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九大方面诠释海洋测绘技术发展现状

发布时间:2019-06-19 20:10 来源:未知 编辑:admin

  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等。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  水下导航定位多采用水下声学定位系统,如LBL(long line)、SBL(short line)和USBL(ultra-short line)。LBL、SBL和USBL均采用交会定位方法,且常组合使用。此外,为了提高水下导航定位的精度和稳健性,声学定位技术常与惯性导航系统、航位推算系统等组合使用。近年来,为确保水下潜器的隐蔽性、导航的连续性和长时性,惯性导航系统常与海底几何场(地形、地貌)或物理场(重力、磁力)的匹配导航技术组合,形成(无源)自主导航定位系统,为水下潜器导航服务。

  海底、海岸带地形测量是海洋测量的基本内容之一。传统海底地形测量需要通过深度、潮位、吃水、涌浪等测量才能获得,现代水下、海岸带地形测量因相关技术的进步已发生深刻的变革,呈现出立体、高效、高精度测量态势。

  水深测量是水下地形测量的重要组成部分,目前主要采用单波束测深、多波束测深系统(multibeam bathymetric system, MBS)和机载激光(LiDAR)全覆盖测深等技术。单波束一次测量只能获取一个测深点,适用于中小比例尺或小区域大比例尺水下地形测量;MBS一次测量可在航行正交扇面内获得上百到几百个测点,实现对海底全覆盖扫测。无论是单波束还是MBS,我国已具有自主研发能力,目前已形成国内外设备联合使用的格局。

  目前的水下地形测量呈现传统与现代测量模式并存的态势。GNSS一体化水深测量技术是现代船基水深测量的代表,集单波束、多波束测深技术、GNSS RTK、PPK、PPP高精度定位技术、POS(position and orientation system)技术和声速在航测量技术等于一体,在航实现多源信息综合采集和融合,最大限度地削弱各项误差影响,提高海底地形测量的精度和效率。GNSS三维解在该技术中起着为测深提供平面和垂直基准的重要作用。联合GNSS三维解、船姿、船体方位及换能器和GNSS天线在船体坐标系下的坐标,实时获得换能器的三维坐标。GNSS一体化测深技术的优势在于无需开展潮位站潮位观测,较彻底地补偿了波浪和声速等因素对测量的影响;在航实现海底测点三维坐标确定,因此显著提高了测量精度和效率。船基海底地形测量的无人化和自动化充分体现在无人船海底地形测量技术中。除此之外,无人船还配备自动操控、避碰、无线电等系统。无人船地形测量降低了作业成本,提高了效率,在海况良好的大水域测量、浅滩等危险或困难水域测量中作用明显。

  测深数据处理一直是海底地形测量中研究的热点问题之一,进展集中体现在:①声速及声线跟踪方法、声速剖面简化。声线跟踪主要有层内常声速、常梯度声线跟踪方法、误差修正法和等效声速剖面法。SVP(sound velocity profile)简化是目前该领域研究的另一个热点之一。SVP简化目前主要有滑动平均法、D-P(Douglas-Peucker)法、MOV(maximum offset of sound velocity)法和面积差法。SVP简化极大地缩短了声线跟踪时间,提高了深海批量多波束测深数据处理效率,但在简化率和可靠性的均衡研究仍需深入。②测深数据滤波。受海洋环境、系统噪声和测量船噪声等影响,测深数据滤波备受关注。常用的方法主要有COP法、Ware、Knight & Wells法、Eag(RDANH)法、趋势面法、抗差估计法、Bayes估计法、中/均值滤波、选权迭代加权平均、CUBE(combined uncertainty bathymetry estimation)滤波等。CUBE滤波因其高效、可靠、抗差、稳健等特点被广泛采用,但在碎石区滤波中滤波效果欠佳,需给予改进。③残余误差综合影响削弱。除受自身测量误差影响外,多波束测深还受声速、姿态、安装偏差等的影响。虽对其严格测定和补偿,但残余误差仍给测深带来系统性综合影响,导致“哭脸”或“笑脸”地形。基于地形频谱特征的削弱法认为,该影响仅改变了测深结果对地形变化趋势的反映,未影响对微地形的呈现。据此,利用高精度中央波束测深结果构建边缘波束地形趋势,联合实测微地形,合成边缘波束地形,从机理上削弱了残余误差的综合影响。国内测深数据处理软件研制已打破了国外垄断,并开展了应用。

  为提高海底地形信息获取的分辨率和精度,满足海洋科学研究和工程应用需要,以AUV(antonomous underwater vehicle)、ROV(remotely operated vehicle)、深拖系统为平台,携载多波束测深系统、压力传感器、USBL等设备的潜基海底地形地貌测量系统已经面世,并在我国一些重点勘测水域和工程中得到了应用,并受到海事、水下考古、海洋调查等部门的高度重视。潜基海底地形地貌测量系统借助USBL、罗经、姿态传感器和压力传感器为平台提供绝对平面和垂直坐标,利用多波束获取海底地形,并将信息通过电缆传输到船载存储和处理单元,综合计算获得海底地形。潜基测量技术适用于深海地形测量。随着我国深海调查活动的深入,其应用必将越来越广泛。

  卫星遥感反演水深是借助可见光在水中传播和反射后的光谱变化,结合实测水深,构建反演模型,实现大面积水深反演,再结合遥感成像时刻水位反算得到海底地形。目前可用卫星主要有IRS、Ikonos、QuickBird、AVIRIS、Sentinel-2、Landsat、TM、SPOT等。卫星遥感反演水深具有经济、灵活等优点,但反演精度及范围需提高。

  反演水深的关键是构建不同波段或组合波段与水深间的反演模型,主要包括波段优选、波段组合及反演模型构建三部分。波段优选是借助主成分分析法或相关法提取与水深强相关波段的工作。波段组合是分析不同显著波段组合对反演水深精度的改善程度,进而确定最优组合波段的工作。反演模型构建是建立显著波段或组合波段与实测水深关系模型的工作,如线性模型、附加幂函数非线性修正的线性模型、基于底反射建立的单、双、三波段模型等。对于不同卫星和不同水域,最优波段选择、最佳波段组合及反演模型均存在差异。

  重力异常和海底地形在一定波段内存在高度相关,据此可反演大尺度海底地形。重力反演地形经历了从一维到二维线性滤波的发展,其核心是反演模型构建。

  反演模型构建经历了直接建模和修正建模过程,目前多采用修正建模。如利用ETOPO5模型、GMT海岸线数据、卫星测高重力异常和船测水深,一些学者建立了海底地形模型。采用垂直重力梯度异常可以反演得到独立于重力异常的海底地形模型。在不同海底模型假设基础上,如在椭圆形海山模型假设基础上,利用垂直重力梯度异常、采用非线性反演法对全球的海山分布进行了反演,结合高斯海山模型,通过分析地壳密度、岩石圈有效弹性厚度及截断波长对反演的影响,采用垂直重力梯度异常反演得到海底地形。

  借助重力地质法(gravity geologic method,GGM),利用大地水准面数据,在频域内采用二维反演技术,以迭代法处理海底地形和大地水准面的高次项问题,削弱岩石圈挠曲强度的误差影响,改善反演精度;采用快速模拟退火法,利用重力垂直梯度可反演海底地形。比较GGM、导纳法、SAS (Smith and Sandwell)法、垂直重力梯度异常法和最小二乘配置法,GGM和SAS法反演精度较高,GGM、垂直重力梯度异常法和最小二乘配置法适宜开展大面积海底地形反演。

  高分辨率海底地形在沉船打捞、油气勘探和环境监测等海洋工程和科学研究中发挥着重要作用。在浅水水域,高精度和高分辨率海底地形主要借助多波束获得,但在深水水域,其测深分辨率会随波束入射角和水深增大而显著降低。侧扫声呐通过深拖可获得20~100倍于测深分辨率的海底声呐图像,但缺少高程信息。基于侧扫声呐成像机理及光照理论,借助SFS(shape from shading)方法可实现基于声呐图像的海底高分辨率地形反演。SFS方法是基于声波在海床表面遵循的海底反射理论,通过构建回波强度与入射方向、地形梯度等因素之间的关系,对模型求解即可得到海床地形。SFS反演仅能得到相对形状,需借助外部测深数据或侧扫声呐测量中提取出的水深数据约束,才能实现绝对海底地形的恢复。

  海岸带地形是海底地形与岸上地形的连接部分,也是海洋测量中的一个难点和热点。传统海岸带地形测量多采用全站仪或RTK人工完成,但效率低、测量困难。近年来,机载LiDAR、航空摄影、水下近岸一体化测量等技术得到广泛应用。机载LiDAR可实现水下和干出地形一体化测量,但激光穿透能力和测量精度受海水浑浊度的影响较大。航空摄影测量在无植被的干出部分效果显著,但在芦苇或杂草覆盖的海岸带则受到限制。利用设备的非接触、面扫测特点,出现了集多波束、激光扫描仪、稳定平台、POS等于一体,安装在测量船或气垫船上的一体化测量系统,同步实现水深及岸边地形的测量。一体化测量系统在堤坝、码头等水域有较好的应用,但在一般浅滩地带则存在测量盲区。

  借助卫星遥感可以对海洋进行实时、全方位的立体监测,长期获得稳定可靠的海洋观测资料。目前可用的卫星遥感数据源有MODIS、MERIS、GOCI、Sentinel-2、Landsat 8、Landsat TM、SPOT、Hyperion、QuickBird、WorldView-2、Pleiades-1等。借助这些数据,可开展海岸带、植被、海洋生态监测及水深反演等方面的工作。

  岸线监测算法研究方面,采用边缘提取算子如Canny算子、Sobel算子或利用归一化水体指数、修复归一化水体指数法进行水陆分离,利用轮廓边界跟踪技术提取岸线;利用归一化水体指数确定岸线位置;根据海岸线的多源多时相影像特征和空间特征,与多种非遥感信息资料相结合,采用对照分析法,实现海岸线长度、位置、类型提取;根据岸线的时空和分形维数变化,可研究岸线的演变。植被监测算法研究方面,利用中等空间分辨率的单时相、多时相或融合的多光谱影像可研究海岸带植被覆盖度、分类、生物量、碳储量、净初级生产力等。水色监测算法研究方面,通过获取海面上行的离水辐亮度,经大气校正和水色反演,可得到水体中浮游植物的色素浓度、悬浮颗粒浓度等信息;水色反演已从单一的叶绿素浓度扩展到透明度、悬浮泥沙浓度、黄色物质浓度等参数;水色反演算法的区域性特征明显,基于大量现场数据同步采集的基础上,不断优化现有算法是未来研究的方向。

  机载遥感测量主要借助机载可见光相机、可见光摄像机、红外相机、高光谱成像仪、LiDAR、SAR(synthetic aperture radar)、合成孔径雷达等开展海岸带地形测量,岸线、植被、水色等监测,采用技术与卫星遥感近似。机载激光雷达测深系统ALB(airborne LiDAR bathymetry)是一种即可用于地形测量又可用于环境监测的技术,近年来,无论在系统还是应用研究等方面,均取得了长足发展。

  ALB系统主要由激光扫描仪、POS、高度计等组成。按照设计测线,飞行过程中快速扫描实现海底地形全覆盖测量。以飞机平台为基准,ALB分别借助红、绿激光获得海面和海底高,测量中同步采集飞机位置、姿态和航向,飞机位置借助GNSS RTK、PPK、PPP获得,姿态和航向借助POS获得。此外,联合外部获得的海水浑浊度及部分船基实测海底地形,构建修正模型,提高ALB测量精度。

  目前,ALB数据处理软件多为各公司研制的随机软件,国内尚无相应的软件系统。ALB数据处理研究进展主要表现在如下几个方面:①ALB测深理论[2]。激光测深能力与水体散射系数和衰减系数比值强相关,借助唯像理论可建立激光测量的唯像雷达方程;激光束虽具有一定发射角,但其传输规律仍可用准直光束传输特性来描述,据此可建立准直光束在海水中传输的唯像理论模型;影响水底回波振幅的因素主要有水底反射率和脉冲展宽,基于激光辐射传输模型可对水底回波振幅进行校正。②归位计算。根据GNSS提供的激光扫描仪三维绝对坐标,结合飞机姿态、激光扫描模式及扫描角、往返测量时间,可归算海面点的三维坐标;根据红、绿激光测量时差、海水折射率、波束扫描角,归算绿激光海底圆斑的三维坐标。③波形识别。波形识别是检测激光回波、获取水面和海底波束传播时间,进而计算深度的关键。目前采用的技术主要有:为抑制白天强背景噪声,更精确地提取激光回波信号,对回波信号首先开展高通滤波滤除低频信号,再识别两种高频脉冲;利用回波信号的上升时间及振幅等特征,采用半波峰法识别海表和海底回波信号,进而估算水深;采用窄脉冲、高速探测器、小接收视场、窄带干涉滤光片和正交偏振方式接收,改善浅水海表和海底反射信号叠加;采用双高斯脉冲拟合,从极浅海水回波中分离海表和海底脉冲,实现水深提取。④浑浊度反演。海水浑浊度会引起激光能量衰减,影响激光回波波形;反之,根据激光水体回波特征可估计海水浑浊度。提取ALB原始波形数据后,分析激光水体后向散射波形,估计有效衰减系数,进而反演海水浑浊度。⑤绿激光高度修正及单一绿激光测量。受海表渗透深度影响,绿激光海表测量存在不可靠性。利用红、绿激光测量结果分析绿激光水表渗透深度空间变化,利用统计法对绿激光海表高程进行修正,提高绿激光海表测量的精度。采用逐步回归法建立关于泥沙含量、波束扫描角和传感器高度的绿激光水表渗透深度模型,推导绿激光高度修正模型,据此对绿激光海表和海底高程进行修正,实现基于单一绿激光的高精度海底地形测量。⑥深度偏差修正。几何发散和多次散射使绿激光底回波产生脉冲展宽效应,引起波峰位移,导致测深产生偏差。深度偏差主要与ALB系统测量参数(波束扫描角、传感器高度)和海水水文参数(水深、浑浊度)有关。采用逐步回归法建立关于水深、波束扫描角、传感器高度和海水浑浊度的深度偏差模型,据此对ALB进行深度修正,实现ALB高精度水深测量。

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