海洋測繪的應(yīng)用和發(fā)展

1、海洋測繪的應(yīng)用和發(fā)展12測繪：唐華天摘要：海洋測繪是測繪學的一個分支學科。從這個分支學科的名稱，我們就可以清楚地知道，海洋測繪的對象是海洋。海洋測繪不僅要獲取和顯示這些要素各自的位置、性質(zhì)、形態(tài)，還包括他們之間的相互關(guān)系和發(fā)展變化，如航道和礁石、燈塔的關(guān)系，海港建設(shè)的進展，海流、水溫的季節(jié)變化等。它也是一項基礎(chǔ)性和超前性工作,一切海上活動都離不開海洋測繪保障,特別是在大力開發(fā)海洋、利用海洋的今天,海洋測繪的作用愈來愈重要。由于海洋區(qū)域與陸地區(qū)域自然現(xiàn)象的重要區(qū)別在于分布有時刻運動著的水體，使它的測繪方法與陸地測繪方法有明顯的差別，因此陸地水域江河湖泊的測繪，通常也劃入海洋測繪中。海洋測繪的早期

2、發(fā)展海洋測繪大致可分3個階段：世紀3050年代中期，開始對海洋進行地球物理測量，包括海洋地震測量、海洋重力測量等。這階段利用回聲探測數(shù)據(jù)繪制海底地形圖，揭示了海洋底部的地形地貌；利用雙折射地震法獲取大洋地殼的各種地球物理性質(zhì)，證明大洋地殼與大陸地殼有顯著的差異。19571970年，實施了國際地球物理年（19571958）、國際印度洋考察（19591965）、上地幔計劃（19621970）等國際科學考察活動，發(fā)現(xiàn)了大洋中條帶磁異常，為海底擴張說提供了強有力的證據(jù)，揭示了大洋地殼向大陸地殼下面俯沖的現(xiàn)象，觀測了島弧海溝系地震震源機制。70年代以后，廣泛應(yīng)用電子技術(shù)和計算機技術(shù)于海洋測繪中。海洋測量

3、的特點海洋測量的對象是海洋，而海洋與陸地的最大差別是海底以上覆蓋著一層動蕩不定的、深淺不同的、所含各類生物和無機物質(zhì)有很大區(qū)別的水體。由于這一水體的存在，使海洋測量在內(nèi)容、儀器、方法上有如下明顯不同于陸地測量的特點：由于這一水體，使目前海洋測量只能在海面航行或在海空飛行中進行工作，而難以在水下活動。因而在海洋水域沒有居民地，也沒有固定的道路網(wǎng)，除淺海區(qū)外，也沒有植被。因此海洋測量的內(nèi)容主要是探測海底地貌和礁石、沉船等地物，而沒有陸地那樣的水系、居民地、道路網(wǎng)、植被等要素，而且海底地貌也比陸地地貌要簡單得多，地貌單元巨大，很少有人類活動的痕跡。但這并不是說海洋測量比陸地測量要簡單得多，相反，海洋

4、測量在許多方面比陸地測量要困難。首先，水體具有吸收光線和在不同界面上產(chǎn)生光線折射及反射等效應(yīng)，在陸地測量中常用的光學儀器，在海洋測量中使用很困難，航空攝影測量、衛(wèi)星遙感測量只局限在海水透明度很好的淺海域。海洋測深主要使用聲學儀器。但是超聲波在海水中的傳播速度隨海水的物理性質(zhì)，如海水鹽度和溫度等的變化而不同，這就增加了海洋測深的困難。其次，由于水體的阻隔，肉眼難以通視海底，加上傳統(tǒng)的回聲測深只能沿測線測深，測線間則是測量的空白區(qū)，海底地形的詳測需要進行加密，或采用全覆蓋的多波束測深系統(tǒng)，這就會大量地增加測量時間和經(jīng)費。再次，由于海水是動蕩不定的，這為提高海洋測量的精確性造成極大的困難。最后，目前

5、海洋測量的載體主要是船舶，而船舶的續(xù)航力很有限，出測又受到天氣和海況的限制，全球海域又如此廣大，因此詳測全球海域需要漫長的時日。在航海圖上，不以平均海面時的海陸交界線作為海岸線。因為這條線在高潮時淹沒在水中，低潮時雖露出水面，但其痕跡被大潮高潮時的海水所沖刷，在實地上很難判別其位置。而海岸線上的某些特征，如岬角、特殊顏色等又是航海時確定船位和方向的重要目標。確定有明顯痕跡的位置作為海岸線，對航海是極有用處的。根據(jù)分析研究得知，平均大潮高潮時的海陸交界線，常常有明顯的痕跡。如在陡岸上，一般都留有海水侵蝕過的痕跡；有植被的海岸地段，有不被海水浸泡的陸地植被的生長界線；平坦海岸上，有海浪活動的最上痕

6、跡和水生植物枝葉的堆積；通常海水浸泡和沖刷過的巖石和沙土的顏色不同于未經(jīng)海水浸泡過的顏色等。根據(jù)上述種種痕跡，首先在實地上確定海岸線的位置，然后用地形測量的方法，就可將其測繪在圖上。海洋工程測量與陸地工程測量類似，在工程建設(shè)前和建成后都要進行測量?，F(xiàn)以比較典型的海洋工程測量項目港口工程測量為例予以介紹：港口工程建設(shè)前，需要進行選址、總體規(guī)劃和技術(shù)設(shè)計等工作。其中碼頭選址不僅需要陸地地形圖，還需要許多海洋測量資料。因為碼頭打樁或開挖填筑基礎(chǔ)，需要水深、底質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地震等資料；為了減輕建成后海浪沖擊和泥沙淤積，需要有海流、波浪等水文資料；為確定碼頭高度，還要潮汐、甚至于歷史上的大潮和風暴潮的資

7、料；另外，進出港航道、泊地的選址，船塢、防波堤的建設(shè)，助航標志、系船浮筒的設(shè)置等都需要有大比例尺的水深測量資料。由于港口大都建在河口、海灣等易變海區(qū)，建港所需的資料通常都需建港前實測。衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋測繪中的應(yīng)用及定位1. 概述海洋測繪主要包括海上定位、海洋大地測量和水下地形測量。海上定位通常指在海上確定船位的工作。主要用于艦船導航，同時又是海洋大地測量不可缺少的工作。海洋大地測量主要包括在海洋范圍內(nèi)布設(shè)大地控制網(wǎng)，進行海洋重力測量。在此基礎(chǔ)上進行水下地形測量，測繪水下地形圖，測定海洋大地水準面。此外海洋測繪的工作還包括海洋劃界、航道測量以及海洋資源勘探與開采（如海洋漁業(yè)、海上石油工業(yè)、大陸

8、架以及專屬經(jīng)濟區(qū)的開發(fā)）、海底管道的敷設(shè)、近海工程（如海港工程等）、打撈、疏浚等海洋工程測量、平均海面測量、海面地形測量以外，還有海流、海面變化、板快運動以及海嘯等測量。海上定位是海洋測繪中最基本的工作。由于海域遼闊，海上定位可根據(jù)離岸距離的遠近而采用不同的定位方法，如光學交會定位、無線電測距定位、GPS衛(wèi)星定位、水聲定位以及組合定位等。光學交會定位實現(xiàn)的原理：光學定位系統(tǒng)的實現(xiàn)原理包括攝像機的建模，以及在此模型下的定標、計算出攝像機的投影矩陣和目標的三維重建等。光學立體定位儀精度高、可靠性強、但是價格昂貴。無線電定位系統(tǒng)：是通過直接或間接測定無線電信號在已知位置的固定點（岸臺）與船之間傳播過

9、程中的時間、相位差、振幅或頻率的變化，確定距離、距離差、方位等定位參數(shù)，進而用位置線確定待定點位置（如船位）的測量技術(shù)利方法。組合定位系統(tǒng)：由GPS、航向姿態(tài)傳感器以及超短基線定位系統(tǒng)所組成。常規(guī)的超短基線陣采用相位法進行定位。為了避免相位模糊,陣元間距必須小于半個波長,因此定位精度不會很高。GPS衛(wèi)星定位：觀測船上的衛(wèi)星接收機具有與衛(wèi)星發(fā)射機頻率嚴格同步的參考振蕩器，并用高信噪比的鎖相放大器來接收信號。在衛(wèi)星從出現(xiàn)到消失的18分鐘內(nèi)，接收機將接收到多個相位差。兩個相鄰相位差之差能夠確定一個在地球表面呈雙曲線狀的位置線。所有位置線的交點，即所要求的船位。水聲定位：建立在超聲波傳播技術(shù)基礎(chǔ)之上的

10、一種海上定位技術(shù)和方法。通過測定聲波信號傳播時間或相位差，進行的海上定位。它具有明顯優(yōu)點：可以同時滿足定位的高精度及遠距離要求，并能彌補因無線電波在水中衰減快而不能用于水下載體定位的缺點。2. 用GPS定位技術(shù)進行高精度海洋定位：為了獲得較好的海上定位精度，采用GPS接收機與船上的導航設(shè)備組合起來進行定位。例如，在GPS偽距法定位的同時，用船上的計程儀（或多普勒聲納）、陀螺儀的觀測值聯(lián)合推求船位。對于近海海域，還可采用在岸上或島嶼上設(shè)立基準站，采用差分技術(shù)或動態(tài)相對定位技術(shù)進行高精度海上定位。如果一個基準站能覆蓋150KM范圍，那麼在我國沿海只需設(shè)立三到四個基準站便可在近海海域進行高精度海上定

11、位。經(jīng)多年研究，不斷成熟的廣域差分技術(shù)（WASGPS），可以實現(xiàn)在一個國家或幾個國家范圍內(nèi)的廣大區(qū)域進行差分定位。2000年之后，將利用建成的純民間系統(tǒng)GNSS進行全球范圍內(nèi)的導航定位。差分技術(shù)差分技術(shù)主要是指差分GPS技術(shù)。差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精確三維坐標的差分GPS基準臺，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發(fā)送給用戶（GPS導航儀），對用戶的測量數(shù)據(jù)進行修正，以提高GPS定位精度。分類：根據(jù)差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。利用差分GPS技術(shù)可以進行海洋

12、物探定位和海洋石油鉆井平臺的定位：進行海洋物探定位時，在岸上設(shè)置一個基準站，另外在前后兩條地震船上都安裝差分GPS接收機。前面的地震船按預定航線利用差分GPS導航和定位，按一定距離或一定時間通過人工控制向海底巖層發(fā)生地震波，后續(xù)船接收地震反射波，同時記錄GPS定位結(jié)果。通過分析地震波在地層內(nèi)的傳播特性，研究地層的結(jié)構(gòu)，從而尋找石油資源的儲油構(gòu)造。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的特點，在構(gòu)造圖上設(shè)計鉆孔位置。利用差分GPS技術(shù)按預先設(shè)計的孔位建立安裝鉆井平臺。具體方法：具體方法是在鉆井平臺上和海岸基準站上設(shè)置GPS系統(tǒng)。如果在鉆井平臺的四周都安裝GPS天線，由四個天線接收的信息進入同一個接收機，同時由數(shù)據(jù)鏈電臺將

13、基準站觀測得數(shù)據(jù)也傳送到鉆井平臺的接收機上。通過平臺上的微機同時處理五組數(shù)據(jù)，可以計算出平臺的平移、傾斜和旋轉(zhuǎn)，以實時檢測平臺的安全和可靠性。海洋測繪學的新進展全國政協(xié)十一屆二次會議7日下午3時舉行第二次全體會議，全國政協(xié)港澳臺僑委員會副主任陳明義在發(fā)言中呼吁，要像抓航天事業(yè)那樣，大力推進海洋的探測與開發(fā)，我國的航天事業(yè)已取得舉世矚目的成就，我們要像抓航天事業(yè)那樣，大力推進海洋的探測與開發(fā)，做大做強海洋產(chǎn)業(yè)，努力建設(shè)海洋強國。我們要努力去進展新的方向。（一）海道測量:在海洋測深過程中，為解決回聲測深儀波束角效應(yīng)使記錄的測深圖像失真問題，提出了波束角效應(yīng)的改進模型及其改正算法。針對多波束測深數(shù)據(jù)

14、集，采用改進的距離反比權(quán)重算法和多細節(jié)層次模型技術(shù)來建立海底數(shù)字地形模型（DTM）。應(yīng)用雙頻GPS動態(tài)后處理高精度定位技術(shù)建立了一套完整的GPS無驗潮海洋深度測量作業(yè)模式，顯著提高了水深測量成果的精度。（二）海洋重力場與磁力場測量:有關(guān)海洋重力的確定，首先研究了建立我國陸海新一代平均重力異常數(shù)字模型問題：基于重力場的頻譜理論，給出了擾動引力在全球平均意義下的功率譜表達式；推導了垂線偏差同大地水準面差距偏導數(shù)的轉(zhuǎn)換公式；推導了水平重力梯度邊值問題的級數(shù)解。對海洋磁力測量的研究，從磁偶極子磁場出發(fā)，推導出一個簡單的測線間距計算公式?；诖帕€定義和均勻磁化球體周圍的磁場分布，推導出一個簡單的磁力線

15、簇公式。以陸用地磁日變站為基礎(chǔ)，結(jié)合DGPS系統(tǒng)和浮標技術(shù)，自行設(shè)計開發(fā)數(shù)據(jù)實時采集與傳輸系統(tǒng)。采用布設(shè)海底地磁日變觀測錨系的技術(shù)方法，解決了遠海區(qū)磁測日變改正觀測資料問題。（三）空基海洋測繪技術(shù):首先是重點研究了利用有理函數(shù)模型實現(xiàn)高分辨率衛(wèi)星CCD影像的單片定位的方法；其次是提出了一種遙感圖像半自動提取建筑物的方法；第三是提出了一種基于多分辨率小波高頻特征系數(shù)的高光譜遙感影像亞像素目標識別方法；第四是針對IKONOS高分辨率衛(wèi)星影像處理中的不適應(yīng)性，提出一種更為精確細致的圖像融合方法自適應(yīng)小波包分析法；第五是從測高衛(wèi)星飛行軌道的規(guī)律出發(fā)，提出了采用“距離加權(quán)平均”計算正常點海面高的新方法；第六是研究了觀測衛(wèi)星的選擇對基線解算質(zhì)量的影響，提出了提高基線解算質(zhì)量的人工選星的基線處理方法。（四）海圖制圖與海洋地理信息工程:首先是提出了基于Circle原理和“優(yōu)勝劣汰”思想的地圖綜合新算法；其次是探討了數(shù)字測圖中的坐標變換方法，總結(jié)了一套作業(yè)思路和方法；第三是提出了基于Flash技術(shù)制作多媒體電子