海洋測量技術研究進展與展望
翟國君, 黃謨濤
海軍海洋測繪研究所, 天津 300061
基金項目：國家自然科學基金（41374018；41474012）
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之一作者簡介：翟國君(1961-), 男, 博士, 教授, 博士生導師, 研究方向為海洋大地測量和海底地形測量。E-mail:zhaigj@163.com
摘要：從學科研究內容拓展與交叉融合發展、海底地形測量與海岸地形測量、海洋重力測量與海洋磁力測量、海洋測量信息應用等方面，對我國海洋測量技術的研究現狀進行了分析和總結。主要論述了邊緣學科增長點的興起、多維立體測量平臺的建立、測量設備的國產化研制、新理論新技術新 *** 的運用以及信息的應用等方面。基本概括了海洋測量技術發展的全貌，并對未來的技術發展方向進行了展望。
關鍵詞：海洋測繪 海洋測量 發展 綜述
The Review of Development of Marine Surveying Technology
ZHAI Guojun, HUANG Motao
Abstract: The review of marine surveying technology is made in the aspects of the mingling of discipline, bathymetry and coastal topographic surveying, marine gravity surveying and geomagnetic surveying, and the application of marine survey information. The appearance of new branch of study, the establishment of surveying platform, the development of surveying equipment, the application of new theory, new technology, new method and the surveying information are reviewed. The future development trend of marine surveying is briefly presented.
Key words: marine surveying and mapping marine surveying development review
海洋測繪作為測繪科學與技術的一個分支，主要是以占地球表面積71%的海洋及陸地水域的江河湖泊為研究對象，其研究內容涉及海洋和陸地水域及其鄰近陸地與地理空間分布有關的幾何、物理、人文及隨時間變化的信息的獲取、處理、管理、表示和利用。海洋測量是海洋測繪的重要組成部分，主要包括海洋大地測量、海道測量、海底地形測量、海岸地形測量、海洋重力測量、海洋磁力測量、海洋工程測量等。隨著衛星定位技術、遙測遙感技術、計算機技術、傳感器技術的發展，海洋測量也發生了深刻的變革。其表現出的學科拓展性與交融性、信息源的融合性、數據挖掘的深刻性、應用服務的普適性等特征都得到了充分體現。在測量信息的獲取和處理、測量設備的研發、新技術新 *** 的應用等多個方面都取得了顯著的進展。
關于海洋測量技術的研究現狀與發展趨勢，在不同的時代都有專家進行過研究綜述[1-5]。他們或者從測量方式、平臺使用、設備研發、數據處理，或者從機制體制、學科建設、人才培養、標準建設等方面進行了論述，為讀者提供了海洋測量技術發展的客觀評述。尤其是由中國測繪地理信息學會負責編撰的《測繪地理信息藍皮書》和《測繪科學與技術學科發展報告》(又稱白皮書)，更是分年度對海洋測繪的技術發展從各個方面進行了全面的介紹和評述[6-9]。本文基于筆者的理解，結合前人的研究成果，擬對海洋測量技術發展的幾個方面進行重點綜述，有利于讀者進一步了解海洋測量技術的發展概貌。
1 海洋測量學科拓展與交叉融合發展
按照學科隸屬關系劃分，海洋測繪無疑屬于測繪學科，這是毋庸置疑的。海洋測繪的基礎理論、坐標框架、技術 *** 、應用領域等和測繪學科都是一脈相承的。作為數據采集技術的海洋測量自然屬于測繪學科的地理空間信息的獲取和處理環節。然而，隨著現代高新技術的迅速發展與推廣應用，以及測量儀器制造工藝的改進、測量要素的多樣化、測量技術的通用化，海洋測量技術不僅學科自身的研究內容得到了較大幅度的拓展，不同學科之間的交叉融合也得到了持續的良性發展。
1.1 學科研究內容的拓展
1.1.1 從傳統的海道測量學到現代的海洋測量學
海道測量學科的發展已有一百多年的歷史，而海道測量活動則可追溯到更為久遠的歷史。隨著測量儀器、測量內容和測量 *** 的變革，從20世紀以來，在海道測量學科的基礎上，又出現了海洋重力測量、海洋磁力測量、海洋大地測量、海洋遙感測量等，已經逐漸發展為海洋測量學科[10]。國際海道測量組織出版的《Hydrographic Dictionary》《IHO Standards for Hydrographic Surveys》和《Manual on Hydrography》里面所指的hydrography，其內容還是我們平時所講的以保證航海安全為主要目的的海道測量。
1990年，國際海道測量組織出版的《海道測量詞典》(第四版)，對hydrography的定義是：專門以航海為應用目的，涉及測量和描述地球表面可通航區域及其毗鄰的沿海區域自然特征的一門應用科學。
在國內，大家對海道測量和海洋測量的認識也漸趨一致。一般認為海道測量是海洋測量的組成部分。海道測量是對海洋和江河、湖泊水下地貌及其附近陸地地形所進行的測量與調查的理論與技術。獲取的數據主要用于編制航海圖、發布航海參考資料、提供水域基礎地理信息，主要目的是保證船舶安全與高效率航行。比較而言，在海道測量基礎上發展起來的海洋測量，其內涵要比海道測量廣得多。海洋測量是對海洋和江河、湖泊及其沿岸地帶進行測量的理論、技術和 *** 。海洋測量按研究內容和任務可分為海洋大地測量、海道測量、海底地形測量、海岸地形測量、海洋重力測量、海洋磁力測量、海洋工程測量和海洋遙感測量等。
1.1.2 從狹義的海洋大地測量到廣義的海洋大地測量
大地測量學歷史悠久，內容豐富，是研究和確定地球的形狀、大小、重力場、整體與局部運動和地球表面點的幾何位置以及它們的變化的理論和技術的學科。而海洋大地測量作為陸地大地測量在海洋區域的擴展，其研究內容不再局限于狹義的建立海洋大地控制網(點)，測定平均海面、海面地形和大地水準面等，而是漸漸融入了更多的陸地大地測量的研究內容。在陸地上，大地測量包括橢球面大地測量、物理大地測量、空間大地測量、衛星大地測量、動力大地測量、行星大地測量等。在海洋上，除了傳統的海洋大地測量研究的內容外，隨著海洋重力測量手段的多樣化、垂直基準的建立，建立海洋大地控制網 *** 的發展以及海底長期觀測網的建立等，同樣包括了物理大地測量、空間大地測量、動力大地測量的研究內容。這些內容已經超出狹義的海洋大地測量所包含的范圍，漸漸發展為廣義的海洋大地測量。
1.2 學科交叉融合發展
1.2.1 海洋測量與海洋調查
海洋測量與海洋調查雖然分屬于不同的學科，但在儀器設備、測量要素、作業 *** 、數據處理和成果應用等方面，有著許多的共同點。尤其在海底地形測量、海底底質探測和海洋重磁測量等方面，技術 *** 、測量要素、數據處理和成果形式等趨同性很強，體現了兩個學科之間的交融性正在增強。當然，盡管有著這種學科交叉的特點，但兩者的區別還是明顯的。
海洋測量主要是對海洋地理空間要素的測量和處理，對海洋化學、海洋生物、海洋光學等不進行調查。海底地形測量比例尺范圍為1：2000~1：50萬，測量成果事關艦船航行安全，測量精確度和精密程度要求較高。海洋重磁測量成果主要用于海洋測量基準確定和軍事保障目的，因此對測量成果的精細度和可靠性精度更高。
海洋調查主要是對海洋環境要素進行調查，不涉及海岸地形測量、沿岸水深測量、海洋大地測量等內容。海底地形調查比例尺范圍為1：10萬~1：100萬，調查成果主要服務于海洋資源勘查和海洋科學研究，只為編制艦船航行圖件提供參考信息，調查精確度和精細程度要求相對較低。同樣，海洋重磁調查成果也主要服務于海洋資源勘查和海洋科學研究，只為確定海洋測量基準和保障軍事應用提供參考信息，因此要求的調查精度較低[11-13]。
1.2.2 海洋測量與海洋地質調查
海洋地質調查本身就具有兩個學科交融的特點，其既有海洋學科的特點，又有地質學的特點。海洋測量過去僅對水深在100 m以內的海區進行海底表層底質探測。隨著海洋測量成果應用領域的拓展，海洋測量的探測要素不再局限于海底底質，而是向海底地質調查的內容靠近。所用的儀器設備、作業 *** 和探測要素基本相同，但由于應用目的不同，海洋測量對樣品的分析和底質分類的精細程度要求較低。
1.2.3 海洋測量與海洋聲學調查
聲波在海水中的傳播路徑和速度直接影響著海底地形地貌的測量精度。為了保證多波束測深系統對海底地形地貌的探測精度，測量期間必須在測區布設若干聲速剖面，以便對聲線彎曲進行跟蹤改正，提高海底地形地貌的探測精度。隨著中遠海綜合測量調查船的建造，為了充分利用測量船上搭載的聲速測量設備，實施海洋測量時已經更多地兼顧了海洋聲學調查的需要，使得海洋測量和海洋聲學調查在儀器設備、作業 *** 、測量要素、成果應用等方面達到了更多的交融和協調發展。
2 海底地形與海岸地形測量技術的進展
海底地形測量是海洋測量最為核心更具特色的信息獲取技術。目前多波束全覆蓋測深技術已經成為海洋測量的常規技術，點線測量模式已經發展為面狀的全覆蓋測量模式。目前在海底地形與海岸地形測量方面，其研究進展主要體現在以下幾個方面[1-9, 14-17]：
(1) 海底地形地貌立體測量體系基本形成。采用船載方式實施海洋測量一直是海洋地理空間信息獲取的主要方式。傳統的點線式海底地形測量模式已發展成面狀的全覆蓋作業模式。隨著機載激光測深系統的應用，這種高精度高效率的機載水深測量作業方式在淺于50 m的水域已成為多波束水深測量手段的重要補充。利用大量的衛星測高數據可以在全球海域結合船載水深測量數據對海底地形地貌進行反演，相對精度可優于反演水深的7%。可見光遙感和微波遙感也是水深反演的一種手段。航空攝影和遙感技術作為傳統的實地測量的補充已成為海岸帶地形測量的常規手段。水下隱蔽式測量手段正在建設中。船載和機載的水陸一體化測量技術已經得到應用。這些航天、航空、地面、水面、水下五位一體的測量手段標志著全要素多平臺的海洋測量體系已初步形成。
(2) 水陸一體化測量技術得到應用。海底地形測量和海岸地形測量在傳統的海洋測量中是分開實施的。前者采用船載方式實施，后者采用人工實地測量或攝影遙感的方式實施。隨著激光三維掃描儀的出現，利用船載方式，通過搭載多波束測深儀(或單波束測深儀)、GNSS接收機、激光三維掃描儀、姿態傳感器等設備，就可以在岸線附近同時實施海底地形測量和海岸地形測量，實現水陸一體化無縫測量。同樣，利用具有海岸地形測量功能的機載激光測深系統也可以實現岸線附近的水陸一體化無縫測量，目前該技術已經成熟。國產的機載測深激光雷達在國家科技部重大儀器專項的支持下年內即可問世。利用氣墊船開展大面積淺灘地形測量的試驗取得了較好的成果，這對于船只因吃水問題無法駛入和灘涂面積大而人工實測困難的大面積灘涂地區的地形測量無疑提供了一種有效的解決途徑。
(3) 具有自主知識產權的淺水多波束測深系統已經研制成功。多年來，無論是深水還是淺水多波束測深系統一直依賴于引進，嚴重制約了沿岸水深的全覆蓋測量和內陸水域的全覆蓋測量。目前，淺水多波束測深技術已經實現突破，采用多脈沖發射技術和雙條幅檢測技術，實現了高密度信號的采集和處理。采用Dolph-Tchebyshev屏蔽技術，減少了垂直航跡方向的旁瓣效應。其產品已推廣應用。深水多波束測深系統、側掃聲吶和淺底層剖面儀正在研制中。
(4) GNSS無驗潮水深測量技術已經發展成熟，被廣泛應用于沿岸水深測量當中。一是有效提高了測量的作業效率，減輕了作業人員的勞動強度；二是有效削弱了波浪和潮汐誤差的影響，提高了測量成果精度。GNSS無驗潮水深測量的定位 *** 也已由初期的GNSS RTK發展到現在的精密單點定位(ppp)，大大拓展了差分定位的作用距離，使得遠離海岸的GNSS無驗潮水深測量成為可能。
(5) 海底地形反演 *** 取得進展。除了利用單波束測深儀、多波束測深系統和機載激光測深系統實施海底地形測量外，利用衛星測高數據反演大尺度海底地形也是海洋測量領域研究的熱點問題。其反演 *** 除了傳統的匹配濾波法和線性回歸法，國內學者又改進和發展了新的反演 *** 。其中基于地殼密度差的重力地質法更加適宜于利用衛星測高重力異常反演海底地形。其將重力異常劃分為長波參考場和短波殘差場，前者由已知海水深度和重力異常的控制點計算，后者在待求點上用重力異常減去長波重力異常得到短波分量，然后根據短波分量來反演海水的深度。這種 *** 能夠獲得比ETOPO1模型更高的精度。
(6) 海底地形產品更加多樣化。海洋測量成果的主要產品形式一直以紙質航海圖為主，兼有航海書表等產品。海洋經濟的發展、國防建設和科學研究的需要促進了海底地形產品的多樣化、服務保障的 *** 化、覆蓋區域的全球化。海底地形測量成果除了用于編制出版紙質航海圖外，還用于編制出版各種格式的數字航海圖以及數字海底地形模型DEM(或者數字水深模型DDM)。通過基準轉換、增刪部分要素或者與其他相關的要素疊加，編制出版不同用途的專題海圖(海底地形圖、海底地質圖等)。
(7) 綜合航空攝影測量和潮位推算來確定海岸線位置的 *** 已在海岸地形測量中得到應用。海岸線的位置作為海洋測量要素的重要組成部分，《海道測量規范》規定：“海岸線以平均大潮 *** 時所形成的實際痕跡進行測繪。海岸線應進行實測”。但在痕跡不明顯或者困難地區，實地測量也會存在很多差異。因此，應用航空攝影測量和潮位推算來確定海岸線位置的 *** 不失為一種可行的 *** ，且已經在國家專項中得到應用。然而，在日潮特征海域，現有海岸線定義中的多年平均大潮 *** 面是沒有實際意義的，國內有學者提出了在日潮特征海域，應該用回歸潮平均高 *** 位來取代多年平均大潮 *** 面來確定海岸線的位置[14, 16-17]。
(8) 多波束測深數據處理更加精細化。主要表現為：聲線彎曲改正 *** 不斷改進，一是提高了聲線彎曲改正的精度，二是提高了聲速剖面的代表性。為了對聲速傳播的路徑和速度大小進行跟蹤，先后出現了常聲速聲線跟蹤法、常梯度聲線跟蹤法、聲線跟蹤誤差修正法和等效聲速剖面法。為了將實測聲速剖面和經驗聲速剖面相結合，又提出了經驗正交函數(EOF)法。為了實現相鄰條帶的拼接，削弱“哭臉”與“笑臉”現象，除了簡單的取平均法、人工調差法、兩步平差法，國內學者還提出了以中央波束為控制條件的條帶拼接 *** ，取得了較好的效果。在異常數據探測方面，主要采用人機交互式編輯和自動編輯的 *** ，前者是人工對每一ping的數據或者對海底三維立體模型數據進行檢查，以發現異常數據。后者是利用加權平均、統計分析、中值濾波、抗差估計、趨勢面濾波、CUBE濾波等數學 *** 發現異常數據，或者直接刪除(用于建立DEM時)，或者再由人工予以確認(用于出版海圖時)，以免出現納偽或棄真的現象。
3 海洋重力與磁力測量技術的進展
海洋重力和磁力測量方面的進展主要體現在：重磁力測量信息采集平臺逐步實現多樣化，海洋重力和磁力測量儀器研制國產化取得成效，數據融合處理和誤差處理更加精細化，應用領域得到有效拓展[18-23]。
(1) 航空重力測量和海底重力測量技術發展迅速。船載海洋重力測量方式一直是實施海洋重力測量的主要作業模式，但隨著海洋航空測量體系的構建，航空重力測量模式成為船載重力測量的重要補充，尤其在近岸海域，航空重力測量是最有效的獲取重力場信息的手段。同時，國家專項的實施又為海底重力測量提供了發展契機。不久的將來，將會在一些局部海域開展一定數量的海底重力測量，作為基準比對和研究之用。
(2) 重力測量儀器的研制已經實現國產化。具有自主知識產權的捷聯式航空重力儀和海洋重力儀、三軸平臺式航空重力儀和海洋重力儀的研制均已取得突破性進展，并進行了航空重力測量試驗和船載重力測量試驗，其測量精度可與國外同類重力儀相媲美。
(3) 重力場向下延拓 *** 研究取得進展。應用航空重力測量技術獲取海洋區域的地球重力場已經成為海洋重力測量的重要 *** 。由于海洋區域的特殊性，其數據處理 *** 有著區別于陸地區域航空重力測量的特點。重力場向下延拓除了傳統經常采用的迭代求解法、最小二乘配置法、梯度法、正則化 *** 外，我國學者提出的基于高階重力位模型或者衛星測高數據的海域重力場向下延拓 *** ，無論是計算的穩定性，還是延拓精度都取得了很好的效果[18]。
(4) 海洋重力測量誤差處理更加精細化。海洋重力測量系統誤差處理 *** 已經成熟，可應用整體網平差法或者兩步處理法來實現。針對多航次不同船不同儀器的海洋重力測量，有時彼此之間會存在比較明顯的系統誤差。為了統一多航次船載重力測量數據基準，基于平差思想，選取一個重力異常模型作為參考場，將航次實測數據與參考場數據差異的平均值作為觀測量進行分析計算，可有效統一多航次船載重力測量的數據基準[19-20]。
(5) 磁力測量儀器的研制已經實現國產化。具有自主知識產權的光泵式海洋磁力儀已研制成功，并在海洋工程建設中得到應用。國產航空磁力測量儀的可靠性和精度有了大幅提高，已廣泛應用于海洋磁力測量和水下磁性目標探測。
(6) 為了解決離岸較遠海區的磁力測量，已廣泛應用海底日變站進行日變改正。同時，國內對于地磁海底日變觀測儀器的研制也取得了重要進展。在地磁偏角測量方面，為了克服個別島嶼面積小，觀測基線短的問題，提出了觀測太陽天體解決小島的磁偏角測量問題。同時，還提出了基于陀螺經緯儀的超短基線磁偏角測量 *** 。傳統的單探頭海洋磁力儀適用于大尺度的海洋地質體調查，不適合水下小目標的精細化探測作業。為了探測水下磁性小目標，考慮到利用多探頭同步測量數據比單探頭數據具有更好的分辨率，便于對目標的解釋和推斷，為此研制了多探頭磁力儀陣列，可較好地解決磁性小目標的識別和定位問題[21-23]。
4 海洋測量信息應用技術的進展[24-30]
(1) 海底地形測量信息一直以服務于海圖編繪為主要目的，并為經濟建設、國防建設和海洋權益維護提供基礎數據。近年來，海底DEM的構建成為多波束測深數據的一個重要應用方向，與之相關的數據融合處理、不確定度評定、DEM構建 *** 以及在不同領域的應用也成為研究的熱點。水下潛器的定位一直是人們研究的興趣所在，除了研究基于地球物理場(重力場、地磁場)的水下匹配導航外，人們也在積極探索水下地形匹配對于潛器定位的可能性。
(2) 海洋重力測量數據的主要用途之一是確定地球形狀和大小。隨著國家專項的實施，海洋垂直基準的確定受到格外重視，在建立近岸海陸一致垂直基準的基礎上，海域范圍進一步拓展，基準精度進一步提高。作為水下匹配導航的另一種數據源，人們對水下重力匹配導航的模型算法和模擬仿真進行了深入的研究，在匹配區選擇、匹配算法改進、重力場模型建立等方面取得了重要進展。為了對遠程戰略武器發射提供重力場保障，我國學者在重力場對潛地戰略導彈發射的影響分析、海洋重力場測量精度需求論證以及重力異常場賦值模式構建研究等方面取得了創新成果。
(3) 海洋磁力測量數據除了用于研究地殼構造和礦產資源開發外，在大地測量基準建立、水下潛器的磁力儀探測、艦船的消磁、地磁匹配導航等方面的應用研究取得了明顯進展。
(4) 針對我國缺乏高精度海底基準控制點，未有海洋大地測量基準，水下導航技術單調匱乏，陸海地理空間信息未形成統一體系的問題，我國開展了海洋大地測量基準與海洋導航新技術等研究，在海洋大地測量觀測 *** 構建、海陸基準無縫連接、水下參考點建立和海洋多傳感器融合導航等方面取得進展。
(5) 數字海洋地理信息基礎框架建設完成了我國“數字海洋”從科學概念到工程實體建設的重要一步，我國數字海洋地理信息基礎框架建設已取得了豐碩的成果。國家海洋局系統和軍方的海洋測繪部門在數字海洋建設方面先行先試，在理論 *** 、觀測技術和數據處理 *** 取得了重要進展。目前的全球空間基準國家專項和海洋觀測計劃，都將海底控制網或海底觀測網的建設列位重要的建設內容。根據服務目的的不同，這些海底觀測網將具有定位、測流、重力測量、磁力測量、地震監測、數據傳輸等功能。未來數字海洋地理信息從技術研究、產品研發、系統建設到產業化的社會化應用服務模式將不斷完善。
5 結論與展望
經過多年的發展，海洋測量平臺更加多樣化，以傳統的船載平臺為主的航天、航空、地面、水面、水下五位一體的多樣化的立體數據獲取平臺體系基本建立。無人機、無人船、氣墊船等新型測量平臺得到初步應用。水陸一體化的海底地形/海岸地形測量技術進步明顯，已在海洋測量中展現其獨特的技術優勢。一批具有自主知識產權的海洋測量儀器設備研制成功，并取得了令人滿意的試驗結果，有些設備已得到實際應用。一些新理論、新 *** 、新技術在海洋測量中得到推廣，顯著提高了測量效率和成果精度。學科之間的交叉融合程度增強，衍生了很多新的研究方向。可以預見，測量平臺多樣化，測量設備國產化，信息獲取綜合化，測量區域全球化，數據處理智能化，產品制作系列化，服務保障 *** 化，將逐漸成為海洋測量的新常態。
海洋測量的各類標準將更加完備，最終會形成軍民融合、銜接兼容、協調互補的海洋測繪標準體系。隨著國家專項的實施，覆蓋中國近海的海洋測量基礎設施體系建設受到格外重視，相關的專業檢定場建設和水陸一體化基準建設將取得突破。
海洋地理空間信息獲取平臺和儀器設備研制與開發的國產化進程加快。海洋測量全要素信息融合處理、多樣化產品制作、全球化信息應用服務等儀器設備的自主研制將取得明顯進展。
國產淺水多波束測深系統在國內市場將與國外產品抗衡，中深水多波束測深系統也將實現國產化。海/空重力儀、海洋/航空磁力儀的國產化程度明顯加快，目前已經進行了多次海上試驗，精度及可靠性可與國外同類儀器相媲美。可以預期，其在國內市場占有一席之地的日子已為期不遠。
陸海一體化無縫測量技術將得到更加普遍的應用，海岸地形航空攝影測量技術將成為海岸帶地形圖快速更新的常規手段。無人機、無人艇將得到更廣泛的應用。
在數據處理、 *** 技術、算法模型等方面，將會更加精細， *** 更加實用、精度更加提高。垂直基準建立、海底地形測量、海洋重力測量、海洋磁力測量等方面的數據處理 *** 會更加成熟。無縫拼接、偶然誤差和系統誤差的處理、各種環境參數的改正、不同源數據的融合處理等將會更加完善。
【引文格式】翟國君，黃謨濤。海洋測量技術研究進展與展望[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1752-1759. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170309
