形地貌测量的主要手段，集单波束、多波束测深技术、侧扫声纳技术、GNSS ＲTK、PPK、PPP 高精度定位技术、POS 技术和声速测量技术等于一体，在航实现多源数据采集与融合，最大限度地削弱波浪、声速等各项误差对测量成果的影响，提高海底地形地貌测量精度和效率。探测数据处理技术主要集中在声速剖面简化、数据滤波和残余误差综合影响削弱等方面，显著提高了探测数据处理精度和效率。国内多波束、侧扫声纳等数据处理软件研发突破了技术壁垒，国产软件得到了一定程度的推广应用。

      (2) 潜基测量技术。以AUV、ＲOV 等为平台，利用搭载的超短基线定位系统、惯性导航系统、压力及姿态传感器等设备获取平台的绝对位姿信息，同时利用多波束测深系统与侧扫声纳系统获取海底地形地貌，实现测量数据的有线或无线传输，进而综合计算获得海底地形地貌。潜基海底地形测量技术具有灵活高效、方便快捷等优势，已在一些重点勘测水域和工程中得到了应用。

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1. 2. 2 海图制图与海洋地理信息工程

      海图是所有海洋测量要素的综合承载体，目前纸质海图虽仍在沿用，但电子海图更为普及。

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      海图制图方面的研究主要集中在: ①海图理论。研究了海图配准、电子海图数字接边、点状要素注记自动配置、色彩管理方案、海岛礁符号分类等问题，提出了顾及多重约束条件的海图水深注记选取方法; 深入研究了顾及转向限制的最短距离航线自动生成方法和基于空间影响域覆盖最大的航标自动选取方法; 开展了中线注记方法研究，有效地提高了电子海图岛屿动态注记自动配置的准确度和运算效率。②海洋地理信息技术。在云计算、大数据和智慧海洋等新架构、新技术、新方法推动下，提出了全息海图、智慧海图、移动电子海图等新概念，开展了极区海图编绘理论研究，为信息时代海图学发展提供了新动力，成功研制了移动电子海图智能应用系统，实现了外业调绘、船舶定位、自主导航、船舶引航等功能。③数字海图制图技术。建立了水深、海洋重力、海洋磁力、潮汐、数字海底模型( DTM) 以及全球电子海图等专题数据库，开展了基于数据库的一体化海图生产能力建设，继续推进按需印刷POD 生产实践，初步建立了数据库驱动的海图生产体系，具备数字海图、纸质海图、航海书表等产品数字化生产能力，符合国际标准的电子海图系统研制工作取得重大进展。将云计算和云服务概念引入到电子海图生产体系中，构建了电子海图网络服务的云计算框架，对全球电子海图的云可视化技术进行了研究，初步实现了各类航海图书资料的在线发布与更新。④电子海图应用。开展了中国海区原型系统技术架构研究。

      在海洋地理信息工程建设方面，完成了我国数字海洋原型系统设计与实体建设，在研制数字海洋地理信息基础平台、电子沙盘系统与全球电子海图系统的基础上，启动了“智慧海洋”的建设，开展了智慧海洋系统基础框架设计与工程建设论证。对海洋地理信息系统理论构成体系中的时空数据模型、时空场特征分析、信息可视化和信息服务等技术开展了深入研究，实现了数字海洋系统中电子海图数据融合可视化技术，形象地表达了海洋环境空间分布。基于云计算技术，提出海洋空间信息一体化架构服务平台，研发了集成数据管理与查询、数据处理与分析和数据可视化功能于一体的海洋信息集成服务系统。研制了海洋多源异构数据转换系统，实现了多源数据的融合处理与综合应用。

2、国内外差距分析

      目前我国海洋测量平台与装备整体能力水平，与国外海洋发达国家相比仍有一定差距，主要体现在: ①在海基测量平台方面，我国的大型海洋测量平台总数偏少，平均船龄相对老旧，配套设施难以完全满足应用需求，测量装备大多依赖进口，更新换代期限较长，作业模式不够科学合理，测量船的综合作业能力与水平有待进一步提升。近几年我国在海洋测量平台的研制方面投入了大量财力，正积极开展大吨位综合性海洋测量船的建造。②在潜基测量平台方面，我国的发展势头比较强劲，正在积极研发具有自主知识产权的AUV/ＲOV/AUG 等一系列小型海洋测量平台，虽然起步较晚，但与世界先进水平的差距正在逐渐缩小。

      在海洋测量装备研制方面，用于海底地形测量的单波束、多波束测深系统以及侧扫声纳系统发展较为成熟，基本跟上国外先进设备的步伐，但国产化设备的推广应用及市场占有率不及国外。激光测深设备的自主研发能力不强，目前尚未有投入商业运行的国产化产品，实际作业采用的激光测深设备大多依赖进口。我国海空重力测量传感器技术得到迅速发展，与当前国外先进水平的差距明显缩小，自主研制系统的关键技术指标已经接近甚至优于同类进口产品。但与国外成熟的重力测量装备相比，我国自主研发的产品仍存在投入应用时间较短、应用案例较少的客观事实，国产重力仪的稳定性和可靠性还有待进一步确认。

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3、发展趋势及对策措施

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      随着卫星定位、遥感、声探测、电子、计算机、信息等技术的发展，海洋测绘发生了巨大转变，进入了以“4S”( GNSS+ＲS+GIS+Acoustics) 为典型代表的现代海洋测绘新阶段，信息采集将向立体化、综合化、精细化方向发展，信息处理将向标准化、并行化、智能化方向发展，信息应用将向可视化、网络化、社会化方向发展。以海洋测量平台与装备为例。

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      在海基测量平台方面，加快海洋调查测量平台的研制进程，加快旧船改造，提升仪器设备性能，以适应海洋测量技术的快速发展需求，建造滩涂测量船、极地调查船、万吨级以上大型调查船、无人测量平台母舰等我国紧缺的海洋专业调查测量船，激励国产海洋测量设备的研制与应用，提升国产品牌在国际上的竞争力。在潜基测量平台方面，AUV、ＲOV、AUG 等水下测量平台已取得了较大进展，应加快研制能搭载多种测量仪器的水下测量平台，提高平台的抗干扰能力和可靠性，着重开发多平台联合编队作业模式，以实现对水下环境的分布集群式测量。

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      在海洋测量装备方面，通过引进、吸收、消化和创新等手段，积极推进海洋测量装备自主国产化进程，推广国产设备在实际工程中的应用范围。积极发展数字化、智能化的单波束测深系统，进一步提升多波束测深系统的覆盖范围、精度和分辨率; 积极研制同时获取海底地形地貌的测深侧扫声纳系统，借鉴合成孔径技术，研发横向分辨率不受距离影响的合成孔径声纳设备; 加强浅底层剖面仪与底质声学遥感探测装备研制，拓展依靠传统直接取样手段获取海底底质信息的模式方法与区域范围；重视海洋测量装备的标定检核，加强陆上实验室和海上检验场建设，解决测量仪器参数的标校和技术指标检验评估问题，确保测量参数的可信度与测量成果的准确度。

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4、结束语

      海洋测绘是人类认知海洋的重要手段，是海洋一切活动的基础前提。现代科学技术的快速发展已使海洋测绘步入一个新时代，海洋强国战略的持续推进给海洋测绘带来了许多新的影响和挑战。本文总结了我国海洋测绘领域在测量平台、探测装备、理论技术等方面的研究现状与工作进展，对比分析了国内外建设差距，根据当前我国海洋测绘需求迫切、基础薄弱、任务艰巨的严峻形势，结合大数据、云计算、人工智能等高新技术在海洋测绘领域的应用前景，提出我国海洋测绘工作应在着力发展已有技术和国产装备的基础上，积极引进和吸收其它领域的新理论新技术新方法，围绕多源海洋地理信息立体化观测、实时化采集、全球化收集、标准化处理、自动化提取、智能化分析、信息化管理、一体化生产、可视化仿真、网络化服务及多样化应用等系列能力建设，突出顶层设计规划，加强技术攻关创新、加快装备自主研制，深化军地协调融合，加速信息共享应用，拓宽公共服务领域，充分发挥支撑作用，不断提升我国海洋测绘建设水平。

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