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咨詢熱線:17736920826海洋測繪助力人類更好地認知海洋經略海洋
本站 2022-11-30 15:43:14
凌晨四點的華東師大，我們正趕一趟飛往青島的航班。碧海藍天的青島，是傳說中秦始皇五巡天下、三登瑯琊之地，也是中國最早的一次涉洋遠航的出發港，既傳承著厚重的歷史，又汲取著“五四”運動帶來的進步思想。在中國海洋大學魚山校區，來自全國各地的海洋測繪專家濟濟一堂，開啟一場海洋測繪知識傳承的盛宴，我們有幸參加了這次海洋地形測量技術培訓班。
昆侖山脈、安第斯山脈、東非大裂谷、喜馬拉雅，這些陸地上峻峭高聳的巍巍山脈，比起橫亙大洋深處、寬達數千公里綿延數萬公里、貫穿四大洋的中央海嶺而言，仍然稍顯遜色。海洋測繪讓我們認識了比8848.86米還要深的馬里亞納海溝的斐查茲海淵，可以用來展示全球寶貴的灘涂資源，也可以幫助我們科學地管理大河三角洲的繁榮海岸。
測繪科學在關于三皇五帝的文物史籍中就有“伏羲持矩，女媧執規”的圖文記載，秦漢時期測量天體坐標的渾天儀，體現了中國古代天文觀測前所未有的高水平。古老的埃及金字塔，每一座都有標準的幾何尺寸，說明那時人們對長度和角度都有比較精準的測量手段。希臘科學家亞里士多德在《論天》一書中明確提出地球的形狀是圓的，他通過在不同位置觀測北極星推算出了地球大圓的周長。春秋戰國時期的司南、魏晉時期酈道元的《水經注》、宋元時代的量天尺、鄭和下西洋的過洋牽星術、阿拉伯人的拉線板、歐洲水手的直角象限儀、航海星盤等等都見證著測繪科學的發展。
海洋測繪作為測繪科學的一個分支，是海洋科學研究、軍事、經濟及開發利用活動的基礎，近年來也有著重大的科技變革。海底地形測量是海洋測繪最為核心、最具特色的信息獲取技術，其內容主要包括定位測量、水深測量、水位控制這三個部分。
定位測量是指測深過程中對載體瞬時位置的確定�？v觀人類航海史，船一旦遠離陸地失去參照物，茫茫大海中就無法給自身一個定位。要想在浩瀚汪洋中行駛，人類就把希望寄托于具有客觀規律的日月星辰。明代鄭和下西洋使用的方法稱為“過洋牽星術”，以“星斗高低，度量遠近”，利用多個星斗的相對位置，合力測繪出精確的方位。18世紀英國人發明的六分儀，可以用來測量遠方兩個目標之間夾角。通常用它測量某一時刻太陽或其他天體與海平線或地平線的夾角﹐以便迅速得知海船或飛機所在位置的經緯度。20世紀40年代，無線電定位法開始發展，其通過直接或間接測定無線電信號在已知位置的固定點與船之間傳播過程中的時間、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，進而用位置線確定船位。20世紀70年代開始，光電測距儀陸續投入使用，出現了測距經緯儀極坐標法定位，這是一種采用架設于已知點以另一控制點作為參照點對未知點進行測角、測距來確定點位的方法。同時水下聲學定位技術也為水深測量提供了基礎，主要包括超短基線、短基線、長基線和組合定位系統。
進入21世紀以來，定位導航的發展伴隨科學的進步，已經有了質的變化。全球衛星導航系統（Global NavigationSatellite System, GNSS）可以為海陸空用戶提供全天時、全天候的三維位置、速度和時間信息。GNSS主要由美國的全球定位系統(GlobalPositioning System, GPS)、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）衛星導航系統、歐盟的伽利略（Galileo）衛星導航系統和中國的北斗衛星導航系統（BeiDou NavigationSatellite System，BDS）組成。衛星導航系統由空間段、地面段和用戶端三部分構成。主要有差分GPS定位（RTK）、運行參考站定位（CORS）、精密單點定位等技術（PPP）。
水深測量早期的手段主要是測深桿、測深繩、測深錘。目前在一些常規儀器難以觀測的特殊區域，仍然偶爾會采用測深繩-測深桿進行測深，多適用于淺水和流速不大的區域。
水深的獲取，除了直接測量以外，還可用遙感、重力反演等方式，但其精度目前還無法達到相關規范要求。因為光波、電磁波在水中衰減很快，只有聲波測距是水下測距最有效的方式，水下測距通常采用信號單程旅行時間乘以信號傳播速度來計算得到。測深方式有兩種：一種是計算垂直距離，即水深；另一種是通過斜距和入射角來計算水深，從而衍生出兩類聲學設備：單波束測深儀和多波束測深儀。
單波束測深屬于“線”狀測量。當測量船在水上航行時，船上的測深儀可測得一條連續的剖面線。單波束測深的基本原理：通過垂直向下發射單一波束的聲波，并接收自水底返回的聲波，利用收發時間差根據已知的聲速，確定深度。所謂單一波束的聲波，是指聲波的能量聚集在一定的波束寬度范圍內，聲波波陣面上任一點接觸目標物發射后被接收單元接收，不顧及在波束范圍內回波點的位置差異，聲波傳播滿足射線聲學的特性。該原理簡單地描述為回聲測深原理，所依據的過程為時深轉換。根據頻段個數，單波束測深儀分為：單頻和雙頻測深儀。單頻測深儀僅發射一個頻段的信號，儀器輕便；而雙頻測深儀可發射高頻、低頻信號的兩種信號，利用其特點可測量出水面至水底表面與硬地層面的距離差，從而獲得水底淤泥層的厚度。
多波束測深屬于“面”狀測量。它能一次給出與航跡線相垂直的平面內成百上千個測深點的水深值，所以它能準確、高效地測量出沿航跡線一定寬度(3~12倍水深)內水下目標的形態。多波束測深系統又稱為條帶測深儀，工作時發射換能器以一定的頻率發射沿測船航向開角窄、沿垂直航向開角寬的波束。對應每個發射波束，由接收換能器獲得多個接收波束。通過將發射波束和若干接收波束先后疊加，即可獲得垂直航向上成百上千個窄波束。利用每個窄波束的波束入射角與旅行時可計算出測點的位置和水深，隨著測船的行進，即可得到一條具有一定寬度的水深條帶。相對于單波束而言，多波束技術是水下地形測量的一次技術飛躍，既提高了效率，又實現了條帶全覆蓋測量。
此外，機載激光測深系統（Light Laser Detection andRanging）也可用于水下地形測量，具有低成本、高效率的特點。機載LiDAR測深技術是一種主動式遙測技術，利用光在海水中的傳播特性。研究表明，波長為520~535nm的藍綠光被稱為“海洋光學窗口”，海水對此波段的光吸收最弱。雙色激光機載LiDAR測深發展較早，其利用裝在飛機下部的激光發射器經掃描反射鏡向海面以掃描測量的方式發射激光脈沖，激光脈沖以一定角度傾斜向海面入射，激光束分為波長為1064nm紅外光和波長為532nm的藍綠光。以紅外光與藍綠光共線掃描為例，紅外光與藍綠激光向下發射，到達海面后，紅外激光因無法穿透水面而被海面反射，且沿入射路徑返回，被光學接收系統所接收；藍綠激光以一定的折射角度穿透海面而到達海底，并被海底反射沿著入射路徑返回，亦被光學接收子系統接收。光電檢測子系統測得紅外激光和藍綠色激光返回的時間，結合藍綠激光的入射角度、海水折射率等因素進行綜合計算，即可獲得測量點的瞬時水深值。機載LiDAR雖然在大面積測量中效率高，但其水下作用距離有限，受水質的影響嚴重，因此在目前的水下地形測量中仍需進一步發展。
在水下地形測量中，測量的水深是瞬時海面至海底的距離。水位在潮汐、波浪等作用下時刻在變化，必須在瞬時水深值中去除水位的變化，得到穩態的水深，成果才能得到進一步應用。水位控制就是通過在測區周圍布設合適的水位站，采用滿足精度要求的技術手段來觀測水位的變化(沿海稱為驗潮)，采用合適的水位改正模型計算每個點測深瞬間的水位值。
海底地形測量技術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，在與國民經濟息息相關的近岸海域，緊密結合海岸和近海工程，為海岸工程的順利實施提供基礎信息。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構建方法以及在不同領域的應用也成為研究的熱點。伴隨科學技術的發展，海底地形測量的研究方向將會從宏觀向微觀、從地貌形態特征向地貌發育演化過程轉變。以海底地形地貌的精細測繪為目標，突出其基礎性測繪工作特征，開展相關技術標準的制定和技術方法創新，將人類活動與地貌過程的響應關系作為海底地形測量今后的研究重點和發展方向。
海洋測繪讓我們感受到了海底地形的波瀾壯闊，同時也可以讓我們更合理地開發利用資源。對于不同等級的航道，進行多波束水深測量、淺地層剖面測量、側掃聲納掃海測量可以確保船只通航安全。對于碼頭水深測量可以研究海底淤積對碼頭前沿水深的影響，確保碼頭的運行安全。對錨地除進行水深測量外，還要進行淺地層剖面測量和側掃聲納掃海測量，以確保錨地區域底質符合錨抓力條件，無巖礁出露；對于復雜的海底地質環境，還應該進行海洋磁力測量，來確保船只拋錨的絕對安全。海底管線鋪設更離不開海洋測繪，輸油管線、光纜電纜等都需要對水下環境了如指掌。強國亦需強海洋，國之重器航母停在哪個位置？潛艇從哪里進入深海大洋？只有掌握了精準的海洋水深數據，才可以有效規避敵方打擊區域，指揮員才能更快地布置戰術。
我們應該通過海洋測繪技術更好的認識這遠大于人類生活的陸地、生物多樣性遠超于陸地、占地球表面積71%的海洋。最近中國海洋地質學泰斗汪品先院士進駐抖音，他之前有一項壯舉是以80多歲高齡還乘蛟龍號深潛洋底。為什么？海洋學家經常說，我們對海洋的認識甚至不及月球或火星，因為95%的海洋對人類來說仍是空白。所以，海洋科學在“觀察”這個科研的起點方面，仍然有非常巨大的空白，以致于汪院士對于未知地域（深淵、洋底）的觀察都充滿了期待和好奇。當然，換個角度來看，海洋科學必然落后于絕大多數基于陸地研究的科學，仍然是比較“年輕”的科學。海洋科學空白很多，因而大有可為。雖然，對空白區進行觀察、描述、解釋的工作，在學科史上回望之時不會有太重要的地位；不過，人類知識的進化，不正是由空白點的突破換來的驚奇和興奮所串接的嗎？
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