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咨询热线:17736920826海洋测绘助力人类更好地认知海洋经略海洋
本站 2022/11/30 15:43:14
凌晨四点的华东师大，我们正赶一趟飞往青岛的航班。碧海蓝天的青岛，是传说中秦始皇五巡天下、三登琅琊之地，也是中国最早的一次涉洋远航的出发港，既传承着厚重的历史，又汲取着“五四”运动带来的进步思想。在中国海洋大学鱼山校区，来自全国各地的海洋测绘专家济济一堂，开启一场海洋测绘知识传承的盛宴，我们有幸参加了这次海洋地形测量技术培训班。
昆仑山脉、安第斯山脉、东非大裂谷、喜马拉雅，这些陆地上峻峭高耸的巍巍山脉，比起横亘大洋深处、宽达数千公里绵延数万公里、贯穿四大洋的中央海岭而言，仍然稍显逊色。海洋测绘让我们认识了比8848.86米还要深的马里亚纳海沟的斐查兹海渊，可以用来展示全球宝贵的滩涂资源，也可以帮助我们科学地管理大河三角洲的繁荣海岸。
测绘科学在关于三皇五帝的文物史籍中就有“伏羲持矩，女娲执规”的图文记载，秦汉时期测量天体坐标的浑天仪，体现了中国古代天文观测前所未有的高水平。古老的埃及金字塔，每一座都有标准的几何尺寸，说明那时人们对长度和角度都有比较精准的测量手段。希腊科学家亚里士多德在《论天》一书中明确提出地球的形状是圆的，他通过在不同位置观测北极星推算出了地球大圆的周长。春秋战国时期的司南、魏晋时期郦道元的《水经注》、宋元时代的量天尺、郑和下西洋的过洋牵星术、阿拉伯人的拉线板、欧洲水手的直角象限仪、航海星盘等等都见证着测绘科学的发展。
海洋测绘作为测绘科学的一个分支，是海洋科学研究、军事、经济及开发利用活动的基础，近年来也有着重大的科技变革。海底地形测量是海洋测绘最为核心、最具特色的信息获取技术，其内容主要包括定位测量、水深测量、水位控制这三个部分。
定位测量是指测深过程中对载体瞬时位置的确定。纵观人类航海史，船一旦远离陆地失去参照物，茫茫大海中就无法给自身一个定位。要想在浩瀚汪洋中行驶，人类就把希望寄托于具有客观规律的日月星辰。明代郑和下西洋使用的方法称为“过洋牵星术”，以“星斗高低，度量远近”，利用多个星斗的相对位置，合力测绘出精确的方位。18世纪英国人发明的六分仪，可以用来测量远方两个目标之间夹角。通常用它测量某一时刻太阳或其他天体与海平线或地平线的夹角?以便迅速得知海船或飞机所在位置的经纬度。20世纪40年代，无线电定位法开始发展，其通过直接或间接测定无线电信号在已知位置的固定点与船之间传播过程中的时间、相位差、振幅或频率的变化，确定距离、距离差、方位等定位参数，进而用位置线确定船位。20世纪70年代开始，光电测距仪陆续投入使用，出现了测距经纬仪极坐标法定位，这是一种采用架设于已知点以另一控制点作为参照点对未知点进行测角、测距来确定点位的方法。同时水下声学定位技术也为水深测量提供了基础，主要包括超短基线、短基线、长基线和组合定位系统。
进入21世纪以来，定位导航的发展伴随科学的进步，已经有了质的变化。全球卫星导航系统（Global NavigationSatellite System, GNSS）可以为海陆空用户提供全天时、全天候的三维位置、速度和时间信息。GNSS主要由美国的全球定位系统(GlobalPositioning System, GPS)、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星导航系统、欧盟的伽利略（Galileo）卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统（BeiDou NavigationSatellite System，BDS）组成。卫星导航系统由空间段、地面段和用户端三部分构成。主要有差分GPS定位（RTK）、运行参考站定位（CORS）、精密单点定位等技术（PPP）。
水深测量早期的手段主要是测深杆、测深绳、测深锤。目前在一些常规仪器难以观测的特殊区域，仍然偶尔会采用测深绳-测深杆进行测深，多适用于浅水和流速不大的区域。
水深的获取，除了直接测量以外，还可用遥感、重力反演等方式，但其精度目前还无法达到相关规范要求。因为光波、电磁波在水中衰减很快，只有声波测距是水下测距最有效的方式，水下测距通常采用信号单程旅行时间乘以信号传播速度来计算得到。测深方式有两种：一种是计算垂直距离，即水深；另一种是通过斜距和入射角来计算水深，从而衍生出两类声学设备：单波束测深仪和多波束测深仪。
单波束测深属于“线”状测量。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的剖面线。单波束测深的基本原理：通过垂直向下发射单一波束的声波，并接收自水底返回的声波，利用收发时间差根据已知的声速，确定深度。所谓单一波束的声波，是指声波的能量聚集在一定的波束宽度范围内，声波波阵面上任一点接触目标物发射后被接收单元接收，不顾及在波束范围内回波点的位置差异，声波传播满足射线声学的特性。该原理简单地描述为回声测深原理，所依据的过程为时深转换。根据频段个数，单波束测深仪分为：单频和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频段的信号，仪器轻便；而双频测深仪可发射高频、低频信号的两种信号，利用其特点可测量出水面至水底表面与硬地层面的距离差，从而获得水底淤泥层的厚度。
多波束测深属于“面”状测量。它能一次给出与航迹线相垂直的平面内成百上千个测深点的水深值，所以它能准确、高效地测量出沿航迹线一定宽度(3~12倍水深)内水下目标的形态。多波束测深系统又称为条带测深仪，工作时发射换能器以一定的频率发射沿测船航向开角窄、沿垂直航向开角宽的波束。对应每个发射波束，由接收换能器获得多个接收波束。通过将发射波束和若干接收波束先后叠加，即可获得垂直航向上成百上千个窄波束。利用每个窄波束的波束入射角与旅行时可计算出测点的位置和水深，随着测船的行进，即可得到一条具有一定宽度的水深条带。相对于单波束而言，多波束技术是水下地形测量的一次技术飞跃，既提高了效率，又实现了条带全覆盖测量。
此外，机载激光测深系统（Light Laser Detection andRanging）也可用于水下地形测量，具有低成本、高效率的特点。机载LiDAR测深技术是一种主动式遥测技术，利用光在海水中的传播特性。研究表明，波长为520~535nm的蓝绿光被称为“海洋光学窗口”，海水对此波段的光吸收最弱。双色激光机载LiDAR测深发展较早，其利用装在飞机下部的激光发射器经扫描反射镜向海面以扫描测量的方式发射激光脉冲，激光脉冲以一定角度倾斜向海面入射，激光束分为波长为1064nm红外光和波长为532nm的蓝绿光。以红外光与蓝绿光共线扫描为例，红外光与蓝绿激光向下发射，到达海面后，红外激光因无法穿透水面而被海面反射，且沿入射路径返回，被光学接收系统所接收；蓝绿激光以一定的折射角度穿透海面而到达海底，并被海底反射沿着入射路径返回，亦被光学接收子系统接收。光电检测子系统测得红外激光和蓝绿色激光返回的时间，结合蓝绿激光的入射角度、海水折射率等因素进行综合计算，即可获得测量点的瞬时水深值。机载LiDAR虽然在大面积测量中效率高，但其水下作用距离有限，受水质的影响严重，因此在目前的水下地形测量中仍需进一步发展。
在水下地形测量中，测量的水深是瞬时海面至海底的距离。水位在潮汐、波浪等作用下时刻在变化，必须在瞬时水深值中去除水位的变化，得到稳态的水深，成果才能得到进一步应用。水位控制就是通过在测区周围布设合适的水位站，采用满足精度要求的技术手段来观测水位的变化(沿海称为验潮)，采用合适的水位改正模型计算每个点测深瞬间的水位值。
海底地形测量技术一直以服务于海图编绘为主要目的，并为经济建设、国防建设和海洋权益维护提供基础数据，在与国民经济息息相关的近岸海域，紧密结合海岸和近海工程，为海岸工程的顺利实施提供基础信息。近年来，海底DEM的构建成为多波束测深数据的一个重要应用方向，与之相关的数据融合处理、不确定度评定、DEM构建方法以及在不同领域的应用也成为研究的热点。伴随科学技术的发展，海底地形测量的研究方向将会从宏观向微观、从地貌形态特征向地貌发育演化过程转变。以海底地形地貌的精细测绘为目标，突出其基础性测绘工作特征，开展相关技术标准的制定和技术方法创新，将人类活动与地貌过程的响应关系作为海底地形测量今后的研究重点和发展方向。
海洋测绘让我们感受到了海底地形的波澜壮阔，同时也可以让我们更合理地开发利用资源。对于不同等级的航道，进行多波束水深测量、浅地层剖面测量、侧扫声纳扫海测量可以确保船只通航安全。对于码头水深测量可以研究海底淤积对码头前沿水深的影响，确保码头的运行安全。对锚地除进行水深测量外，还要进行浅地层剖面测量和侧扫声纳扫海测量，以确保锚地区域底质符合锚抓力条件，无岩礁出露；对于复杂的海底地质环境，还应该进行海洋磁力测量，来确保船只抛锚的绝对安全。海底管线铺设更离不开海洋测绘，输油管线、光缆电缆等都需要对水下环境了如指掌。强国亦需强海洋，国之重器航母停在哪个位置？潜艇从哪里进入深海大洋？只有掌握了精准的海洋水深数据，才可以有效规避敌方打击区域，指挥员才能更快地布置战术。
我们应该通过海洋测绘技术更好的认识这远大于人类生活的陆地、生物多样性远超于陆地、占地球表面积71%的海洋。最近中国海洋地质学泰斗汪品先院士进驻抖音，他之前有一项壮举是以80多岁高龄还乘蛟龙号深潜洋底。为什么？海洋学家经常说，我们对海洋的认识甚至不及月球或火星，因为95%的海洋对人类来说仍是空白。所以，海洋科学在“观察”这个科研的起点方面，仍然有非常巨大的空白，以致于汪院士对于未知地域（深渊、洋底）的观察都充满了期待和好奇。当然，换个角度来看，海洋科学必然落后于绝大多数基于陆地研究的科学，仍然是比较“年轻”的科学。海洋科学空白很多，因而大有可为。虽然，对空白区进行观察、描述、解释的工作，在学科史上回望之时不会有太重要的地位；不过，人类知识的进化，不正是由空白点的突破换来的惊奇和兴奋所串接的吗？
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