综述▏我国海洋测绘的发展现状（一）
文/中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会
编者按：本文来自于《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论文集》中的论文“近年来海洋测绘专业进展与展望”，该文分七个方面详细总结了2012～2015年度海洋测绘的发展。考虑该文较长，为照顾读者的阅读方便，现分几个章节单独成篇发表，今天发表的文章依据该文的第二部分“我国的发展现状”，就我国海底地形地貌测量和海陆一体化测量二个部分的发展现状进行总结与回顾，现提供大家阅读了解。在此，特别感谢《海洋测绘》编辑部对我微信公众平台的帮助与支持！
第一作者简介：欧阳永忠，1969出生，男，湖南双峰人，高级工程师，博士，海军海洋测绘研究所总工程师，兼任中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会副主任，主要从事海洋测量理论与技术方法研究。参加本文编撰的其他成员还有：郑义东、周兴华、暴景阳、赵建虎、陆毅、唐秋华、张立华、阳凡林、桑金、杨鲲、张靓、黄谟涛、翟国君、任来平、黄辰虎、王克平和蒋红燕，共计18人。在此，对他们为我国海洋测绘事业的发展与繁荣所做出的努力，所奉献的力作，表达我们最真挚的谢意！
一、海底地形地貌测量
海底地形地貌是一切海洋开发和利用活动的基础，其信息获取是海洋测绘中最基础的工作。近年来，随着卫星导航定位、声学探测、数据通讯、计算机数据处理与可视化、图像学和图形学以及现代测量数据处理理论和方法等相关领域的发展，我国的海底地形地貌信息获取技术正在向高精度、高分辨率、自主集成、综合化和标准化方向发展。
⒈ 全海域、立体获取技术体系已初步形成
传统海底地形地貌测量主要借助船载多波束测深系统和侧扫声纳系统来获取。随着卫星重力技术的发展，借助重力梯度变化的海底地形大尺度反演技术已经出现，并为一些海域的地球科学研究提供了重要的基础信息，基于可见光的水色遥感技术，借助可见光在水体中传播和反射后的光谱的变化，结合水深，通过构建反演模型，可实现大面积水域的海底地形地貌信息获取。并在一些重点水域开展了初步的应用。取得了米级的精度，机载激光测深技术尽管早在20世纪90年代已经出现，但由于相关技术的落后和我国近海和内水水质的浑浊，尚未得到很好应用。近年来，随着海岛礁调查专项中岛礁周边海底地形地貌信息获取需求的增强，加之相关技术的不断完善，机载激光测深技术在海岛礁调查、岸滩水下地形地貌测量中得到了很好的应用，为了提高海底地形地貌信息获取的分辨率和精度，更好地满足海洋科学研究和工程应用需要，以AUV/ ROV为平台，携载多波束测深系统、侧扫声纳系统和水下摄影系统于一体的深海海底地形地貌测量系统已经出现。并在我国一些重点勘测水域和工程中得到了成功应用，也得到了海事、水下考古、海洋调查等部门的高度重视。目前，从太空、空中、水面到水下的“立体”海底地形地貌信息获取态势在我国已初步形成。
⒉ 自主知识产权的多波束测深系统已研制成功
相对单波束，多波束测深系统的测深优势主要体现在测深效率显著提高、测深数据分辨率成量级增长。长期以来，我国的多波束测深系统几乎全部依赖进口，尽管国内相关科研院所为研制自主多波束系统开展了近20年的努力，但因技术封锁，进展缓慢。可喜的是，近年来，在哈尔滨工程大学、中科院声学所以及中海达等机构学者和工程人员的共同努力下，经过大量深入细致的研究，突破了多脉冲发射技术和双条幅检测技术。在保持小声学脚印条件下，实现了高密度信号采集与处理。采用Dolph－Tchebyshev屏蔽技术，减少了垂直航迹方向的旁瓣效应，综合采用“单频”和“双频”双系统、“等角”和“等距” 双模式切换，动态聚焦和窄波束设计等技术，并联合不确定度多波束测深估计等技术，提高了多波束测深的数据质量、分辨率和可信性，提出了新的相位差解模糊方法和利用可变带宽滤波器改进相位差序列估计精度方法。提高了测深精度和质量。结合设备工艺改进研究，最终研制了具有自主知识产权的我国浅水高分辨率多波束系统，并成功实现了商业化。
⒊ 深海高分辨率地形地貌信息获取
尽管多波束和侧扫声纳系统在浅水均具有较高分辨率的海底地形地貌信息获取能力，但随水深增加，获取信息的分辨率随之迅速降低。该问题已成为深海资源勘查的一个瓶颈，为此需求，近年来我国学者在硬件系统和数据处理算法方面均开展了深入研究，硬件突破体现在两方面：其一，采用多脉冲发射技术和双条幅检测技术，提高多波束和侧扫声纳系统的分辨率。其二，以AUV/ROV为平台，接近海底获取高分辨率海底地形地貌信息，在数据处理算法方面，根据多波束和侧扫声纳测量信息的互补性，提出了基于二者信息融合的海底高精度和高分辨率地形地貌信息获取方法。提出了基于高分辨率侧扫声纳图像反演高精度高分辨率海底地形的新方法。这些研究已在一些水域开展了实践，将测深分辨率提高了近50倍，并取得了与传统测深结果一致的精度，深海高分辨率地形地貌信息获取难题正逐步得到解决。
⒋ 数据处理方法
海底地形测量数据处理，本质上是对影响海底地形测量误差的因素进行改正和处理。影响海底地形测量精度的因素除所采用仪器设备、技术方法本身的指标、性能和适用条件外，重点关注环境因素和观测过程的动态特性影响，特别是水位观测及归算、声速测定及改正量精确计算、测量载体姿态测定和表示等。而数据处理的核心目标是改进和提高海底地形地貌探测的精度和数据处理的效率。
结合多波束测深系统在海底地形测量实际生产中的应用，分析了受复杂海洋动态环境以及仪器自身原因等内外部因素影响易产生的各种粗差和系统性偏差，探讨了适用于多波束测深系统获取的水深测量成果的质量控制和检验指标，制定了涵盖多波束测深数据采集、处理、成果制作、验收等全过程的质量标准。
⑴水位数据处理是将验潮站实测水位通过模型内插或潮汐预报获得测深处瞬时水位。并将相对测深结果归算至特定深度起算面的绝对深度。既包括深度基准面的合理确定，也包括三维信息的时空内插或可靠推算。为此，研究了在长期站基准面控制条件下，传递确定短期和临时验潮站深度基准的多种技术方法，提出了验潮站网深度基准综合确定思想，认为在深度基准框架不完备情况下，测区深度基准应由所布设的短期和临时验潮站与测区及附近长期验潮站组网确定，研究据此可实现优于10cm的深度基准面确定精度。
⑵提出了一种基于海洋潮汐动力模型的水位改正方法。通过对数值模拟的天文潮位进行改正，结合残差改正获得特定站的潮位数据，该方法在地形变化较为复杂海域进行水位改正有独特优势，可以减少短期验潮站的布设及用于潮位序列缺失的修补。
⑶针对远海航渡式水深测量作业中的潮汐改正难题。基于全球潮汐场DTU10模型及GPS无验潮测深两种改正模式，形成了一套适用性强的航渡水深测量水位改正方法与流程，为面向全球的海洋水深测量资料处理提供了潮汐、垂直基准和水位归算方法和技术支持。
⑷针对多波束测深易出现的因水位改正不完善导致的相邻测深条带间的拼接断层。分别采用天文潮预报、基于余水位配置的海洋潮汐推算以及基于日平均海面订正的海洋潮汐推算等方法进行水深测量水位改正。结果表明，后两种方法均适用于多波束水深测量水位改正。
⑸针对近海和沿岸区域海底地形测量，提出了基于验潮站监测数据与潮汐模型潮波时空结构的余水位法水位控制与改正技术。消除了浅水地形因素的影响，显著提高了最终图载水深的精度。
⑹声速对测深的影响显著且难以消除。通过研究声速剖面的时空相关性，提出了基于经验正交函数分解和最小二乘法拟合重构系数相结合的声速空间场构建方法，显著削弱了声速代表性误差影响，提高了声线跟踪的精度以及最终测深成果的精度。
⑺载体姿态对海底地形测量中声线的影响具有系统性，针对姿态影响下传统二维声线跟踪理论的不足，研究并提出了三维空间声线跟踪理论和方法，显著提高了声线跟踪精度。
⑻针对多源测深数据成果精度不一致给海底地形描述带来的不准确问题，开展了多波束测深误差源分类研究，推导了不确定度估算模型，实现了区域水深和水平位置不确定度图的绘制，对于精密工程应用起到了较强的指导作用。
⑼侧扫声纳系统可获取高分辨率声纳图像。可精细反映海底地貌特征，但受风浪、船体操纵、换能器位置推算方法等影响。地貌特征的形状和位置会出现畸变、错位等问题，为获取大区域、高质量海底地貌图像，提出了基于相邻条带的共视目标的分段匹配方法。解决了这一难题。实现了多条带侧扫声纳图像的拼接以及高质量海底地貌图像的生成，并在南海海洋调查中得到了成功应用。
⒌ 软件研制
打破了国外海测软件一统国内市场的现状，研发了海道测量水位改正通用软件。并从内、外符合精度方面对其水位改正效果进行了检验评估，突破了诸多技术瓶颈，研制了具有我国自主知识产权的多波束测深数据处理软件、侧扫声纳条带图像数据处理软件。功能与国外软件相当，但数据处理质量优于国外，并在南海海洋调查、渤海海事测绘中得到了成果应用。
⒍ 重大事件及国际合作
海底地形测量技术不仅可用于海洋基础地理信息的获取，还应用于飞机残骸和水下沉船等目标的搜寻，2014年3月发生的马航MH370航班失联事件吸引了全球关注，交通运输部和海军先后派遣“海巡31”轮、“海巡01”轮和海军872船，综合运用卫星定位系统、多波束声纳、侧扫声纳、海洋磁力仪等探测设备开展目标搜寻。12月亚航QA8501航班在印尼爪哇海域失事，交通运输部派遣南海救101前往失事海域参与残骸搜寻扫测工作，这两次国际应急搜寻行动提升了我国海洋测绘水平的国际认知度。同时也暴露了我国在深海探测作业基础装备与专业技术力量方面，与国际先进水平相比还存在较大的差距，无疑对发展和完善我国海底地形测量理论和技术装备具有重要的启示意义和推动作用。
二、陆海一体化测绘技术
⒈ 海域无缝垂直基准构建
深度基准面是水深起算的参考面，是对在潮汐和气象因素作用下获得的瞬时水深进行水位归算的基准面，我国采用的深度基准面为理论最低潮面。是主要分潮波叠加可能出现的最低面，由相对于当地多年平均海面的差异来表示。由于潮差的变化，深度基准的数值具有较强的地域性，在传统的海洋测绘技术模式下，深度基准面是面向航海图测图需求，随测量区域的扩展而逐步以离散验潮站观测数据为基础，经分析计算而确定的，即按照“随测、随建和随用”的一般方式建立和表示海图深度基准体系。这种基准体系的主要缺陷是：不同验潮站处的深度基准数值没有约定的精度指标信息，离散的基准表示方式割裂了其理论上应有的连续形态，与高程基准和其它大地类型参考面缺乏密切联系，从而不能实施精度可控的垂直基准转换。
海域无缝垂直基准面是十几年来国际海洋测绘和相关领域的研究热点。围绕这一主题，开展了陆地与海洋大地水准面拼接、海洋无缝垂直基准构建、高程基准面与深度基准面转换等方面的理论与技术方法研究，取得的主要进展包括：以地球椭球面作为根本的海域无缝垂直基准面。通过建立深度基准面与地球椭球面差异的数值模型——深度基准分离模型，用分离模型表示深度基准面，可以保证海底测点垂向坐标的准确性，同时实现海底点大地高与水深两种表示的相互转换，便于GNSS高精度定位技术支持下的水深测量无验潮模式的成果换算，构建无缝垂直基准面的关键是将深度基准面与平均海面的垂直偏差用尽量高分辨率的数值模型来表示，使得深度基准面由传统方法根据验潮站离散信息的表示模式演进为近连续化的表达形式，即构建无缝的深度基准面模型。其技术基础是利用高分辨率的潮汐模型，按统一的公式计算深度基准网格模型，并根据潮汐模型的精度，对深度基准面模型予以精度评估。无缝垂直基准面模型主要应用于深度与高程的转换，实现陆海地形的无缝拼接，其实质是建立深度基准面与国家高程基准的联系。通过海面地形模型和深度基准面模型的叠加来实现。
潮汐模型是指以规则网格点表示的多分潮波调和常数数据集，模型一般通过潮波动力学方程解算确定。动力学方程及其计算工具通常称为潮汐模式，数值形式的潮汐模型为潮汐随地点变化的规律性参数。系统总结了由卫星测高数据提取潮汐参数、构建潮汐模型及其应用的相关理论与方法，根据测高卫星沿迹海面高数据进行潮汐调和分析，计算了中国近海及邻近海域卫星轨迹上的潮汐调和常数。主要分潮调和常数达到优于10cm的精度采用blending数据同化法，将部分卫星测高潮汐分析轨迹点和验潮站实测调和常数融入潮波动力学方程解算，构建了中国近海及邻近海域的潮汐模型。模型范围为2°Ｎ～41°Ｎ，99°Ｅ～132°Ｅ，网格分辨率为5′×5′，与中国沿岸的验潮站数据比较进行模型精度评估，8个主要分潮的综合中误差为12.5cm，该海洋潮汐模型在海洋测绘和海岛礁测绘实践中已得到广泛应用。
验潮站水位观测数据及其调和分析结果是检验潮汐模型精度的重要外部检核信息，在潮波模型解算过程中，将由长期验潮站观测数据分析获得的高精度调和常数作为控制条件，同化于潮波动力学方程可提高潮汐模型的精度，并对潮汐模型和相连带的海域垂直基准模型赋予历元修正信息，因此，开展了验潮站潮汐调和常数的精度评估方法研究，对中国沿岸有代表性的长期验潮站分别按年、月调和分析结果序列进行了调和常数的精度统计计算，结果表明，对于面向开阔海域的验潮站，由年观测资料分析的主要分潮振幅具有毫米级精度，月观测资料分析结果具有厘米级精度，而分布于黄海、东海沿岸和北部湾的验潮站，由年、月观测序列求得的调和常数均存在较大量级的趋势性或周期性变化成分。特别是，分析计算结果表明黄海沿岸部分长期验潮站Ｍ2分潮振幅具有明显的线性变化趋势，受其影响，深度基准面数值具有线性增大趋势。在剥离了深度基准面趋势变化后，由年观测数据分析结果确定的深度基准面可达到厘米级的精度水平，而由月观测资料分析结果确定的深度基准面存在周期性变化，其深度基准面不宜直接计算确定，论证了对潮汐调和常数附加历元信息的必要性，并提出了基本方案。
针对我国实际情况，提出将陆海两类大地水准面各自外推形成陆海边界区域的重叠带。对重叠带两类大地水准面的差值进行多项式拟合，并利用拟合多项式对海洋测高大地水准面的系统差进行校正，提出根据各海域潮汐特点分别选取适宜的垂直基准面。在不同基准间建立转换模型，在临界海域建立过渡模型，以最终确定适用于全部海域的海洋无缝垂直基准体系的对策，且给出了评定垂直基准精度的方法。从深度基准面计算原理出发，根据潮波传播特征，提出了一种基于潮汐调和常数内插的无缝深度基准面建立方法。该方法较传统常用方法具有更高的精度和稳定性，对“潮差比法”确定深度基准面提出了改进建议，提出采用“半潮差比法”确定各种潮汐类型短期验潮站深度基准面，顾及沿岸海域潮汐运动特点和不同源数据精度差异对建模精度的影响。提出了基于加权TCARI方法的沿岸低潮面模型建模方法，满足低潮线推算等特殊应用对高精度沿岸低潮面模型的需求。
研究了验潮高程传递在长距离跨海高程传递中的应用和利用重力位差进行跨海高程基准传递的方法。实践表明，通过在陆地和海岛设立验潮站，连续同步观测7天，在跨距5～20km范围内，验潮高程传递精度能够达到三等水准精度水平。通过选择一定数量的陆地GPS/ 水准点结合EGM2008、EIGIN－6C和GIF48重力场模型计算该区域的重力位值，利用重力位差进行跨海高程传递亦可得到三等水准精度水平，以上研究解决了远距离高程基准传递的难题，对于海岛礁测绘以及远海工程应用意义重大。
⒉ GNSS无验潮水深测量
GNSS无验潮水深测量技术具有成本低、效率高、精度高、可全天候、无需验潮且能有效消除传统作业模式中船只动态吃水、潮位模型误差和涌浪等因素的影响等优点。已成为广泛采用的水深测量技术方法，近年来，针对GNSS无验潮水深测量系统生产作业，提出了系统主要技术指标检测的常规方法及相应的操作流程，并通过实测数据验证了检测方法的有效性和实用性，研究了精密单点定位技术在远距离外海无验潮水深测量作业中应用的可行性。结果表明：基于精密单点定位技术模式与基于双频差分模式获取的无验潮水深测量成果具有同等的精度，均能有效地消除传统人工验潮作业模式中涌浪以及船只动态吃水等各种因素对水深测量成果的影响。并解决了差分定位技术模式作业距离受限的问题，研究了GNSS 无验潮水深测量中影响测深精度的几种因素，提出了相应的控制方法。通过陆海大地水准面精化的研究，解决了高程异常对无验潮水深测量成果的影响，我国的GNSS无验潮水深测量理论和方法体系已相对成熟，已被写入《水运工程测量规范》。
⒊ 岸线地形测量
岸线地形是陆地地形和水下地形的公共部分，受潮汐和水位变化作用,岸线地形质地松软，植被茂密且复杂，岸线确定和地形测量比较困难。
传统测绘中，海岸线主要是通过对某种特征类型的海水作用痕迹进行识别和测绘，并通常认为海岸线的测绘标示物是由大潮期间高潮的平均作用而形成的。因此，均大潮高潮面在我国用作海(岛)岸线测绘的定义性依据，解决长期潮位资料缺少情况下海岸线确定的难题。近年来我国学者在基于潮位推算和基于航空影像两个方面开展了深入研究，解决了这一难题。为缺少潮汐观测资料下的岸线准确确定提供了新思路。为此，发展形成了以潮汐预报和水位推算技术为代表的岸线综合测定理论和方法。即利用潮汐模型或验潮站实测水位数据计算确定待测点的平均大潮高潮位，再将该特征潮位的基准转换至国家高程基准，从而通过计算方法确定岸线高程，并利用等值线跟踪技术确定岸线形状，从而实现岸线的平面定位。通过利用影像或扫描图像上可判读的瞬时水边线信息，提出了应用潮汐信息计算的瞬时水位、平均大潮高潮位以及二者之间的高差，以瞬时水边线的实测位置和高程为参照，进而确定岸线的技术。分析了依据上述两种不同技术方案由潮位推算方法确定岸线高程的精度，论证了平均大潮高潮面的定义，扩充了在不同潮汐类型区域该特征潮面的含义一致性实现方法，将回归潮高高潮位应用为日潮海域的平均大潮高潮位，分析描述了实测潮位和预报潮位统计计算方法，比较了统计方法与潮汐特征值算法的符合度，计算了平均大潮高潮位与理论最高潮位的比率，该比率在中国沿海约70％，基本研究结论是：对规则半日潮和规则日潮海域，统计算法和特征值算法的结果较为一致，而混合潮海域，两种特征潮位之间存在明显差异。
提出了基于多尺度小波变换的遥感影像海岸线提取方法，不仅很好地抑制了噪声，还能保持边缘的清晰和连续。将Sobel边缘检测结果融入到GAC模型中重构边界停止函数可提取遥感影像弱边缘水边线，结合潮汐数据立体测绘稀少控制条件下的海岸带、海岛礁陆部DEM，采用多波束测深数据获取海部DEM，通过平面坐标统一与垂直基准转化、陆海DEM拼接融合、等水位线高程提取、等值线跟踪与光滑等处理，提取出了海岸线等水位线信息。
在岸线地形测量方面，近年来取得的技术进步主要体现在包括低空无人机航空摄影测量技术、三维激光扫描技术、机载LiDAR测量技术等在内的非接触测量手段在岸线地形测量中得到了越来越多的应用。基本解决了传统岸滩地形人工测量费时费力，甚至无法实施的难题，并日益成为这类区域地形图测量的主流技术。
研发了具有自主知识产权的船载多传感器水上水下一体化测量系统，高度集成了激光扫描仪、多波束测深仪、惯性测量装置和卫星定位接收机等先进传感器，建立了完整的水上水下一体化测量工程解决方案。通过在西沙群岛、千岛湖、胶州湾和海南岛的大量实验验证，系统已达到工程应用水平。
⒋ 无人水面测量船
无人船是一种多用途的观测平台。可搭载多种海洋测量传感器用于实施多种专业测量，无人水面测量船作为一种执行实时、无人、自动测量的综合作业平台，将测量人员从繁重的水下地形测量工作中解脱出来、是现代海洋测量技术装备发展的必然趋势。近年来，国内相关科研院所与企事业单位开展了多种无人水面测量船的研制、测试与试生产。
研制了一种以河川、湖泊、海岸、港湾、水库等水域为观测对象的无人船水域测量机器人，以无人船为载体，平面定位采用高精度GNSS接收机，可自由选择搭载测深系统(单波束或多波束系统)、侧扫声纳、浅地层剖面仪、CCD相机、ADCP、水质分析仪、水下三维激光扫描仪和陀螺仪等多种声、光、电磁高精度传感设备，通过远距离无线传输的方式，实时获取测区水下地形、地貌、水文及水质等信息，无人测量船已通过了中国船级社(CCS)的检验，并在内陆水域、西沙和南沙海域实现了工程化应用。
开发了无人船测控与数据采集处理软件，无人船实时控制、数据加密及解密、无人船运行状态显示和测量数据实时采集、显示与存储功能。并兼容HYPACK等国际通用导航测量作业软件，系统的中央处理系统采用X86平台的低功耗微型嵌入式计算机，具有良好的扩展性和兼容性，支持RS232、RS485、以太网、USB等数据交互端口，实现了多系统数据高效采集，攻克了自主航行、自动目标识别、智能避碰等技术难题。实现了遥控与自主导航航行、路径规划、路径跟踪、水面及水下障碍的自动避障避碰、远距离自主航行等功能，满足了近岸浅滩、礁石区等困难区域的水下地形测量。
（未完，待续）