测绘讲坛▏关于海底地形测量的认识
编者按：本文是暴景阳教授在“中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会”上的大会发言课件，并进行了部分修改与补充。以此为题，深入谈谈海底地形测量概念、基本特征、衡量标准及体系构建的设想，提纲挈领，言简意赅，具有很强的前瞻性，在征得暴景阳教授同意后，现提供给大家学习了解。
暴景阳，1965年生，男，辽宁凌源人，博士，教授，博士生导师。中国测绘地理信息学会海洋测绘、大地测量与导航两个专业委员会委员，我国海洋测绘学科带头人之一。长期从事海洋大地测量、测量数据处理等方向的教学和研究，在海洋测绘垂直基准、海洋潮汐理论与测绘应用等特色研究领域取得较丰硕的研究成果，并为海洋测绘界同仁所公认。对海洋测绘理论和技术体系的更新与变革也有所探索。曾获得首届海洋测绘学科发展突出贡献奖。获省部级科技进步二等奖3项，三等奖5项，中国测绘学会测绘科技进步一、三等奖各一项。获育才奖银奖1次。
一、海底地形测量的历史与现状
1. 关于海底地形
关于海底地形及海底地形测量总体上缺乏系统而清晰的认识。有关的信息平台对海底地形的解释还主要停留在对大陆架、海山、海沟等大尺度的地势级描述层面。
2014年,马航370失联后，国际权威期刊和美国NOAA 都曾发布搜寻海域“海底地形图”供可行搜索区域的预测，而这类海底地形图是通过空间对地观测技术反演的重力异常进一步反演计算而得，属于应用大地测量学手段对海底地形的探测，也反映了对海底地形在大地测量学尺度上的认知。
2. 关于海底地形测量
就海洋测绘而言，对海底地形的认知或探测应达到技术所能支撑的最高精细程度，达到微地形程度的海底探测，并且，在当今技术条件下，主要应通过现场探测手段才能实现。这可理解为海底地形测量的基本内涵，在技术上，与陆地地形测量应有一定的可比性。
有关海底地形测量理论和技术迄今系统的论述仍较少。《大陆架地形测量手段与方法》（巴兰金，鲍里索夫等著，章大初等译（1984））或许是较早但较全面阐述海底地形测量的著作，有关说明是“（大陆架）海底地形测量是以完成测制大陆架地形图为目的的测量工作，可以利用各种水上的、水下的船只和仪器，采用不同的手段和方法实施”。当然，理论和方法受上世纪60～80年代的技术水平的限制。
3. 海底地形测量、水深测量、海道测量的关联
国际海道测量组织曾经预测新世纪海道测量的重点为海底地形测量。在国际上，Hydrography一词与我国目前习称的“海洋测绘”含义极为相近，本指关于水（域）的图形化认知。Hydrography被翻译为海道测量已有近百年的历史。因为海道测量也好，海洋测绘也罢，近现代意义上的技术体系起源和服务于大航海需求，往往将其局限为保障航海服务的测绘工作。事实上，它本身的含义不断完善和扩展。
2001年Horst Hecht给出了Hydrography的学术化定义：“描述地球水圈地形的、物理的和动力的性质以及与固体地球的边界，相关的设施与构筑物所必须的完整空间数据和信息，以及这些信息获取、维持和处理的应用科学”，可见，内容覆盖海底地形测量、地球物理测量、水文测量、工程测量等相关理论和技术。
事实上，海底地形测量历来就是海道测量的核心内容之一，只不过为精细探测和表征海底地形，所采用的技术模式为“水深测量”。换言之，水深测量技术主要对应于人工器具和单波束测深时代的海底地形测量。
限于与海底地形测量密切相关的定位技术发展水平，海底地形探测通常被分解为沿岸水深测量和近海水深测量。在这种行业体系下,比例尺的大小是海底地形探测精细程度的核心技术指标。随着导航定位技术的现代化，特别是多波束等精细探测手段的广泛使用，按离岸距离所进行的水深测量样式划分正变得模糊。
我国海道测量专业学历教育已开展60余年，水深测量曾经一直按照该专业的主干课程设置，但后来，被广义化为海道测量了，或海道测量被狭义化为水深测量了。海道测量作为一门课程，国际上通常开设为海道测量实践，关心的应为根据技术和需求的作业设计、组织实施、以及测量成果评判。而不应限于具体化的水深测量技术。
根据现代技术的可能，面向更广泛的应用需求，早在10年前，美国新罕布什尔大学开展一期多元、多国家、多任务需求的海道测量培训，主要支撑日本基金资助的通用海底地形图计划。目标是为解决相关社会问题（而不简单是航海需求），精确获取和实时更新海底地形图和格网化数字产品。
二、海底地形测量的基本概念与关键技术指标
1. 定义
我们理解的海底地形测量定义是：“精确测定和描述海底形态（海底地貌）和底质类型及特征物分布的理论和技术”。
海底地形指地貌和地物的集成，地貌反映为海底的起伏形态，地物则包含自然的和人工的特征物，以及与底质类型要素。鉴于海底探测手段与地形测绘的显著差别，当然，地物探测，特别是特征地物测定主要通过地貌要素的局地变异来识别，而不同于陆地地形测绘在可见光介质中的直接识别基础上的精测。
2. 主要特征
面向地球、面向海洋, “以数据位中心”，面向多样化信息服务的理论体系和技术模式。
海底地形是海洋开发利用的基础地理信息, 海底地形测量是海洋空间信息获取的基本手段。
海底地形测量任务的基础性特征更为明显，它将不以单一的服务需求为目标，将涵盖海洋空间信息精细普查、海洋工程测量级别的有关海洋测绘内容。即传统上的大比例尺水深测量、路由和管线等海洋工程测量的内容都将成为海底地形测量的子集。换言之，当今技术体系下为某种需求设计的专题测量可由基础性的海底地形测量替代。
海底地形测量学科分支体系的建立与完善，有助于推进海洋测绘的学科化，完备海洋测绘理论和技术体系。事实上，海底地形测量的实践已先于理论而发展着。
3. 关键技术指标
原则性指标：以海洋基础地理信息角度，全覆盖、真实性测定和描述海（水）底形态（地貌）与特征物、海底底质地物要素。（当然，地物要素主要通过地貌突变识别、相关物理机制探测信息分析处理与解释，重点是精细形态测量）
技术指标：包含两个方面，一是全覆盖基础上，关注分辨率，特别是尽量高分辨率；二是真实性目标基础上，精度（或不确定度）评估。
水层的阻隔，凸显出对海底全覆盖探测的重要性与必要性。当今多波束、侧扫声呐等海底探测手段为全覆盖测量提供了技术保证。
在海道测量测深技术自人工器具时代发展到单波束测深阶段，实现了连续的断面测量，但测线的正横方向仍无力顾及。故测图比例尺和测线方向的合理确定是保证尽量详尽探测海底地形的主要关注点，而在全覆盖探测模式下，比例尺的限定已被打破。
(1)分辨率指标
分辨率表征了全覆盖前提下，对海底探测的点云密度，反映对海底的“全息”认知程度。
就声波探测这类海底地形测量主流手段而言，分辨率决定于声波的波束角，多波束的优势主要体现在对海底的广角覆盖以及多波束分割。波束个数的增多、波束角的窄化正在逐步提高对海底的精细数字化探测能力。当然，多波束海底地形探测技术决定于探测距离，限制着对深海海底地形的高分辨率探测，以水下探测平台替代水面船只，将是解决该问题的有效途径之一。另外侧扫声呐，特别是相干声呐技术与多波束技术的联合使用将有助于海底地形探测能力的提高。而在浅海清澈水域利用机载激光扫描测量技术，也在一定会程度上保证着海底地形探测的分辨率。
国际海道测量标准、以及有关国家，如美国、新西兰的海道测量标准对海底探测，尽管主要从特征物识别角度规定了探测的详尽程度，实际上也可理解为海底地形测量的分辨率指标。
(2)精度指标
国际海道测量标准改用了不确定度指标替代精度指标，引起众多学者跟踪探索的兴趣，事实上，若不从误差源的细化分解和控制入手，仅利用数据做成果质量评定，与原用精度指标，特别是由垂直不确定度指标代替水深精度指标，并无本质区别。
一定分辨率的水深点云是表征和描述海底地形的基础数据。通常以测深重合点（交叉点）的不符值估算精度指标。我国现行《海道测量规范》根据深度区段分级，给出深度数据的精度指标（2σ）以及不符值限差。而国际标准实际是按海底地形探测等级，依下面公式给出标准垂直不确定度（95%置信度）的界限。
其中，指标的加常数α和乘常数b对于不同等级规定具体数值。初步分析表明，我国采用的精度指标与不符值限差，以及超限值比例等规定指标之间存在一定的不匹配现象，与国际标准比，指标略宽松。对于任意海底地形观测点的精度评定，采用国际标准的不确定度（精度）评价公式更为可行，因为可有助于区分不同类型误差因素的贡献，并实施有效的质量控制。当然，对每一海底地形观测点都给出实际的精度（不确定度）指标估计，而不是对照设定的限差要求，还应从误差理论和观测技术的角度做深入的探讨和论证。
三、海底地形测量的基本技术模式
测图比例尺将由探测分辨率取代。
面向（航）海图编制的设计以数据位中心的理念取代；图幅不应是基本成果单元，而应根据需求，按区域划分。即便成果图分幅，亦主要采用标准地形图分幅方式。
垂直基准，可由地球椭球面、平均海面、高程基准等多种可选形式，取代现行深度基准，避免深度基准确定的相关矛盾。
为保证深海海底精细海底地形探测的某种需求，水下平台将发挥更加突出的作用。（马航370的搜索测量采用的主要模式即可视为现代意义的海底地形测量）。
GNSS技术支持的无验潮模式等需进一步推广，相应姿态改正等细节问题引起更多关注与探索。
四、机遇与挑战
海洋强国战略为海洋测绘发展，也为海底地形测量学科分支的建立和完善提供了社会、政治条件。
水声技术和装备的进步，现代测绘理论的丰富，为海底地形分支学科提供了技术条件。目前，关于海底地理信息的获取和表征的理论探索，显然落后于技术的现状。
海洋测绘从业队伍的壮大，为学科分支创立和完善正在提供越来越多的人才保障。
必须加强学科基础研究与探索，技术试验验证与海底地形测量标准体系构建，人才培养模式转变，增强服务对象对海洋基础地理信息保障能力的了解。
致谢：在此，非常感谢暴景阳教授，专题为本文重新修改完善，体现了他对我微信公众平台的一贯支持与厚爱！