论文专区▏精密海洋测量与数据处理技术及其应用进展
【编者按】随着我国海洋经济向深海、远海推进，精密海洋测量及数据处理技术得到迅速发展。本文简要地介绍了武汉大学测绘学院在海洋大地测量、海底地形地貌信息获取、水下导航定位、潮汐潮流数据处理及应用、海底底质探测和分类等方面的最新研究进展，对我国的海洋测绘发展具有一定的借鉴和促进作用。本文发表在《海洋测绘》2015年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。赵建虎，1970出生，男，陕西礼泉人，教授，博士生导师，主要从事海洋测绘理论及教学研究。
一、引言
随着我国“海洋强国”、“一带一路”和“海上丝绸之路”等战略的实施，海洋测绘作为海上活动的“先头兵”在技术、装备等方面遇到了前所未有的机遇和挑战，建设“数字海洋”、“透明海洋”对深海资源开发、海态环境监测、海洋渔业生产、海洋工程建设等活动顺利开展具有重要的保障意义。目前，在计算机信息技术的推动下，机载激光测深、多波束测深、侧扫声纳系统、三维图像声纳系统等一批具有全覆盖、高效率、高精度设备在海洋测绘领域普及使用，也使海洋测绘的对象由传统单一的海道测量，扩展至海洋测深、潮汐、潮流、海洋重力、海洋磁力、海洋定位、海底浅剖等综合性测量[1]，并呈现出测量平台及测量设备多元化[2-4]、数据采集陆海一体化[5]、数据处理精细化[6-7]、自动化[8]等趋势。紧跟上述发展趋势，武汉大学测绘学院，在国家大战略需求以及生产和科研单位需求的驱动下，在国家973、国家863、国家自然科学基金、国家支撑计划、省部级基金和相关单位科技项目的支撑下，在海洋大地测量、高精度高分辨率海底地形地貌信息获取、海洋潮汐和潮流、水下导航和定位、海底（浅表层）底质探测和分类等领域开展了相关研究，取得了一些研究成果。下文简要介绍上述研究进展。
二、研究进展
⒈ 海洋大地测量及水下导航定位
⑴地球重力场模型与卫星测高技术[9-10]
开展了全球重力场模型、卫星重力及海洋卫星测高技术的研究，突破了地面重力数据与卫星重力数据最优联合及超大规模快速稳定解算等关键技术，研制了我国首个720阶WDM2001模型。在中国近海及领海海域构建了2′×2′的重力异常数值模型，模型精度达到3～5mGal；确定了中国近海陆海统一基准数字高程模型，取得了优于5cm精度；确定了全球海域2′×2′平均海平面高模型序列，精度优于4cm；研究了近60年全球海平面变化特征，量化了海平面变化趋势及其主要贡献因素，反演并构建了全球海底地形数值模型；建立了15′×15′全球海洋潮汐模型；解决了精密区域大地水准面确定的多项理论和技术难题，实现了“GNSS+大地水准面”的现代高程测量三维一体化技术体系和作业新模式，实现了传统高程基准建立和维持模式的根本性转变，推进了我国现代测绘基准建设进程。
⑵LBL高精度定位及水下控制网建立
研究了长基线水下定位原理，给出了水面绝对基准的高精度传递方法、水下控制网络的布设原则、控制网无约束平差和约束平差的数学模型、声学差分定位方法、高精度水下声学导航定位原则及方法，形成了较完备的水下控制网布网、施测方案和数据处理理论方法体系以及导航数据处理理论方法体系[11]。研制了水下声学导航定位软件，填补了我国的空白。
⑶基于多传感器信息融合的管节高精度沉放对接技术
为满足浅水管节沉放和对接对自动化、高精度和高可靠性定位的需要，设计了基于测量塔全站仪和GPS、声学定位系统、测距定向拉线系统与一体的精密定位系统，给出了一套完整的数据处理理论和方法，并研制了软件。将该技术应用于实际工程，取得了优于2cm的管节沉放对接精度[12]，满足了水下精密工程施工的需要。
⑷水下匹配导航定位技术
开展了基于地形、地貌、地磁的匹配导航研究，形成了原型导航系统[13-14]；改进和完善了ICCP、TERCOM等线-面匹配算法和面-面匹配算法[15-16]；深入研究了贫特征地区和富特征地区对匹配的响应机制，提出了基于共生矩阵、BP神经网络的适配区划分方法；结合INS，提出了连续导航中误匹配的识别、诊断和修复方法。将现有匹配导航的精度从几百米提高到百米以内，为水下潜航器高精度、稳健导航定位提供了可靠的辅助手段。
⒉ 高精度海底地形测量
⑴一体化高精度测深系统和作业模式
为解决传统潮位减水深的单波束（多波束）作业模式中面临的工作量大、动吃水实时测定精度偏低、风浪和船体操纵等引起的船姿问题少有顾及、潮位模型误差实际影响难以准确估计等问题以及综上导致的测深成果精度偏低问题。提出了集GNSS RTK/PPK/PPP、测深、测姿和海洋无缝垂直基准转换等技术于一体的高精度测深技术，以及多信息融合技术的数据处理技术[17]。一体化解决了测深和潮位信息的获取问题，无需顾及动吃水和潮位模型误差，最大限度地削弱了船姿的影响，在航即获得所需坐标系和垂直基准下的测点平面和垂直解。这种一体化高精度测深系统和作业模式，显著提高了测深效率和成果精度，并得到了海事、航道、水文等生产单位的广泛测试和应用，已被写入《水运工程测量规范》。
⑵高精度测深数据处理理论方法体系的构建
❶辅助单元偏差参数自动探测
现代测深系统，尤其是以多波束为代表的全覆盖条带测深系统，除主测深单元外，辅助单元（GPS、MRU、罗经、SVP）在测深数据处理中起着十分重要的作用。辅助单元的安装偏差、测量误差以及由此产生的影响在实际生产中虽有顾及，但探测方法传统、自动化程度和探测精度不高。顾及这些误差特点，先后提出了基于频谱特征的MRU纵、横摇安装偏角动态探测方法、基于位置序列相关性的系统时延实时探测修正方法[18]、基于RTK的罗经安装偏差探测方法、基于相邻条带地形一致性的声速代表性误差探测修复方法以及基于Heave高频特征的Heave异常探测修复方法[19]。相对传统方法，提高了辅助单元偏差探测的效率和精度，为高精度测深奠定了基础。
❷全频段无遗漏换能器瞬时高程的合成
多波束换能器瞬时高程在测深中起着提供瞬时起算基准的重要作用，借助潮位、吃水和Heave（涌浪）联合提供。实际测量中，这三者也成为制约换能器瞬时高程精度的主要影响因素。潮位模型误差、船速突变引起的Heave异常、联合提供的瞬时高程丢失了15s～15min的频段信号，综合在垂直方向最大可造成约±80cm的误差，严重影响成果精度。在分析了GPS高程信号和Heave信号频段特征基础上，利用数字信号处理技术，提取出了GPS高程和Heave中的有效频段信号，合成了全新信号，全频段、无遗漏地反映了多波束换能器的实际垂直运动，克服了传统多波束测量和数据处理方法的不足，将多波束测深成果精度提高了近3倍[20]。见图1。
❸声速场构建理论和精密声线跟踪方法
针对无实测声速剖面（SVP）无法实施声线跟踪以及“一点代面”带来显著声速代表性误差消除困难的难题，提出了基于经验正交函数（EOF），结合参考深度和历史SVP约束的SVP反演方法，获得了与实测SVP近似一致的精度，为无SVP水域深度精确计算提供了新途径；研究了SVP空间变化特性，提出了基于自组织神经网络的SVP分类方法、基于有限SVP和EOF系数的声速空间场建模理论和方法[21]，将传统内插建模法精度提高了3倍以上，显著削弱了声速代表性误差的影响，提高了深度计算的精度。
针对传统常梯度声线跟踪算法在海量、深水多波束数据处理中计算效率低的不足，提出了等效声速剖面法和误差修正法，不失精度，将计算效率提高了10倍以上，为海量多波束测深数据精确高效计算提供了新方法。
❹基于地形频谱特征的残余误差系统性综合影响削弱
多波束测深数据尽管经过各项改正，但仍受声速剖面测量误差和声速代表性误差、安装偏差探测误差、姿态误差等残余误差综合影响，虽然这些误差自身具有随机性，但对测深成果的影响却呈系统性，难以分离和借助传统改正方法实施削弱，在深水区、边缘波束，其影响尤为明显，严重影响了测深成果的质量。据此，提出了一种基于地形变化长波项与短波项相结合的残余误差系统性综合影响削弱方法，解决了这一深海多波束数据处理难题，取得了优于0.5%相对水深精度[22]。见图2。
❺多源测深数据的融合
系统地分析了图载水深误差源，给出了静态、交叉、动态测深精度评定方法；研究了不确定度理论，给出了图载水深不确定度计算模型，并提出了基于不确定度的多源测深数据融合算法，在深海取得了优于0.2%的图载水深精度。
❻多波束测深数据处理软件系统研制
解决了诸多难点和瓶颈问题，在多年研究的基础上，研制了具有自主产权和我国特色的多波束数据实时采集系统、后处理系统，并得到了成功应用。
⒊ 高质量海底地貌图像获取
⑴海底线的自适应综合提取技术
海底跟踪或海底线提取的精度和可靠性直接决定着水柱区宽度、拖鱼到海底的高度以及最终斜距改正后的侧扫声呐图像中特征目标位置和形状的精度，严重影响着基于侧扫声呐图像的海底地貌及特征判别的正确性。受复杂海洋环境如悬浮物、强吸收底质等影响，目前多借助人工提取，费时费力，且精度不高。在系统地研究了阈值法、最后峰法、地形变化趋势法、对称原则及海底跟踪高度滤波算法的基础上，提出了一种海底线综合跟踪方法，并给出了完整的实施流程、跟踪正确性判断原则和精度评价方法。在复杂水域开展了应用，实现了海底线的正确提取，取得了与水深测量精度近似的拖鱼高度。
⑵地理编码及无缝成图技术
为了获得高质量的侧扫声呐条带图像，研究了侧扫声呐原始观测数据的解码、Ping回波强度的转换和编码、瀑布图形成、斜距改正、AVG改正、各种畸变改正处理和地理编码方法，形成了较为完备的侧扫声呐条带图像处理方法体系。为了解决测量中因为船速、航向变化等带来的Ping间孔隙度较大、传统均值插补方法带来的底质图像分布不均匀等问题，提出基于底质变化一致性的横向和纵向插补方法，实现了侧扫声呐图像像素的合理插补、图像对底质变化的一致性反映以及高质量侧扫声呐条带图像的获取[23-24]。
⑶基于共视目标的条带图像分块弹性配准和拼接技术
为了最大限度地削弱地理框架下条带图像拼接存在的目标畸变、错位问题，提出了一种基于共视目标的相邻侧扫声呐条带图像分段拼接方法。通过对侧扫声呐条带图像预处理、基于共视目标的分段匹配、基于小波变换的公共覆盖区图像信息融合，实现了侧扫声呐条带图像的拼接、条带间共视目标的保形和位置纠偏，以及大区域海底地貌图像的高质量获取[25]。见图4。
⑷侧扫声呐数据处理软件系统研制
对侧扫声呐系统数据处理各环节进行了全面深入研究，解决了诸多难点问题，研制了具有自主产权、独具特色的侧扫声呐图像处理软件（SIP）。相较国外同类软件（Sonar Web和Triton），在图像处理的质量和效率等方面整体占优。
⒋ 潮汐潮流信息获取及处理
⑴远距离、复杂水文条件下水位获取
针对远距离潮位获取困难和潮位模型误差对测深影响显著、隐蔽且难以消除问题，提出了基于GNSS的走航/锚定潮位测量方法、基于潮汐频谱特征的潮位提取方法，走航和锚定潮位提取中截止频率的选取原则，100km范围内取得了优于±8cm的潮位精度，克服了传统验潮及潮位模型的不足，为精密测深瞬时起算基准确定提供了全新的解决方案[26]。
为解决大流速、高落差水域水位无法获取的难题，研制了一套基于多传感器集成的浮球漂流水位测量系统，提出了水位最优提取算法，取得了优于5cm的测量精度，实现了复杂水文条件下水位的高精度获取。
⑵基于GNSS潮位的海洋垂直基准传递
针对远距离平均海平面/深度基准面确定困难这一难题，提出了基于GNSS锚定潮位的平均海平面/深度基准面确定方法，并给出了适合不同情况下的、完备的传递模型。100km范围内，实现了优于6.5cm的平均海平面/深度基准面传递精度，为远距离海洋垂直基准的精确确定提供了新的方法[27]。
⑶无缝深度基准面构建及海洋垂直基准无缝转换
结合流域深度基准面的变化特点，研究了8种几何建模法，认为无论验潮站数量、分布及深度基准面变化平缓与否，反距离加权法、克里金法和径向基函数法建模精度较优，基于各自特点，提出无缝深度基准面自适应综合建模法，在长江口实现了优于5cm的建模精度。
从潮汐传播物理机制出发，提出了三种区域无缝深度基准面物理建模法，即基于潮汐调和常数、潮差比和最小二乘传递参数的深度基准面建模方法，并认为三种方法的精度均优于几何法，其中潮汐调和常数建模法的精度和稳定性优于潮差比法和最小二乘传递参数法[28]。
根据物理建模法和几何建模法的特点，提出了大型感潮河段无缝深度基准面综合建模法，在提高建模效率的同时，显著提高了建模精度[29]。
在Saint John河和长江口两个大的流域，构建了无缝深度基准面模型，取得了优于4.5cm的建模精度；构建了海洋垂直基准无缝转换模型，取得了优于5.4 cm的垂直基准间综合转换精度[30]，并成功地应用于精密水下地形测量等应用中。见图6。
⑷高精度流速测量
受外部磁场（或铁质测量船）、底质流动及仪器性能等因素影响，ADCP设备自身难以为流速测量提供准确的方位和船速基准，从而降低了ADCP测量精度并限制了其自身应用。为此，借助外部传感器，通过设备布设、参数计算和替换等研究，给出了一种ADCP流速精确测量和数据处理方法，提高了ADCP流速测量精度[31]，增强了其应用范围。
⑸潮流径流分离及局域时空流场构建
针对传统潮流分析方法对感潮河段走航ADCP数据实施潮流分离表现出的不足，开展了基于梯度训练法的径向基函数潮流分离方法，解决了传统潮流分析方法要求时序数据长、潮流分离实施复杂问题，以及基于贪婪拟合法的径向基函数潮流分离算法存在的节点数无法确定、过度拟合导致结果不稳定等难题，在徐六泾断面取得了较好的潮流径流分离精度。
对大潮、中潮、小潮3个时段的走航数据进行了潮流分离，分别获得了余流场和潮流场的空间分布函数及大潮、中潮、小潮3个不同时段的流场时变规律，构建了局域时空流场，取得了优于±0.20m/s的建模精度，为基于走航ADCP数据构建时空流场提供了一种新途径。
⑹潮汐、潮流数据处理软件系统研制
在理论研究的基础上，研制了潮位数据处理软件，包括了潮位站潮位数据处理、(GNSS)锚定和走航潮位数据处理及提取、潮汐调和分析、MSL和深度基准面确定及传递、无缝深度基准面构建、海洋垂直基准无缝转换等功能。
研制了流速数据处理软件，包括ADCP数据解码及处理、基于外部传感器的ADCP数据处理、潮流分析、潮流径流分离、时空流场构建、流量估计、断面流速获取等功能。见图7。
⒌ 海底（浅地层）底质探测及分类
⑴基于多波束回波强度和侧扫声呐图像的海底底质分类
为了获取反映海底底质特征的回波，研究了多波束回波强度的AVG改正方法，提出了AR曲线建模法和AR曲线聚类改正法；研究了样本选取方法，并给出样本寻优法；研究了样本特征挑选原则，给出了基于主成分分析的特征选取方法；开展了分类方法研究，针对传统基于单一分形维数进行底质分类存在近似底质分类可靠性不高问题，提出了顾及分形维数、空隙特征和多重分形的多特征海底底质分类方法，显著提高了相似底质的识别度，分类可靠性从传统的80%提高到90%以上[32]。
⑵浅地层剖面层析及底质分类
针对现有浅地层剖面图像中层界人工划分方法效率低、准确度不高缺陷，提出了基于图像处理技术的层界自动划分和提取方法。根据回波强度时序的变化特点，提出了基于灰度突变的层界粗提取方法和实施原则；然后根据浅地层底质结构变化的渐进性和连续性，提出了基于拓扑理论的层界精提取和追踪方法；最后，实现了层界的自动追踪和准确提取。将该方法应用于实践，实现了层界划分的自动化，取得了与钻孔取芯相同的界层划分精度。
在层界划分的基础上，研究了层界间底质变化与回波强度变化之间的关系模型，结合钻孔数据，借助前述底质监督分类方法，实现了浅表层底质分类以及三维底质分布图的构建。见图8。
三、结论及建议
论文简要地介绍了武汉大学海洋测绘研究中心在海洋大地测量、高精度高分辨率海底地形地貌信息获取、海洋潮汐和潮流、水下导航和定位、海底底质探测和分类6个方面的研究成果，这些研究成果解决了国家、相关部门在海洋测绘活动中的部分需求难题，成果整体达到国际先进水平，部分成果国际领先，并在实践中取得了较好的应用效果，对海洋测绘科技进步起到了一定的促进作用。
不可否认的是，这些成果离不开国内外科研、生产单位和同行的大力支持，在问题驱动、资金支撑、兴趣共享以及对海洋测绘事业热情的基础上，才取得了今天的成果。期待你们一如既往地支持，共创海洋测绘事业美好的未来。
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