海洋测绘技术发展现状

2017-12-15 10:25:18    来源:《测绘地理信息》2017年第6期

摘要:简要介绍了海洋测绘的定义及内涵,从9个方面介绍了海洋测绘技术的发展现状。

  来源:《测绘地理信息》2017年第6期

  作者:赵建虎, 陆振波, 王爱学

        摘要: 简要介绍了海洋测绘的定义及内涵,从海洋大地测量、海洋导航定位、水深及水下和海岸带地形测量、海洋遥感、海洋水文测量、海底底质探测、海洋工程测量、电子海图和海洋地理信息系统9个方面介绍了海洋测绘技术的发展现状,认为海洋测绘技术正呈现出立体、高精度、高分辨率、高效的信息获取、处理和应用的态势。

  关键词: 海洋测绘 测量技术 电子海图 海洋地理信息 发展现状

海洋测绘技术发展现状

  海洋测绘是获取和描绘海洋、江河、湖泊等水体和包围水体各对象的基础地理要素及其几何和物理属性信息的理论和技术,是测绘科学与技术的一个重要分支,是一切海洋军事、海洋科学研究及开发和利用活动的基础。海洋测绘主要包括海洋测量、各类测量信息的绘制以及信息的综合管理和利用三大内容。海洋测量是对水体、水底、周围陆地进行测量的理论、技术和方法,按照研究内容和任务可分为海洋大地测量、海洋导航定位、水深测量及水下、海岸带地形测量、海洋遥感、海洋水文测量、海底声学底质测量以及海洋工程测量等内容。海图绘制是综合呈现和表达测量信息的工作,是设计与制作海图的理论、方法和技术的总称。海洋地理信息系统是对海洋的空间信息处理、管理、显示、分析和应用的技术和方法。根据海洋测绘的定义和内涵,结合当前进展,下面介绍各海洋测绘技术的发展现状。

  1 海洋大地测量

  海洋大地测量以确保海洋测量控制基准为目的,是为海洋测绘建立物理(重力和磁力)和几何(平面和高程)基准体系与维护框架的大地测量技术,是陆地大地测量在海区的扩展。

  1.1 海洋物理(重力和磁力)大地测量

  海洋重力、磁力测量属于海洋物理大地测量,是建立海洋重力、磁力测量基准,获取海洋重力磁力基础数据、开展海洋重力场模型和地磁场模型构建、应用重力磁力异常变化开展海洋资源和目标探测的基础性海洋测量工作。

  海洋重力测量目前呈现立体测量态势,按照测量载体可分为星基、机载、船基和沉箱式海底重力测量。船载重力测量仍是目前主要采用的高精度重力测量方式。近年来,机载重力测量发展迅速,已初步具备实际生产能力。我国的海洋重力仪长期依赖进口,近年在引进、消化和吸收的基础上,国产重力仪研发进展较快,目前已完成实验验证,实现了数据的自动采集和规范处理,性能指标接近国外同类产品。海洋重力测量数据处理进展目前主要体现在四个方面:一是测量数据采集与处理实现全过程自动化与智能化;二是重力仪性能评价实现了技术流程标准化和评价指标的系统化与定量化;三是精细化数据处理方法体系更趋严密,成果精度显著提高;四是构建了多源海洋重力数据融合处理理论。具体进展表现为:研发了基于电子海图的导航、数据采集、处理和成图软件;提出了重力仪零点趋势性漂移、有色观测噪声与随机误差的分离方法,形成了稳定性评估的标准化技术流程;推导了均方根误差、系统偏差、标准差等新的重复测线内符合精度评估公式,为重力仪动态性能评估提出了更精细的评估指标;提出了基于互相关的交叉耦合效应修正方法,对高动态测量数据实施了综合补偿和精处理;基于Tikhonov正则化方法和移去-恢复技术,构建了多源重力数据融合模型,提出了融合多源重力数据的纯解析方法;开展了多源重力数据同化、融合理论和方法研究,给出了中国海域1′×1′垂线偏差模型;联合EGM2008模型确定了1′×1′重力异常模型,在开阔、近海海域分别取得了±3 mGal和±(7~9) mGal的精度。

  相对于立体海洋重力测量,海洋磁力测量目前仍以船基拖曳测量方式为主。近年来的技术突破主要表现在如下几个方面:开展了海底地磁日变站布放选址方法研究,解决了远海磁力测量日变改正难题;在拖鱼入水深度计算与控制方面,建立了入水深度与配重、拖缆长度和船速间的关系模型;采用傅立叶谱分析方法,实现了磁平静日变和磁扰改正的分离,解决了强磁扰期日变改正问题;基于多台海洋磁力仪、测深仪和GNSS(global navigation satellite system),构建了一种阵列式海洋磁力测量系统;在海岛礁地磁力测量方面,实现了地磁经纬仪、陀螺经纬仪、天文观测和GNSS高精度定位与定向等多系统一体化集成应用,给出了完整的地磁三分量测量技术流程,编制了技术规程,建立了相应的数据处理模型,提高了海洋地磁测量的精度;借助实测磁力数据,开展了几何建模法和基于地磁位的建模法研究,构建了海洋局域地磁场模型,取得了优于10 nT的建模精度,满足了地磁匹配导航的需要。

  1.2 海洋控制网建立

  海洋控制网建立是布设、施测覆盖海岸、岛礁、水体和海底控制网的工作,是大地控制网的组成部分,是陆地平面坐标框架网向海洋的延伸。海岸、岛-陆、岛礁控制网建设和施测方法相对成熟,目前主要借助GNSS技术来实现。海底控制网建设尚处于起步阶段,受到了各国的高度重视。海底控制网建设研究目前主要聚焦于网址选择、网型优化、绝对平面基准水下传递、控制网联合测量及处理、网点维护等方面。具体的技术进展主要包括声速反演和局域声速场的建立、高精度高效声线跟踪、顾及深度约束的平面绝对基准传递、联合测量方法及顾及水深的联合网平差方法等。海底控制网建设主要借助声学测量技术来实现,涉及的声学设备有换能器、应答器及水听器,目前测量中仍以国外设备为主,国内科研院所和公司,如哈尔滨工业大学和中国科学院声学研究所,研发进展较快,设备已投入了实际应用。

  1.3 海洋垂直基准

  海洋垂直基准是海洋垂直测量成果的起算参考,包括陆地高程基准、平均海平面和深度基准面。海洋垂直基准通常借助潮位站潮位数据来确定,随着卫星测高、GNSS等相关技术的发展,海洋垂直基准确定采用的数据源和表达方式发生了深刻的变革。

  GNSS高精度垂直解已广泛应用于海洋测绘中,在GNSS一体化测深、GNSS潮位测量等技术中发挥着重要的作用,但均需解决如何将GNSS实测大地高转换为基于深度基准面的海图高问题。目前,海洋垂直基准转换以平均海平面或似大地水准面为中介,实现大地高到正常高、正常高到海图高的两步转换,也可实现大地高到海图高的一步转换。无论采用何种转换,均需解决三个问题,即垂直参考基准面选取,深度基准面的无缝化和垂直基准间的无缝转换。椭球面或平均海平面常被选做垂直参考基准面。深度基准面定义于验潮站,是离散、跳变和不连续的,其无缝化问题是三个问题中的关键。河口水域潮位站密集,各站上大地高、正常高和海图高关系明确,可实现彼此转换。潮位站包围水域的深度基准面无缝化问题可借助几何法或潮差比法内插获得。据此机理已在多个水域实现了深度基准面无缝化及垂直基准的无缝转换。全球潮汐模型和全球平均海平面模型为任意海域垂直基准面的无缝构建及垂直基准间的无缝转换提供了条件。借助全球潮汐模型可获得深度基准面相对平均海平面的差距,基于全球平均海平面模型可得到基于椭球面的平均海平面值,联合二者可实现椭球面、平均海平面和深度基准面之间的无缝转换。但在近海岸,全球平均海平面模型和全球潮汐模型的精化问题应引起足够重视。

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