海洋测绘的现状与发展

海洋测绘的现状与发展

林耿丰

交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心510320

摘要：引言随着人类对地球认识的不断深入，海洋已成为各国测绘工作者极力倾注心血的地方。为了满足人们在海上从事各种活动（如航海、捕鱼、钻探、开采、打捞、水工建筑等）的需要，各国海洋测绘部门都在积极研究和应用海洋测绘技术，并将研究和应用的范围逐渐由浅海扩展到深海。随着卫星、通讯、计算机、数据处理等技术的发展，海洋测绘出现了自动化、智能化、集成化、数字化、多种作业平台、多种产品模式、多种技术融合、多种保障方式的特点。海洋的特殊环境导致了与陆上测量不同的作业方式和不同的产品模式。本文从外业测量的技术手段、仪器装备、数据处理方法、服务模式、数字图产品的生产和应用、数据库的建设等方面，对海洋测绘的发展现状和趋势进行了综合论述。

关键词：海洋测绘；海洋测量；测量仪器；现状与发展

一、引言

随着数字化技术在海洋测绘领域的普及和海洋地理信息技术的迅速发展，我国海洋测绘产品的应用需求和应用领域不断扩大，数据和信息的交流、交换日益频繁，对标准化的要求越来越高。目前标准化水平低、标准建设相对滞后，已经对海洋地理信息的快速获取、处理、开发、利用和共享构成了明显的制约，因而，加速推动海洋测绘标准化建设必须提到重要的议事日程。

二、20世纪海洋测绘的进展

20世纪我国的海洋测绘，主要有以下几个方面的进展：

1.实现了数字化、自动化的测绘作业模式。相当长一段时间，我国的水深测量主要靠单波束回声测深仪，采用模拟记录方式，然后由人工从记录纸上量取，费时费力，劳动强度大，作业效率低。经过海测工作者最近20多年的努力，水深测量经历了模拟记录、模数转换、手工定位、人工绘图的阶段后，目前已经发展到数字测深仪测深、自动化导航定位和数据采集、内业计算机处理为一体的外业内业综合测量与处理体系。更为引人注目的是，多波束测深系统以其快速高效宽覆盖式的测深方式，已有取代单波束测深仪之势。可以预测，在今后的水深测量作业中，多波束测深系统所占的比重会越来越大，单波束测深仪应用的场合将越来越少。侧扫声纳海底地貌探测和浅地层剖面测量也经历了类似的过程，即从模拟记录发展到了数字记录方式。测量时的定位由过去人工在绘有双曲线的作业图板上手工定位，逐渐发展到无线电自动化定位，现在已经广泛采用卫星定位技术。

2.测量方式实现了由点测量到面测量的飞跃。可以说，水深测量的最早阶段是进行的点状式测量，20世纪50年代末使用回声测深仪以后才进入线状测量阶段。90年代中后期，我国海洋测量单位陆续引进了多波束测深系统，国产多波束测深系统的研制也进入成熟阶段。多波束测深系统的出现和应用实现了水深面状测量，大幅度提高了工作效率和水深测量密度。机载激光水深测量系统利用高频激光器所发出的红光和绿光，对50m以内的浅水区进行快速测量。激光器发出的光束经过高速转动的反射镜反射后，射向海面，红光经海面反射后返回接收器，绿光穿透水体，经海底反射后，返回到接收器。根据红绿光返回的时间差即可计算出海水的深度。由于反射镜的快速转动和飞机的高速前进，激光点在海面的排列与多波束的覆盖方式非常相似，因此，可以认为机载激光水深测量也是面状测量。

3.测量要素越来越多样化。可以说，20世纪80年代以前，海洋测量的要素是非常单一的。由于仪器的限制，最常见的海洋测量就是水深测量。20世纪80年代以来，可探测海底地貌的侧扫声纳投入应用。重力测量也同水深测量同时进行。近年来，既可测量海底自然表面，又可测量海底硬质表面的双频测深仪开始崭露头角。这类测深仪可测量海底淤泥厚度，对于淤泥质海港的适航航道确定有重要实用价值。进入20世纪90年代以来，我国的综合性测量调查船配备了先进的测量设备，使得80年代已经出现的多要素测量，在90年代发生了更大的变化，并将成为今后测量调查的发展方向。大的测量调查船上配备了水深测量设备、重力和磁力测量设备、侧扫声纳探测设备、浅地层剖面测量设备以及水文气象设备。只有在一个航次中，通过合理选择，尽可能地测量更多的要素，才能发挥综合测量船的效能。

4.测量平台由船载向与机载、星载相结合转化。传统的海洋测量基本上都是以水面船只为测量平台的。20世纪80年代，随着国外卫星遥感信息的引入，我国使用遥感方法确定海洋环境要素的工作开始起步，并逐步引向深入。航空摄影测量作为陆地地形测量的主要手段之一已应用多年，但直到20世纪90年代中后期才在海洋测量中真正应用，主要是进行船只无法到达海区的岛礁及浅水测量，结合高精度的潮汐预报成果确定岛屿高程与岛屿周围水深。机载激光水深测量技术以快速高效、高密度、低消耗测量浅海水深的特点正日益受到海洋测量界的重视，国外已经成功应用，我国正在进行研究。

5.基础设施实现了从无到有的飞跃。海洋测量的基础设施是为实施精确有序的海洋测量工作提供基础性保障的必要条件，主要由各种控制网和各种规范组成。建国以来，在全国大地测量控制网建立的同时，在沿海建立的，为海洋测量提供基础条件的海洋大地测量控制网也初具规模。长期以来，我国的海洋测绘没有国家颁发的统一标准。规范化文件也是基础设施的软件组成部分，20世纪90年代以来，先后出现了数部海洋测绘的国家标准，并由国家技术监督局作为强制性规范颁布执行。其中包括《海道测量规范》、《海洋调查规范》、《海洋工程地形测量规范》、《中国航海图编绘规范》、《海图编绘规范》、《中国航海图图式》、《中国海图图式》、《海图图式》、《海图印刷规范》等。在国家标准的带动下，一系列和海洋测绘作业、质量控制等有关的规范性文件也陆续由有关部门颁布执行。

6.基础理论与应用研究发展迅速。建国以来，尤其是20世纪80年代以后，我国在海洋测绘基础理论研究与应用研究方面取得全面、迅猛的发展。目前，由各出版社公开出版的海洋测绘方面的专著越来越多，国内外学术刊物发表海洋测绘方面的论文也与日俱增。我国在水深测量的基准方面提出了深度基准面分布形态曲面法和高程基准历元理论；在声速改正方面拟合出全球大于200m水深各海区改正公式、建立中国近海各海区、各季节声速改正模型和改正公式；在水位改正方面提出时差改正法理论；在平均海面和海面地形研究方面提出了平均海面“稳定性”概念及计算方法，并建立了中国近海海面地形数学模型；在多波束测深系统信号处理和数据处理方面提出基于抗差估计理论的异常数据定位和处理方法；在海水温跃层对侧扫声纳声图的影响、TM图像与SPOT卫星图像的综合几何定位和配准、海图制图综合、数学形态学在海图制图中的应用、建立海岸带地区新的光谱融合模式和遥感方法、推导严密的双介质解析摄影测量公式和建立实用的双介质解析摄影测量数学模型等方面也做了深入研究和探索。

7.信息获取趋向实时化、规范化。长期以来，重力测量总是以非实时获取信息的模式运行，在海洋上测得的重力场信息和位置信息、水深信息收测后在后处理阶段进行合成、计算。由于在测量现场得不到测量成果的质量信息，测区一般离大陆很远，后处理中出现质量问题也已无法再去补测，造成遗憾。此外，传统的海洋重力测量都在瞬时海面上进行，经过后处理，仍然归算到瞬时海面上，并不归算到规范的大地水准面上。由天津海洋测绘研究所研制的海洋重力测量实时处理系统已进入海试阶段，信息获取已向实时化、规范化转化。

8.数字型信息产品趋于多样化。随着人类对数字型信息产品的需求日益增加，物理海洋测量数字产品的种类也日趋增长。数字重力模型分为格网模型、球谐函数模型和质点模型3种形式。格网型数字海洋重力模型通过实测海洋重力数据内插或其他数据处理方法生成。

三、21世纪海洋测绘的发展展望

21世纪的测绘业，其内涵将发生深刻的变化。昔日的测绘无论从名词术语的重新定义，还是测绘业所起的作用，都发生了极大的变化。国外很多院校，已经把Geomatics作为了测量系的名称。我国的王之卓院士、李德仁院士对Geomatics一词的中文译法及其内在含义都给予了充分的重视。“数字地球”的呼声日高，“数字省份”、“数字城市”工程已经启动。海洋是地球的一个重要部分，海洋测绘在新世纪主要面临着以下几个方面的挑战与发展机遇：

1.服务对象将由主要为水面船只航海安全服务向全方位、多层次服务转化。20世纪海洋几何测量的服务对象主要是保障海面航行船只的安全，因此，以深度基准面为基准的水深测量理论、方法相当成熟。21世纪海洋几何测量的服务对象将大幅度扩展，因此，以下进展应引起重视：首先是

海底地形测量将会以全新的面貌展现，目前以线状测量为主体、以理论最低潮面为深度基准的水深测量无论从反映海底地形的精细程度来看，还是从基准面的合理程度来看都还有欠缺。现在，具有面状测量方式的多波束测量系统已经在各国得到广泛应用，信息获取手段有了大的飞跃。今后，在基准面确定方面，与陆地地形基准面统一，建立以海洋大地水准面为基准面的海底地形表示框架势在必行。研制新型测量设备、统一陆海地形基准面、精化海洋大地水准面将是未来海底地形测量的3大任务。航海图长期以来作为海洋测量成果的主要表现形式，将来，在航海图继续发展的前提下会出现多种海洋测量数字产品、数据库和地理信息系统并存的局面，为多学科多种使用目的提供全方位服务。

2.信息获取和表示的方式将由积木组合式向集成综合式转化。20世纪海洋测量的信息获取基本上以单一系统为基础，表示方式也以单一系统为主。21世纪无论在信息获取还是信息体现都会以多系统集成为主体。在信息获取领域，一个系统多种功能的集成和多个系统的有机集成都会出现引人注目的变革。卫星遥感领域的合成孔径雷达（SAR）和水深测量领域的合成孔径声纳将是一个系统多种功能集成的代表产品，可圆满地解决作用距离和分辨率之间的矛盾。测深侧扫声纳是两个系统相结合的统一体。更多系统的集成是发展的必然结果。在信息表示领域，多源、多分辨率信息的有机集合也是发展的必然趋势。由卫星、飞机、船只获得的信息；由光学、声学、雷达获得的信息均能有机地结合在一起，从多种角度、以多种分辨率展现海洋的全貌。

3.信息服务形式将由3维静态向4维动态转化。20世纪海洋测量成果主要以3维静态的形式向社会提供服务，随着科学技术的发展，21世纪社会对海洋测量成果的需求将趋向动态变化和实时性。因此，研究海洋几何要素和物理要素的时变规律将十分重要。尤其是对海洋潮汐现象的全面、透彻研究应放在重要的位置。海洋测量的数字产品、海洋测绘数据库、海洋地理信息系统要有时变特征，用户可通过这些界面了解海洋各要素的变迁情况和规律，推求海洋各要素变化的发展趋势，作出恰当的决策。

4维动态信息服务也对海洋测量的精度、密度、可靠性、分辨率、获取和处理信息的速度、分发信息的速度提出了新的、更高的要求。这就在未来的世纪里对测量仪器、测量方法、测量软件、网络技术应用、通讯技术应用提出挑战，也提供了机遇。电子海图显示系统的发展，使得电子海图的实时显示由最初的2维显示、到3维显示，继而发展到迭加潮汐预报的实时4维动态显示。目前我国的电子海图还不具备迭加水文气象要素的功能，但可以预料，出于多方面应用的考虑，电子海图的功能将日趋完善，包括水文气象要素的迭加、多种定位手段的使用、量算功能的实现等。