关键词:海洋测绘;海陆基准;遥感图像;卫星测高;遥感测深;信息处理
1 引 言
海洋测绘经过长期的发展,目前已从开始的单一水深测量和编制航海图发展到海岸地形测量、水深测量、底质探测、扫海测量、水文测量、重力测量、磁力测量、工程测量、编制航海图、专题图、航海书表等。伴随着海洋测绘项目的扩展,海洋测绘的手段更加多样化,测量船只从吨位小、数量少、性能差、效率低向具备多要素测量能力的大型综合测量调查船方向转变;从获取海洋测量单一信息向获取海面、海底综合几何信息和海洋物理信息的方向发展;从以船载方式获取信息发展到航天、航空、潜艇等多种测量平台和多种传感器相结合的方式转变。机载激光测深和航空多光谱摄影测量的应用,改变了传统的岛礁、滩涂等浅水区域以及海岸带的测量方法,且具有机动灵活、速度快、效率高等优点;卫星测高和海洋遥感技术的发展,实现了大范围、周期性地探测海洋信息场的任务。一系列新技术的发展,使海洋测绘步入了一个崭新的时代,海洋测绘信息更加丰富,从而也带动了海洋测绘信息处理技术水平的不断提高,其理论和方法不断地得到充实和发展。
2 海陆基准的统一
海陆基准的统一是目前海洋测绘信息处理迫切需要解决的关键技术之一。随着科学技术的提高,海洋测绘的技术手段不断更新,几十年来,经过海洋测绘工作者的不懈努力,已积累了大量的海洋测绘信息,但这些信息由于施测年代不同,测量对象不同,所采用的坐标系统、高程基准、深度基准也不一致,如1954北京坐标系、1980西安坐标系、全球大地测量系统(WGS 84)、国际地球参考系统(ITRS)、1956黄海平均海面、1985国家高程基准、理论深度基准面(海图基准面)、当地平均海面、大地水准面、平均大潮高潮面等。另外,海图、陆图还使用不同的
地图投影。与高程基准比较,深度基准要复杂得多,没有统一的定义。由于存在海面地形、不同海区采用的深度基准面是不同的。不但各国基准不统一,而且同一个国家的不同海域也不统一,同一海域的不同时期也不统一。海图的深度基准以潮位面为依据,不但没有统一的起算面,而且还随时间而变化。我国的平均海面由南向北倾斜高差可达016m,与大地水准面之差部分海域可达118m。目前深度基准的现状,不但妨碍大量有效信息的使用和收集积累,而且还直接危害国际水域的航行安全。精化海洋高程基准使其能和陆地高程基准统一,在海陆交接区具有连续性,以保证在海岸带区域的大、中比例尺海底地形图可以和陆地相应比例尺的国家地形图有良好的可拼接性,不同海域的海图可以实现无缝拼接,以及实现我国与周边国家的基准转换和海陆图的拼接,已是目前急需要解决的问题。
在国外, 20世纪60年代以来,发达的海洋国家,如美国、英国、加拿大、日本和前苏联,就开始对海洋大地定位控制网进行研究和试验。20世纪60年代英国、挪威等国率先在富产石油的北海海域建立了局部海域的海洋大地测量控制网;随后美国、加拿大等国在阿拉斯加湾和墨西哥湾进行了类似的工作;前苏联于20世纪70年代完成了本国海洋大地控制网的布设;日本从1980年开始在其西太平洋海域,以5b@5b方格一点的密度布设了海底控制点。卫星定位技术的发展,特别是GPS定位技术的普及,为在大地坐标系中统一全球定位基准提供了最
有效的技术手段。但以平均海面为参考面的高程基准的统一问题目前还是一个待解决的难题之一,全球现有100多个不同的高程基准,每个国家根据选定的验潮站所确定的平均海面确定本国的高程基准。由于平均海面不是重力等位面,不同基准之间存在1~2m的高差。20世纪70年代以来,对全球高程基准的连接和统一问题进行了大量的研究试验。主要有两种统一方案,一种是欧洲学者R Rummel和B Heck等提出的联合各类空间大地测量和地面数据定义一个和平均海面相联系的最优高程系统,其统一高程参考面是某一个/最优0等位面;另一个是美国R H Rapp和M Kumar等提出的以大地水准面为全球统一高程参考面的方案。两个方案都要求精确求定局部高程基准和统一高程参考等位面之间的位差。海洋深度基准问题则是一个更为复杂的问题,传统深度基准是根据选择某种潮高面的数学模型来定义,不同的国家,同一国家不同海区,甚至不同时间可能采用不同的深度基准,使根据不同深度基准测制的海图相互之间不能拼接。1997年M Kumar提出用大地水准面作为统一深度基准的参考面,可摆脱深度基准与时间的相关性,并提出采用海上GPS定位来实现。在国内, 20世纪50~70年代,在平面基准方面主要完成了全国天文大地网施测和局部平差,建立了1954北京坐标系。在高程基准方面完成全国一期一等水准网,建立国家黄海1956高程基准。在重力基准方面建成了1957重力基准网和推算了全国1970似大地水准面。从20世纪70年代后期至90年代末,在平面基准方面,主要完成了天文大地网的整体平差,建立了1980西安坐标系。在高程基准方面,完成全国二期一等、二等水准网的施测和计算,建成了国家黄海1985高程基准。在重力基准方面建成了1985重力基准网。
我国从20世纪80年代开始,也进行了建立海洋大地控制网问题的研究,海军航保部门及其研究机构进行了局部海域建网的试验。同时国家测绘局也组织了南沙大地控制网的布测,在一些岛礁上建立了GPS点。并进行了南沙岛礁的动态GPS定位和差分GPS定位试验。1996年以来,中国测绘科学研究院、武汉大学和国家基础地理信息中心在国家/8630计划某专项和国家测绘局/九五0项目的资助下,开展了海洋定位基准和高程基准问题的研究试验,包括建立海洋广域差分GPS系统试验,利用卫星测高数据反演海洋重力场和大地水准面以及潮波模型的研究,初步建立了我国海域大地水准面,平均海面以及潮波的数值模型,提出了建立海统一的高程/深度基准的设想和初步方案。
3 海洋遥感图像的精校正
海洋遥感图像的几何精校正也是海洋测绘信息处理的关键技术之一。应用航天、航空遥感图像提取海岸线,进行岛礁、滩涂等浅水区域的测绘是当今海洋测绘的一个重要发展方向。特别是近年来新推出的各种资源卫星、海洋卫星、气象卫星、雷达卫星为海洋测绘提供了全天候不间断、多波段、多时相、多分辨率的遥感信息。如何有效地应用这些遥感信息,并与现有的其他海洋测绘信息共同发挥作用,则需要解决好海洋遥感图像的几何精校正。目前用于遥感图像的几何精校正方法主要以传统方法为主,概括起来,不外乎有多项式校正法和共线方程式校正法两种。多项式校正法回避了传感器成像时的实际空间姿态,直接对变形的图像进行强校正,为了提高校正精度,必须选取大量的地面控制点(GCP);共线方程式校正法需要提供卫星的姿态参数,或者根据一定数量的GCP来反演姿态参数,然后再对图像进行校正。上述两种方法及其校正精度都严格地依赖GCP,不仅要求要有足够的地面控制点,还要求地面控制点的分布应尽可能地均匀分布,当地面控制点不足,或者地面控制点的分布不均匀时,往往是校正精度达不到要求,有时甚至就无法进行精校正。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而海洋遥感图像,虽然在海岸上可以布设一定的控制点,但在海中却很难找到合适的控制点,依靠在零散分布的岛礁上布控,也难以达到实用水平。显然海洋遥感图像这种地面控制点缺少,且控制点分布又不均匀的特点,正是传统遥感图像精校正方法的局限所在,而且它已成为海洋测绘学科发展中急待解决的难点之一,迫切需要探讨并提出相应的解决方法。针对海洋遥感图像地面控制点少,且分布不均匀的特点,已有研究表明空间投影在解决缺少控制点的海洋遥感图像的几何精校正方面有很好的发展潜力。在国外,对空间投影的理论研究是从单张航天像片理论研究开始的,但单张航天像片理论并不能满足不断发展的遥感图像处理和遥感应用的要求。1974年美国地质测量局的科学家A PColvocoresess在5PE& RS6上发表了5空间斜圆柱(SOM)投影)))一种适用于Landsat卫星图像应用的新型地图投影6[3]一文,首次提出空间投影概念,从此开辟了一个新的研究领域)))空间投影(spaceprojection)。A P Colvocoresses描述了SOM投影的几何模型,并未推导其相应的数学公式,后来J LJunkins[4]和J P Snyder[5, 6]于1977年各自独立导出了SOM投影公式。J L Junkins的投影公式通用性强,可应用于非圆形轨道,但是公式较复杂,也不等角; JP Snyder的投影公式简单,且近似等角投影,适用于(陆地卫星)圆形轨道。在国内, 20世纪80年代解放军测绘学院的杨启和教授率先对空间投影的理论和方法进行研究,按照新的思路提出了等角空间投影,并取得了一定的进展。这时期先后出版的学术专著有5地图投影变换原理与方法6[7]和5Transformation of Map Projection)Principle andApplications6[8],在这些著作中详细地论述了国内学者多年来对空间投影理论研究的成果。20世纪90年代以后,对空间投影的研究开始从理论研究转变为理论与实践相结合的应用研究,并通过一系列的实验验证理论方法的有效性。
4 卫星测高和遥感测深技术
卫星测高和遥感测深作为海洋测绘的新技术,其所涉及的数据处理理论和方法是当今海洋测绘信息处理技术的重要研究内容。卫星测高是近二十年来随着卫星遥感测量技术的发展而发展起来的一个边缘学科,它利用卫星上安装的微波雷达测高仪,以微波测距方式实时测量卫星到海面的高度、有效波高和后向散射系数,并通过数据处理和分析,开展大地测量学、地球物理学和海洋动力学研究。和GPS一样,卫星测高是测绘领域一个新的里程碑。它具有快速的全球覆盖能力,能够从宇宙空间大范围、高精度、周期性地探测海洋上的各种现象及其变化,它在研究全球地球重力场模型、精化大地水准面,研究大洋环流、岩石圈断裂带和大尺度海底地形方面都是其他手段无法比拟的。发达国家都非常重视卫星测高技术,并投入了相应的人力、物力。为了以更高的精度和分辨率来研究海洋表面及大洋环流、潮汐等, 1992年8月美、法两国联合发射了海神号海洋地形试验卫星Topex/Poseidon,该卫星的主要任务是:通过测量卫星到海洋表面的距离,实现全球海洋学和气象学的研究。该卫星携带的测量仪器有:星载MonarchGPS信号接收机、双频雷达测高仪、三频微波辐射仪、星载激光反射阵列等。卫星轨道的径向误差比先前的测高卫星的径向误差大为减少,约为1216cm。从已进行的卫星测高试验和正式观测的结果来看,这一技术与方法不仅达到了原设计的目的(改进地球重力场、测定某些海洋参数),而且其应用范围越来越大。在研究全球大地水准面起伏、海洋重力异常、海底地质构造和固体地球物理学、海洋动力学、海潮、洋流、海况、海面风速、极地冰川地貌及其变化等方面,都显示出巨大的潜力。遥感测深的主要技术有SAR、多光谱及高度计。SAR的测深原理是根据水下地形SAR成像模式,建立水下地形与SAR影像的映射模型(数学物理正问题),然后根据求解数学物理反问题的方法,由SAR影像探测水下地形。考虑到SAR的知对象是海洋和大气动力过程生成和调制的海表微尺度波的时空分布,不平静的海洋同时存在着能够激发和调制表面微尺度波动的多尺度运动,这些海洋运动影响了表面微尺度的分布,进而在SAR影像上反映出来。因此,对SAR影像需要进行图像增强和信息分离,图像增强的目的是突出地形特征。信息分离通过海表面SAR影像的纹理特征分析,将反映多种海洋和大气动力过程的多尺度运动综合信息加以处理,把图像中的水深信息分离出来,信息分离可应用小波理论和数据平稳化技术来完成。多光谱的测深原理是根据可见光穿透海水的主要波段蓝绿波段的波谱特性,将遥感图像的像素灰度值,转化成光辐射强度,经过大气校正,把与大气的成分和厚度有关的天空和大气光辐射强度的影响除去,并利用统计方法滤掉随机变化的海面反射辐射强度,获取反映水体及水底光学性质的海面以下的向上辐射强度。然后根据水深定性分析方法,利用物理光学理论分析辐射传输过程,通过光谱反射率与水深的关系,建立水深遥感算法,把水深反演出来。光学测深技术应用于极浅水区,其置信范围在20m。高度计的测深原理是根据测量出海面至卫星的距离,定出卫星轨道相对于地球理想椭球面的距离,从而推算出海面相对于理想椭球的距离。然后对之进行各种地球物理、环境因子校正得到海面高度,并利用高度计测高数据确定海洋的大地水准面高度。大地水准面为地球重力等势面,在海洋中海底地形特征势必会影响地球重力场的分布,这种分布会反映在海洋大地水准面高度的起伏上。因此,根据大地水准面与重力场的关系,结合水层深度、地壳厚度等,即可建立水深数据反演计算模型,推算出相应的水深值。反演方法在理论上是成熟的。近年来,随着卫星高度计的测高精度不断提高,对地面采样逐渐加密,因而测高数据反演重力场、大地水准面及水深的技术和算法也越来越接近实用,且水深越深效果越好。
5 海洋测量信息处理与多元化表示
海洋测量高新技术的发展,使海洋测量信息处理由早期的水深图板制作纸质海图,发展成测量手段多样、测量信息众多的综合性海洋探测。作业模式由手工操作到自动化操作,测量方式实现了由点测量到面测量,数据采集由模拟型向数字型发展。多波束测深系统、侧扫声纳、双频测深仪、海底浅层剖面仪等海洋测量设备已全面实现了数字型记录和输出。不断涌现的海洋测量新技术迫切需要发展与之相对应的信息处理方法,比如在多波束测量过程中,由于仪器噪声、复杂的海况和系统参数设置不合理等因素,使得测深数据中含有少量的异常数据,以及受环境等因素的影响,数据中还存在较小的随机噪声,这些误差可能会导致测量数据中出现假信号,直接影响测深数据对海底的反映,形成虚假地形,从而使绘制的海底地形图与实际地形存在差异。因而必须开展多波束测深异常数据的定位研究,对实时采集到的多波束数据进行必要的编辑、滤除假信息,为后处理成图作好必要的准备。其次,海洋测量信息的传统表现方法是采用海图来加以表示的,随着计算机技术的发展,进而出现了电子海图。但无论是纸质海图,还是电子海图,用户都无法直观地获取海洋地理信息,用户必须借助海图图式和规范,通过读图的形式来获得对海洋地理环境的认识。这种缺乏真实感的表现方法显然急需要加以改进,虚拟现实技术的出现满足了这种发展需求。虚拟现实技术的引入,使海洋测量信息的表示方式由二维静态形式向三维动态显示转化,真实感强的海域三维地理景观的虚拟再现已取得了较大的进展,目前海洋测量信息的表示方式已呈多元化的趋势,信息获取和表示方式正由单一系统累加向多系统集成转化,从多种角度、以多种分辨率展现海洋的全貌。
总之,海洋测绘是一切海洋开发工作的基础和先导,为了适应海洋经济的到来和未来军事斗争的需要,我国将在继续提高海洋测量技术方法的同时,逐步加大海洋重力测量和海洋磁力测量的力度,并将开展精密海底地形测绘、海洋浅层和深层底质测绘、海洋声场测绘和海洋内波测绘等。毫无疑问,海洋测绘信息处理技术还将得到进一步的发展。
论文作者:王剑,王鹤,
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月第5期
论文发表时间:2020/4/30
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