第六章-海洋測繪(1)

第六章海洋測繪海洋科學學院海洋信息工程系沈蔚博shen@空間測量與制圖4209903§6.1概述海洋面積占地球總面積的70%，是人類生命的搖籃、現(xiàn)代社會的交通要道，也是地球上的資源寶庫。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)濟地位，瀕海國家間爭奪海洋勢力范圍的斗爭日趨尖銳，各海洋大國相繼提出了海洋研究和開發(fā)計劃，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海洋測繪概述我國是一個海洋大國。在東、南面有長達1.8萬公里的海岸線，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《海洋法公約》，我國轄屬的內(nèi)水、鄰海、大陸架、專屬經(jīng)濟區(qū)的面積約為300多萬平方公里，島嶼6500個，還擁有許多優(yōu)良的港灣。因此，海洋開發(fā)和利用對我國的國民經(jīng)濟建設具有戰(zhàn)略性意義

。6.1.1海洋測繪概述

一切海洋經(jīng)濟、軍事或科研活動（如海上交通、海洋地質調查和資源開發(fā)，海洋工程建設、海洋疆界勘定、海洋環(huán)境保護、海底地殼和板塊運動研究等），均需要海洋測繪為其提供不同種類的海洋地理信息要素、數(shù)據(jù)和基礎圖像。海洋測繪是一切海洋活動的前提和基礎。6.1.1海洋測繪概述

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

現(xiàn)代海洋測繪技術是建立在海洋物理知識基礎上的多學科的綜合；

海洋測量環(huán)境相對陸地復雜，測量手段也比較獨特；

現(xiàn)代海洋測繪已發(fā)展為潛載、船載、機載和星載測繪技術于一體的、多學科交叉的綜合性學科。6.1.2海洋測繪的特點§6.2海洋測繪內(nèi)容

海洋測量包括：

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

海洋信息管理包括：

海洋地理信息的管理、分析、處理、應用以至數(shù)字海洋。海洋測繪包括海洋測量、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海洋大地測量建立海洋控制網(wǎng)，為水面、水體、水底定位提供控制點服務。海洋控制測量主要包括：

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

海底控制網(wǎng)的布設和施測海上控制網(wǎng)的布設與測量海岸控制網(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)的布設與陸地基本相同，但選點時，需要考慮海洋測繪的具體要求。海岸—島礁、島嶼—島嶼GPS控制網(wǎng)的布設，可方便的將陸地平面基準及坐標引入遠離陸地的島嶼。目前，海岸控制網(wǎng)的施測主要采用GPS來實現(xiàn)。海底控制網(wǎng)的布設主要采用三角形和正方形圖形結構。海底控制網(wǎng)

海底控制網(wǎng)的控制點為海底中心標石。聲波在海水中具有很好的傳播特性，因而，觀測目標的照準標志通常采用水聲照準標志（如水聽器或應答器），而觀測手段采用聲學測距技術。負荷聲標錨浮標水聽器應答器水下控制網(wǎng)測量測次k測次k+1測次k+2不同測次測量QjQj+1Qj+2利用GPS動態(tài)測量，獲得浮標或者船體的平面位置，依目前的定位技術，采用非差單點定位，可獲得分米甚至厘米級的平面定位精度。三角錐測量是聲學測量，利用超短基線或長程超短基線確定各個水聽器之間的距離，進而獲得水底水聽器的位置。測量和計算思想仍為傳統(tǒng)的邊交會。海底控制網(wǎng)測量和計算思想：水深測量經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段：

測繩重錘測量（點測量）

單頻單波束測深（點測量）

雙頻單波束測深（點測量）

多波束測深（面測量）

機載激光測深（面測量）§6.2.2水深測量（1）測繩重錘測量（點測量）5m10m15m20m重錘海底安裝在測量船底的發(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，若往返傳播時間為△t。則水深H為：（2）單頻單波束測深（點測量）

（3）雙頻單波束測深（點測量）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的穿透能力，因而可以打到硬質層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個脈沖所得深度之差便是淤泥厚度Δh

。

Hhf

Hhf

ΔH

（4）多波束測深（面測量）多波束測深系統(tǒng)是從單波束測深系統(tǒng)發(fā)展起來，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個甚至上百個深度。它能夠精確地、快速地測定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀、最高點和最低點，從而較可靠地描繪出水下地形的精細特征，從真正意義上實現(xiàn)了海底地形的面測量

多波束測深系統(tǒng)主要由發(fā)射器基陣、發(fā)射子系統(tǒng)，信號接收系統(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。多波束測深儀的換能器基陣精密安裝在船底或拖曳在船尾。因為其測深的聲線是斜距，聲速剖面的精確性和船航行時的搖擺、升降對觀測精度影響特別大。因此多波束測深儀要配置姿態(tài)傳感器或涌浪濾波補償儀及聲速剖面儀。

姿態(tài)傳感器能測出橫滾、俯仰、偏航參數(shù)，采用這些參數(shù)對水深值和位置進行改正，涌浪濾波補償儀能對因波浪運動而引起的誤差源進行校正補償，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)。聲速剖面儀能測出海水沿垂直方向的分層聲速，進而可對聲線彎曲進行改正。

以獲得波束腳印的船體坐標。設換能器在船體坐標系下的坐標為(x0

,y0

,z0)，則波束腳印的船體坐標(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

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

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

、靈活性強等優(yōu)點。有廣闊的應用前景

。

缺陷是對水質的要求比較高，一般適合于近岸海域。按照定位的對象，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：天文定位陸基無線電定位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)測定聲波在海水中傳播的時間及相位變化，計算出水下聲標到載體的距離或距離差，從而解算出載體的位置。按照定位距離的長短可分為：

長基線定位；短基線定位；超短基線定位長基線定位：

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

換能器

長基線定位原理是船底換能器發(fā)射詢問信號，同時接收布設在水下的3個以上相距較遠的聲標應答信號進行測距，進而計算出船位。如測4條以上聲距，用間接平差可求出船位坐標（xu，yu，zu），其中zu為水深。

T2

T3

T4

換能器

如只觀測了3條聲距，換能器深度zu已知，可列出三個方程，從而解出平面坐標xu，yu。長基線法定位的精度取決于測距的精度和定位的幾何圖形，目前精度一般為5～20m。T1

短基線定位：

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

換能器基線水聽器

水聲應聲器

Δt23

Δt13

超短基線定位：

超短基線系統(tǒng)與短基線系統(tǒng)的區(qū)別僅在于，船底的水聽器陣以彼此很短的距離（小于半個波長，僅幾厘米）按直角等邊三角形布設，裝在一個很小的殼體內(nèi) 測量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測量在海域的延伸。按測量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形測量。 特點是測量內(nèi)容多，精度要求高，顯示海底地物、地貌詳細。測量內(nèi)容包括海底地貌、各種水下工程建筑、底質、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。通常對海域進行全覆蓋探測，確保測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提供重要資料的海洋基本測量?！?.2.4海底地形地貌測量

水下地形測量是利用聲納技術、激光技術和攝影技術，獲得海底的地形特征?，F(xiàn)有的主要手段有：（1）船載聲納設備水下地形測量（船載）（2）機載激光水深測量（機載）（3）水下機器人測量（潛載）（4）側掃聲納（5）遙感反演海底地形（星載）無論采用何種手段，海底地形測量通常需要如下幾個過程來實現(xiàn)：首先，進行海岸或海底平面、高程控制測量。其次，野外探測/掃測海底地物、地貌及其相關信息，并采集潮位等輔助測量信息。該步處理獲得載體坐標系下的相對地形地貌、瞬時基準和反映瞬時基準與固有平面和垂直基準間關系的參數(shù)等。 最后，進行數(shù)據(jù)處理，即對瞬時測量信息進行質量控制、獲取測量深度，再根據(jù)瞬時基準與固有基準間的關系，獲得海底地形地貌在固有基準下的表達。傳統(tǒng)水下地形測量模式（有潮模式）

定位：采用GPS差分定位技術（僅獲取平面位置）

測深：單波束、多波束

潮位：驗潮站潮位測量及時空內(nèi)插船位處水位

（傳統(tǒng)方法）

現(xiàn)代水下地形測量模式（無潮模式）

定位：采用RTK/PPK/PPP技術（獲取平面和高程坐標）

測深：單波束、多波束（1）船載聲納設備水下地形測量常規(guī)水下地形測量基于USB三維魚探儀的海底地形、水生生物及海藻的探測

同時表示不同參數(shù)的畫面以便辨別物標從航跡計算海底地形CrossFanBeam頻率

：12kHz～500kHz

測深：幾米～１萬幾千米波束幅：單一波束0.5～

2.0度千米以深12k～24k千米以淺

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

VS

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

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

類似于船載聲納設備水下地形測量系統(tǒng)。水深：由機載激光提供水面高程基準：由潮位測量來提供平面位置：由DGPS提供（2）機載激光水下地形測量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米時成功地抵達海床，俄潛艇下潛后，潛水員將一面1米高的鈦金屬國旗插在北極點下的海床上，以此來證明俄羅斯對該海域的主權擁有。

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

雙頻識別聲納

DIDSONDualFrequencyIDentifiction

SONar

高分辨率雙頻識別聲納DIDSON是美國華盛頓大學研發(fā)、SoundMetrics公司制造的高分辨率聲學攝像機?？稍跐崴腥〉媒朴诠鈱W攝像機的高清晰度圖像。與其它聲學攝像機不同，由于采用先進的聲學透鏡技術，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，操作簡單。除設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構成DIDSON由聲納傳感器、接線盒、電力供給數(shù)據(jù)傳送電纜、控制軟件、個人計算機構成。

攝得的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)傳送電纜傳送至接線盒后，由網(wǎng)絡電纜傳送到個人計算機進行實時顯示，其最大表示速度4～21幀／秒。

DIDSONSpecifications

DIDSON工作在兩個不同的頻率，這也是其名（雙頻識別聲納）的來歷。DIDSON有標準型和遠程型兩種類。以下以標準型為例進行說明。工作在1.8MHz高頻時可提供0.3?高分辨率的圖像，最大探測距離為12米；工作在1.0MHz低頻時可提供0.6?分辨率的圖像，最大探測距離為40米。DIDSON可在1～40m范圍內(nèi)對觀測目標進行自動聚焦，確保觀測范圍內(nèi)圖像清晰。

DIDSONSpecifications低頻最大探測范圍40m(1MHz)

0.6°×48束高頻最大探測范圍12m(1.8MHz)

0.3°×96束視野角: 29°垂直波束寬： 12°使用水深∶標準300m

遠程３000m

DIDSO