第六章-海洋測(cè)繪(1)

第六章海洋測(cè)繪海洋科學(xué)學(xué)院海洋信息工程系沈蔚博shen@空間測(cè)量與制圖4209903§6.1概述海洋面積占地球總面積的70%，是人類(lèi)生命的搖籃、現(xiàn)代社會(huì)的交通要道，也是地球上的資源寶庫(kù)。隨著人口的增加，環(huán)境的惡化，陸上資源的逐漸枯竭，今天，海洋已成為人類(lèi)生存和發(fā)展的重要空間。由于海洋的重要戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)地位，瀕海國(guó)家間爭(zhēng)奪海洋勢(shì)力范圍的斗爭(zhēng)日趨尖銳，各海洋大國(guó)相繼提出了海洋研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并投入了大量的資金發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)，海洋事業(yè)出現(xiàn)了前所未有的繁榮景象。

6.1.1海洋測(cè)繪概述我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)。在東、南面有長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)公里的海岸線(xiàn)，與之相鄰有渤海、黃海、東海和南海，為西北太平洋陸緣海。按照聯(lián)合國(guó)《海洋法公約》，我國(guó)轄屬的內(nèi)水、鄰海、大陸架、專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的面積約為300多萬(wàn)平方公里，島嶼6500個(gè)，還擁有許多優(yōu)良的港灣。因此，海洋開(kāi)發(fā)和利用對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有戰(zhàn)略性意義

。6.1.1海洋測(cè)繪概述

一切海洋經(jīng)濟(jì)、軍事或科研活動(dòng)（如海上交通、海洋地質(zhì)調(diào)查和資源開(kāi)發(fā)，海洋工程建設(shè)、海洋疆界勘定、海洋環(huán)境保護(hù)、海底地殼和板塊運(yùn)動(dòng)研究等），均需要海洋測(cè)繪為其提供不同種類(lèi)的海洋地理信息要素、數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)圖像。海洋測(cè)繪是一切海洋活動(dòng)的前提和基礎(chǔ)。6.1.1海洋測(cè)繪概述

海洋測(cè)繪與陸地測(cè)繪中相關(guān)的理論和方法具有密切的聯(lián)系，但又有其獨(dú)特的一面；

現(xiàn)代海洋測(cè)繪技術(shù)是建立在海洋物理知識(shí)基礎(chǔ)上的多學(xué)科的綜合；

海洋測(cè)量環(huán)境相對(duì)陸地復(fù)雜，測(cè)量手段也比較獨(dú)特；

現(xiàn)代海洋測(cè)繪已發(fā)展為潛載、船載、機(jī)載和星載測(cè)繪技術(shù)于一體的、多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。6.1.2海洋測(cè)繪的特點(diǎn)§6.2海洋測(cè)繪內(nèi)容

海洋測(cè)量包括：

海洋大地測(cè)量水深測(cè)量海洋定位海底地形地貌測(cè)量海洋工程測(cè)量海洋重力測(cè)量海洋磁力測(cè)量海洋水文測(cè)量

海洋信息管理包括：

海洋地理信息的管理、分析、處理、應(yīng)用以至數(shù)字海洋。海洋測(cè)繪包括海洋測(cè)量、各種海圖的編繪及海洋信息的綜合管理和利用。

海圖繪制包括：

各種海圖、海圖集、海洋資料的編制和出版；§6.2.1海洋大地測(cè)量建立海洋控制網(wǎng)，為水面、水體、水底定位提供控制點(diǎn)服務(wù)。海洋控制測(cè)量主要包括：

海上控制網(wǎng)的布設(shè)和施測(cè)。海上控制網(wǎng)包括：海岸、島—陸、島—島控制網(wǎng)。

海底控制網(wǎng)的布設(shè)和施測(cè)海上控制網(wǎng)的布設(shè)與測(cè)量海岸控制網(wǎng)主要包括島嶼與島嶼、島嶼與陸地間控制網(wǎng)，這些控制網(wǎng)的布設(shè)與陸地基本相同，但選點(diǎn)時(shí)，需要考慮海洋測(cè)繪的具體要求。海岸—島礁、島嶼—島嶼GPS控制網(wǎng)的布設(shè)，可方便的將陸地平面基準(zhǔn)及坐標(biāo)引入遠(yuǎn)離陸地的島嶼。目前，海岸控制網(wǎng)的施測(cè)主要采用GPS來(lái)實(shí)現(xiàn)。海底控制網(wǎng)的布設(shè)主要采用三角形和正方形圖形結(jié)構(gòu)。海底控制網(wǎng)

海底控制網(wǎng)的控制點(diǎn)為海底中心標(biāo)石。聲波在海水中具有很好的傳播特性，因而，觀測(cè)目標(biāo)的照準(zhǔn)標(biāo)志通常采用水聲照準(zhǔn)標(biāo)志（如水聽(tīng)器或應(yīng)答器），而觀測(cè)手段采用聲學(xué)測(cè)距技術(shù)。負(fù)荷聲標(biāo)錨浮標(biāo)水聽(tīng)器應(yīng)答器水下控制網(wǎng)測(cè)量測(cè)次k測(cè)次k+1測(cè)次k+2不同測(cè)次測(cè)量QjQj+1Qj+2利用GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲得浮標(biāo)或者船體的平面位置，依目前的定位技術(shù)，采用非差單點(diǎn)定位，可獲得分米甚至厘米級(jí)的平面定位精度。三角錐測(cè)量是聲學(xué)測(cè)量，利用超短基線(xiàn)或長(zhǎng)程超短基線(xiàn)確定各個(gè)水聽(tīng)器之間的距離，進(jìn)而獲得水底水聽(tīng)器的位置。測(cè)量和計(jì)算思想仍為傳統(tǒng)的邊交會(huì)。海底控制網(wǎng)測(cè)量和計(jì)算思想：水深測(cè)量經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：

測(cè)繩重錘測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）

單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）

雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）

多波束測(cè)深（面測(cè)量）

機(jī)載激光測(cè)深（面測(cè)量）§6.2.2水深測(cè)量（1）測(cè)繩重錘測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）5m10m15m20m重錘海底安裝在測(cè)量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速c在水中傳播到水底，經(jīng)反射返回，被接收換能器所接收，若往返傳播時(shí)間為△t。則水深H為：（2）單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）

（3）雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）換能器垂直向水下發(fā)射高、低頻聲脈沖，由于低頻聲脈沖具有較強(qiáng)的穿透能力，因而可以打到硬質(zhì)層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個(gè)脈沖所得深度之差便是淤泥厚度Δh

。

Hhf

Hhf

ΔH

（4）多波束測(cè)深（面測(cè)量）多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能一次給出與航線(xiàn)相垂直的平面內(nèi)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度。它能夠精確地、快速地測(cè)定沿航線(xiàn)一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀、最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，從而較可靠地描繪出水下地形的精細(xì)特征，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了海底地形的面測(cè)量

多波束測(cè)深系統(tǒng)主要由發(fā)射器基陣、發(fā)射子系統(tǒng)，信號(hào)接收系統(tǒng)及聲納處理系統(tǒng)，圖形處理及顯示子系統(tǒng)，后處理工作站等組成。多波束測(cè)深儀的換能器基陣精密安裝在船底或拖曳在船尾。因?yàn)槠錅y(cè)深的聲線(xiàn)是斜距，聲速剖面的精確性和船航行時(shí)的搖擺、升降對(duì)觀測(cè)精度影響特別大。因此多波束測(cè)深儀要配置姿態(tài)傳感器或涌浪濾波補(bǔ)償儀及聲速剖面儀。

姿態(tài)傳感器能測(cè)出橫滾、俯仰、偏航參數(shù)，采用這些參數(shù)對(duì)水深值和位置進(jìn)行改正，涌浪濾波補(bǔ)償儀能對(duì)因波浪運(yùn)動(dòng)而引起的誤差源進(jìn)行校正補(bǔ)償，輸出數(shù)據(jù)包括：涌浪、未校正深度、校正后深度和可選擇的橫擺、縱擺數(shù)據(jù)。聲速剖面儀能測(cè)出海水沿垂直方向的分層聲速，進(jìn)而可對(duì)聲線(xiàn)彎曲進(jìn)行改正。

以獲得波束腳印的船體坐標(biāo)。設(shè)換能器在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x0

,y0

,z0)，則波束腳印的船體坐標(biāo)(x，z)為：

?

=

D

+

=

N

i

i

i

i

t

C

x

x

1

0

sin

q

?

=

D

+

=

N

i

i

i

i

t

C

z

z

1

0

cos

q

激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射兩種波段的激光，一種為紅光，波長(zhǎng)為1064nm，另一種為綠光，波長(zhǎng)為523nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達(dá)海底后被反射回來(lái)。這樣，兩束光被接收的時(shí)間差等于激光從海面到海底傳播時(shí)間的兩倍，由此可算得海面到海底的深度。（5）機(jī)載激光測(cè)深（面測(cè)量）

激光測(cè)深系統(tǒng)目前測(cè)深能力一般在50m左右。測(cè)深精度在0.3m左右。機(jī)載激光測(cè)深具有速度快、覆蓋率高

、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。有廣闊的應(yīng)用前景

。

缺陷是對(duì)水質(zhì)的要求比較高，一般適合于近岸海域。按照定位的對(duì)象，海洋定位可分為：

海面定位

水下定位6.2.3海洋定位（1）海面定位 海面定位目前可采用如下定位方式：天文定位陸基無(wú)線(xiàn)電定位GPS及其他衛(wèi)星定位局域差分GPS：

RTK、偽距差分、相位平滑偽距廣域差分GPS：

WASGPS非差PPP定位2）水下定位

水聲定位系統(tǒng)測(cè)定聲波在海水中傳播的時(shí)間及相位變化，計(jì)算出水下聲標(biāo)到載體的距離或距離差，從而解算出載體的位置。按照定位距離的長(zhǎng)短可分為：

長(zhǎng)基線(xiàn)定位；短基線(xiàn)定位；超短基線(xiàn)定位長(zhǎng)基線(xiàn)定位：

數(shù)據(jù)處理器

距離接收器

編碼器

/

放大器

繪圖儀

終端

雙道器

帶機(jī)

換能器

長(zhǎng)基線(xiàn)定位原理是船底換能器發(fā)射詢(xún)問(wèn)信號(hào)，同時(shí)接收布設(shè)在水下的3個(gè)以上相距較遠(yuǎn)的聲標(biāo)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，進(jìn)而計(jì)算出船位。如測(cè)4條以上聲距，用間接平差可求出船位坐標(biāo)（xu，yu，zu），其中zu為水深。

T2

T3

T4

換能器

如只觀測(cè)了3條聲距，換能器深度zu已知，可列出三個(gè)方程，從而解出平面坐標(biāo)xu，yu。長(zhǎng)基線(xiàn)法定位的精度取決于測(cè)距的精度和定位的幾何圖形，目前精度一般為5～20m。T1

短基線(xiàn)定位：

短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的船上設(shè)備除控制、顯示設(shè)備外，還在船底安置一個(gè)水聽(tīng)器基陣和一個(gè)換能器，在水下部份僅需一個(gè)水聲應(yīng)聲器，其工作原理是測(cè)定聲脈沖到不同水聽(tīng)器之間的時(shí)差或相位差，從而計(jì)算出船位。

換能器基線(xiàn)水聽(tīng)器

水聲應(yīng)聲器

Δt23

Δt13

超短基線(xiàn)定位：

超短基線(xiàn)系統(tǒng)與短基線(xiàn)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于，船底的水聽(tīng)器陣以彼此很短的距離（小于半個(gè)波長(zhǎng)，僅幾厘米）按直角等邊三角形布設(shè)，裝在一個(gè)很小的殼體內(nèi) 測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測(cè)量在海域的延伸。按測(cè)量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形測(cè)量。 特點(diǎn)是測(cè)量?jī)?nèi)容多，精度要求高，顯示海底地物、地貌詳細(xì)。測(cè)量?jī)?nèi)容包括海底地貌、各種水下工程建筑、底質(zhì)、沉層厚度、沉船等人為障礙物、海洋生物分布區(qū)界和水文要素等。通常對(duì)海域進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，確保測(cè)圖比例尺所能顯示的各種地物和地貌，是為從事各種海上活動(dòng)提供重要資料的海洋基本測(cè)量。§6.2.4海底地形地貌測(cè)量

水下地形測(cè)量是利用聲納技術(shù)、激光技術(shù)和攝影技術(shù)，獲得海底的地形特征?，F(xiàn)有的主要手段有：（1）船載聲納設(shè)備水下地形測(cè)量（船載）（2）機(jī)載激光水深測(cè)量（機(jī)載）（3）水下機(jī)器人測(cè)量（潛載）（4）側(cè)掃聲納（5）遙感反演海底地形（星載）無(wú)論采用何種手段，海底地形測(cè)量通常需要如下幾個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，進(jìn)行海岸或海底平面、高程控制測(cè)量。其次，野外探測(cè)/掃測(cè)海底地物、地貌及其相關(guān)信息，并采集潮位等輔助測(cè)量信息。該步處理獲得載體坐標(biāo)系下的相對(duì)地形地貌、瞬時(shí)基準(zhǔn)和反映瞬時(shí)基準(zhǔn)與固有平面和垂直基準(zhǔn)間關(guān)系的參數(shù)等。 最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即對(duì)瞬時(shí)測(cè)量信息進(jìn)行質(zhì)量控制、獲取測(cè)量深度，再根據(jù)瞬時(shí)基準(zhǔn)與固有基準(zhǔn)間的關(guān)系，獲得海底地形地貌在固有基準(zhǔn)下的表達(dá)。傳統(tǒng)水下地形測(cè)量模式（有潮模式）

定位：采用GPS差分定位技術(shù)（僅獲取平面位置）

測(cè)深：?jiǎn)尾ㄊ?、多波?/p>

潮位：驗(yàn)潮站潮位測(cè)量及時(shí)空內(nèi)插船位處水位

（傳統(tǒng)方法）

現(xiàn)代水下地形測(cè)量模式（無(wú)潮模式）

定位：采用RTK/PPK/PPP技術(shù)（獲取平面和高程坐標(biāo)）

測(cè)深：?jiǎn)尾ㄊ?、多波束?）船載聲納設(shè)備水下地形測(cè)量常規(guī)水下地形測(cè)量基于USB三維魚(yú)探儀的海底地形、水生生物及海藻的探測(cè)

同時(shí)表示不同參數(shù)的畫(huà)面以便辨別物標(biāo)從航跡計(jì)算海底地形CrossFanBeam頻率

：12kHz～500kHz

測(cè)深：幾米～１萬(wàn)幾千米波束幅：?jiǎn)我徊ㄊ?.5～

2.0度千米以深12k～24k千米以淺

100k～500k多波束測(cè)深儀的海底地形地貌探測(cè)多波束測(cè)深儀的測(cè)量例波斯灣水深50m貨船水深12-20m管道水深500-2000m火山口最新多波束測(cè)深儀性能強(qiáng)化等角波束(EquiangularBeamSpacingmode）等間隔處理(EquidistantFootprintmode）EquiangularBeamSpacingmode

VS

「EquidistantFootprintmode強(qiáng)化性能：MultiPing高速測(cè)深時(shí)、特別是深海時(shí)、測(cè)深密度明顯下降強(qiáng)化性能：MultiPing在一個(gè)測(cè)深周期里發(fā)射４個(gè)不同頻率波束脈沖，從而提高測(cè)深密度。強(qiáng)化性能：MultiPing多脈沖掃描方式完全消除了Yaw偏航引起的未測(cè)深現(xiàn)象。Yaw

Stabilization強(qiáng)化性能Snippets海底地形成像側(cè)描聲納形成的后方散射信號(hào)的取得Snippets、接受多波束的各波束的反射、提高了橫向的分辨率強(qiáng)化性能Snippets海底地形成像普通側(cè)描聲納Snippets側(cè)描聲納LIDAR是“LightDetectionAndRanging”的首字母縮寫(xiě)，即利用光進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和測(cè)距的技術(shù)系統(tǒng)。從其字面可以理解，LIDAR概念包括三個(gè)組成：光源、測(cè)距和探測(cè)。GPSIMULaser機(jī)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)(airbornelaserscanner，ALS)機(jī)載激光測(cè)高(airbornelaseraltimetry，ALA)機(jī)載激光制圖系統(tǒng)(airbornelasermapping，ALM)機(jī)載激光掃描測(cè)高(airbornelaserscanningaltimetry，ALSA)（2）機(jī)載激光水下地形測(cè)量

類(lèi)似于船載聲納設(shè)備水下地形測(cè)量系統(tǒng)。水深：由機(jī)載激光提供水面高程基準(zhǔn)：由潮位測(cè)量來(lái)提供平面位置：由DGPS提供（2）機(jī)載激光水下地形測(cè)量OnshoreNearshoreDeepwaterGPSSatellitesIMULaser河口、海岸帶地形

水道、沼澤、泥潭、原始森林、冰面、淺海區(qū)、礁灘區(qū)、群島-53-河口、海岸帶地形-54-水下遙控運(yùn)載體（ROV）水下航行體（

AUV）2007年8月2日，俄羅斯和平-1”潛艇在下潛到4261米時(shí)成功地抵達(dá)海床，俄潛艇下潛后，潛水員將一面1米高的鈦金屬?lài)?guó)旗插在北極點(diǎn)下的海床上，以此來(lái)證明俄羅斯對(duì)該海域的主權(quán)擁有。

在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下完成的潛深6000米“CR-01”、“CR-02”無(wú)纜自治水下機(jī)器人標(biāo)志著我國(guó)自治水下機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。我首個(gè)7000米超深度載人潛水器明年下水。（3）水下地形測(cè)量機(jī)器人（AUV/ROV)水下地形測(cè)量機(jī)器人（AUV/ROV）由機(jī)器人深潛水下，在接近水底時(shí)用水下攝影的方式獲得水下目標(biāo)的圖像。隨著海洋光學(xué)的研究及其技術(shù)的發(fā)展，不斷有水下攝影系統(tǒng)、海洋探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)用于水下工程測(cè)量。水下電視攝像系統(tǒng)、水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)是目前獲取在水下環(huán)境清晰圖像的主要方法，掃海測(cè)量中，配置水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)有助于障礙物性質(zhì)的判斷，提高掃測(cè)能力。水下攝影系統(tǒng)對(duì)水域環(huán)境要求較高。在水質(zhì)渾濁，水流較急的地方適用性差。同時(shí)由于水下機(jī)器人的平面位置和高程難以準(zhǔn)確確定，因而，這種方法僅適合于特定目標(biāo)形狀的獲取，難以應(yīng)用于大面積的地形測(cè)量。

雙頻識(shí)別聲納

DIDSONDualFrequencyIDentifiction

SONar

高分辨率雙頻識(shí)別聲納DIDSON是美國(guó)華盛頓大學(xué)研發(fā)、SoundMetrics公司制造的高分辨率聲學(xué)攝像機(jī)?？稍跐崴腥〉媒朴诠鈱W(xué)攝像機(jī)的高清晰度圖像。與其它聲學(xué)攝像機(jī)不同，由于采用先進(jìn)的聲學(xué)透鏡技術(shù)，消耗電力少（約20-30Ｗ），體積小重量輕（空中７kg、水中-0.6kg）攜帶方便，操作簡(jiǎn)單。除設(shè)置在船舶等上使用外，還是適合于潛水員在水下攜帶使用。

DIDSON構(gòu)成DIDSON由聲納傳感器、接線(xiàn)盒、電力供給數(shù)據(jù)傳送電纜、控制軟件、個(gè)人計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

攝得的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)傳送電纜傳送至接線(xiàn)盒后，由網(wǎng)絡(luò)電纜傳送到個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其最大表示速度4～21幀／秒。

DIDSONSpecifications

DIDSON工作在兩個(gè)不同的頻率，這也是其名（雙頻識(shí)別聲納）的來(lái)歷。DIDSON有標(biāo)準(zhǔn)型和遠(yuǎn)程型兩種類(lèi)。以下以標(biāo)準(zhǔn)型為例進(jìn)行說(shuō)明。工作在1.8MHz高頻時(shí)可提供0.3?高分辨率的圖像，最大探測(cè)距離為12米；工作在1.0MHz低頻時(shí)可提供0.6?分辨率的圖像，最大探測(cè)距離為40米。DIDSON可在1～40m范圍內(nèi)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)聚焦，確保觀測(cè)范圍內(nèi)圖像清晰。

DIDSONSpecifications低頻最大探測(cè)范圍40m(1MHz)

0.6°×48束高頻最大探測(cè)范圍12m(1.8MHz)

0.3°×96束視野角: 29°垂直波束寬： 12°使用水深∶標(biāo)準(zhǔn)300m

遠(yuǎn)程３000m

DIDSO