学术交流 | 海洋测绘学科体系研究：海洋测量学

以下文章来源于溪流之海洋人生 ，作者申家双等

溪流之海洋人生

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引言

海洋测量是人类认识海洋、了解海洋的重要手段，居于海洋测绘信息获取、处理、应用三元体系架构的前端和上游，其基本任务是感知获取多要素、高精度海洋基础信息，并按照相关规范要求对数据进行质量控制与标准化处理，生成海洋测量成果(或图件)，为编制各类海图、编写航海资料等提供基础资料，为舰船航行、海洋发展、海洋工程、海洋研究以及海岸带管理提供支撑服务。

发现元素周期律的著名科学家门捷列夫曾说过：“科学是从测量开始的”，强调了测量在科学研究中的重要作用。海洋测量学作为研究海洋测量理论、技术与工程应用的一门综合性学科，是随着人类在社会实践中的需要而产生的，同时又是随着社会生产力的进步和科技能力的提升而发展的。特别是近年来，空间技术、海洋技术、传感器技术、信息技术、通讯技术的飞速发展以及全球导航卫星系统(GNSS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)在海洋领域的广泛应用，推动了海洋测量学科的长足进步。

构建了“天基、空基、岸基、海基、潜基”立体综合海洋测量平台与装备技术体系，海洋地理信息感知能力与要素探测功效得到大幅提升，研发了海洋大地、水深、地形、重力、磁力、遥感等数据质量控制与分析处理系统软件，建立了测量数据精细化处理的业务体系，多源数据标准化处理能力不断增强。其表现出的学科拓展交融性、信息源的多元关联性、数据分析的精细整体性以及成果应用的普适多样性等特征都得到了充分体现。随着海洋测绘从事后走向实时、静态走向动态、二维走向多维、粗略走向精准、区域走向全球的应用发展，目前海洋测量工作仍面临很多问题与挑战，需要从学科发展、理论创新、技术突破、方法拓展、装备更新、能力提升、人才建设等层面综合施策、整体发力，快速转入信息化智能化融合发展新轨道。

本文在前期建立的海洋测绘学科体系框架基础上，参考了«中国大百科全书»(第三版)海洋测绘学分支多名国内学者撰写的词条内容，归纳了海洋测量学科内涵与测量要素，梳理了海洋测量学科专业研究方向，设计了海洋测量学科体系能力分析魔方图，阐述了测量作业流程与关键技术环节，分析了各学科专业的术语定义、研究目的、内容及技术方法，以期为大家了解海洋测量学科体系全貌、加速专业理论发展、推动学科技术进步提供帮助。

学科理论体系设计与专业技术能力分析

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学科内涵与测量要素

海洋测量学是对海洋和江河湖泊及其毗邻陆地地理空间要素的几何性质和物理性质进行准确测定和描述的综合性学科，海洋测绘学的重要组成部分，是在海道测量学基础上逐步发展起来的一门学科。海洋测量学与海洋学、航海学、地质学等多个学科存在联系，特别是与海图制图学与海洋地理信息工程技术关系最为密切。学科理论是以大地测量学、地球物理学、海洋学等地球科学为基础，这些学科发展促进了海洋测量学的发展，同时海洋测量学的发展又推动着测绘、海洋等相关学科的不断进步。

按照海洋测量学科的定义，其测量对象包括海洋、江河湖泊及其毗邻陆地，是各种自然要素、人工要素与人文要素等组成的综合体。自然要素通常包括海岸与海滩的水深、岸线等地形(地物地貌的统称)、海面地形、海底地形与底质、海洋重磁场、海洋潮汐、海水温度、盐度、密度、声速、海流、波浪、泥沙、海冰、水色、海水透明度等；人工要素包括人工建设、人为设置或改造形成的要素，如海岸的港口设施、海中的各种平台、航行标志、人为的各种碍航物、专门设置的各种界限(如禁航区、港界、行政界线等)。人文要素除通信、交通、运输、锚地、补给与社会情况之外，还包括海洋政治、经济、人口、民族、民俗、宗教、历史等要素。

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学科体系结构设计

以海洋空间为主要探测对象的海洋测量学，其原理、技术和方法已拓展形成多个学科分支。按照测量的不同工作内容和任务，海洋测量学通常划分为海洋大地测量、海洋重力测量、海洋磁力测量、海道测量、海洋工程测量、海洋专题测量、海洋遥感测量等7个专业分支，其学科体系结构框架与主要研究内容见图1。

图1 海洋测量学科体系结构框架图

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专业能力分析方法

海洋测量通常基于天基(各类卫星)、空基(飞机、飞艇等)、岸基(车载、单兵与固定站等)、海基(舰船、舰艇等)、潜基(水中潜艇、潜器、潜标与海底观测站等)五类作业平台，通过搭载海洋测量探测装备，以有人或无人的方式来获取海洋地理、海洋重力、海洋磁力等要素信息，满足不同测绘保障需要。

根据海洋测绘信息获取、处理、应用三元体系架构及测量业务流程，海洋测量通常包括信息感知获取、各专业信息的处理分析及各类测量成果的整理输出等3个作业过程。

为全面分析海洋测量各专业方向的发展需求，本文设计了海洋测量学科专业任务域(X轴)、测量业务流程功能域(Y轴)与信息探测平台空间域(Z轴)三维魔方图，见图2，建立海洋测量学科专业(任务维)、海洋探测平台作业(空间维)与海洋测量业务流程(功能维)之间的关联关系，可从3个维度分析描述不同作业空间条件下各学科专业在不同业务流程的能力需求。

图2 海洋测量学科体系能力分析魔方图

三维坐标在空间对应的魔方单元格体现学科专业建设的能力要求，即“XX探测空间在XX作业过程中对XX学科专业(探测要素)的能力要求”。对每个魔方单元格进行枚举和归纳，能清晰、规范地说明学科体系能力需求清单，全面度量体系能力，从不同视角找出空白点、薄弱项和关联性，为学科能力评估和建设重点提供新的方法论指导。如三维坐标(4，1，5)表示基于天基卫星平台在信息感知获取过程中对海道测量专业的能力要求；(7，2，1)表示基于潜基平台在信息处理分析过程中对海洋遥感测量专业的能力要求。

测量作业流程与关键技术环节

通过分析各专业之间的内在联系可以看出，无论是海道测量、海洋重磁测量、海洋工程测量、还是海洋遥感测量，皆是以海洋大地测量专业理论技术为基础并以其提供的关键技术与要素参数来开展后续工作，均以海洋大地测量专业确定的时空基准框架、提供的位置服务(定位信息)及各种海面地形信息(平均海面、海洋大地水准面等)为前提，通过不同探测平台搭载各类传感器探测感知专业测量要素，并按照测量要求对获取的数据进行质量控制与处理加工，生成并输出海洋测量成果图件。

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时空基准统一

时空基准是测定海洋测量要素属性的起算数据和起算面，基准的统一是测量成果交互的基础，时空同步是精细化海洋测量的重点研究内容之一。时空基准由坐标系统、垂直基准和时间基准组成。在坐标系统方面，我国从2008年起启用基于国际地球参考框架(ITRF)建立的地心坐标系统－2000国家大地坐标系(CGCS2000)，它是一个覆盖全部陆海国土、高精度、动态、实用的空间基准。如采用不同的坐标系统，需建立CGCS2000与其他坐标系统的转换关系来实现相互转换。在垂直基准方面，包括陆地高程基准、平均海平面和深度基准面；海洋垂直基准通常借助验潮站潮位观测来确定，也可采用卫星测高、GNSS等方法求定，通过建立高精度海洋大地水准面、平均海面高、海面地形与海洋潮汐等模型，实现高程基准和深度基准的相互转换。时间基准是进行海洋定位、探测等工作的重要基准。时间测量的参考标准由时间系统规定，包括时刻的参考标准和时间间隔的尺度标准。

目前的时间系统主要有世界时和原子时等时间系统。我国的海洋测量通常采用北京时间作为时间基准，是距离北京最近的整纬度(东经120°)的平太阳时。如采用其他时间系统时应明确标出，并通过授时方式建立不同时间系统的相互转换关系进行时间统一归化。

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海洋测量定位

利用定位设备将海洋目标定位在某一参考系的过程。高精度的海洋测量定位是海洋测量工作的基础，具有实时性和动态性等特点。受海洋环境条件的影响，海洋测量定位精度通常低于陆地测量定位。海洋定位的方式通常包括：①光学仪器定位。应用全站仪、经纬仪和六分仪等光学仪器，定位方法主要有前方交会法、后方交会法、侧方交会法和极坐标法等。②无线电定位。利用无线电定位设备测定海上测点至岸台的距离或距离差，从而确定测点位置。主要方法为圆－圆(两距离)定位和双曲线(距离差)定位；按照作用距离可分为近程、中程和远程定位。③水声定位，又称水下声标定位。利用水声设备，通过超声波测向和测距方式确定水面或水下载体位置的方法。可分为长基线(LBL)、短基线(SBL)和超短基线(USBL)定位系统。④卫星定位。卫星定位系统由卫星、地面控制站和卫星用户接收机三部分组成。用户接收机接收卫星发射的卫星星历等无线电信号，从中解释出卫星轨道参数、星历参数、时钟校正等数据，经计算得到测量点位置。由于卫星定位具有全球性、全天候和实时连续的精密三维导航定位能力，已成为海洋测量定位的主要手段，特别是基于差分原理的星基、地基等增强技术可实现任何时间任何地点的高精度动态定位。⑤组合定位。综合利用多种定位技术确定点位的方法。主要有GNSS之间、GNSS与惯性导航系统(INS)、不同基线长度的水声定位组合(如长基线/超短基线定位、长基线/短基线定位、长基线/短基线/超短基线定位等)、卫星/声学系统组合(以测量船为媒介，联合GNSS卫星和水下声学测距技术，可得到全球坐标系统下的海底控制点坐标)等多种组合方式。

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信息感知获取

通常基于各类作业平台及多种海洋测量探测装备，以有人/无人、移动/固定的方式来获取海岸地形、海面地形、海底地形、海底底质、海洋重力、海洋磁力等多种要素信息，满足海洋测量各专业测量成果应用需求。信息感知获取通常分为技术设计、外业实施和质量控制三个步骤。涉及的关键技术主要有测量技术设计(包括确定传感器选用方案、测图比例尺确定与测线布设、验潮站水文站等点布设、海区资料调查计划等)、测线航迹控制、测点高精度定位、平台高精度定姿、测点信息高质量采集、测量误差消除与质量控制等。

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信息处理分析

把测量采集的原始数据按照相关标准规定、处理模型与质量控制等要求进行存储、处理、分析、评估与管理，形成可视化产品和标准数据格式，为编制海图等各种产品提供所需要的测量信息和依据。主要实现海洋测量采集信息环境参数改正、基准统一、误差处理、质量评估，并利用数据库工具对处理前后的数据进行存储、管理和分析。海洋测量数据处理应用软件由不同专业的数据处理模块组成，包括大地控制测量、海岸地形、海底地形(水深)、海洋重磁数据处理以及潮汐分析预报、控制测量成果管理、测量成果图管理、验潮站成果管理等模块；海洋遥感数据处理系统可对全色、多光谱、高光谱、合成孔径雷达(SAR)、激光雷达等遥感影像与点云数据进行校正、滤波、增强、融合、分类等处理，提取所需的海洋测绘信息。

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成果整理输出

测量数据经过处理分析后，按照相应专业技术要求绘制成专题成果图件，编制专业技术报告书，建立各专业测量数据库系统，为编制海图地理信息产品提供所需的各种基础资料，如各专业测量技术设计书、4D(DLG－数字线划图、DEM－数字高程模型、DOM－数字正射影像、DSM－数字表面模型)等成果图板及经历簿、透写图、技术总结、控制、定位、验潮、仪器比对、要素探测过程记录、数据光盘等。

学科研究内容与技术方法

鉴于海洋测量学科涉及研究内容、探测要素比较多，考虑各专业信息处理分析与成果整理输出的规定要求各不相同，以下重点围绕各学科专业的信息获取感知这个维度来分类评述。

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海洋大地测量

研究建立海洋大地控制网点及确定地球形状和大小、研究海面地形与变化的理论与技术。基本任务是建立与大地坐标系统相联系的海洋大地控制网，确定平面和高程基准体系与维持框架，海洋测量高精度定位，测定平均海面、海面地形和海洋大地水准面等，为舰船精确导航、海洋资源开发、海洋划界、海洋工程设计施工，以及研究海底、海面空间形态及其时空变化规律等提供各种基础数据。

研究内容包括：①海洋大地控制网建立。通常按照成片网状或长条锁形方式和一定密度在海岸、海面(海岛、钻井平台等)与海底布设控制点。测定海底控制点位置时，须借助海面测量船(或卫星导航定位系统浮标)，以其位置为过渡点来建立已知点同海底控制点之间的联系。海底控制点通常由固设于海底的中心标石和水声测标两部分组成。水声测标(声标)分为主动式和被动式两种。主动式水声测标主动发射声学信号，或接收测量船上水声设备发出的询问声信号，转发应答声学信号以实现定位功能；被动式水声测标以自身表面反射来自测量船上水声设备所发射的声信号，再被相关水声设备接收以实现定位功能。②控制测量。在海洋大地控制网(点)基础上加密测定海控点平面位置和高程，为海岸地形、海底地形、助航标志测定以及海洋工程测量等，提供平面控制和高程控制基础。海控点按平面控制精度分为海控一、二级点，其分布应以满足海岸、海底地形等专业测量要求为原则。平面坐标测量主要采用GNSS测量、三角测量等方法，对远离大陆的岛屿地区，以天文测量和卫星定位来确定平面控制点，并采用当地的平均海面作为高程起算面；高程测量主要采用水准测量、测距高程导线测量、GNSS水准高程测量等。③海面定位。确定水面载体的位置，近岸海域可采用光学定位、无线电定位、卫星定位和声学定位等方法来实现；较远海域则主要采用卫星定位、声学定位和各种无线电定位系统。④水下定位。确定水下运载体的位置，主要采用船载惯性导航系统、水声定位系统以及组合定位系统。⑤平均海面测定。一般在沿海设立验潮站，测定该站每小时的水位，计算出日、月、年和多年平均海面。平均海面是利用某地一定时间内每小时海面高度来求算术平均值，又称平均海水面。多年平均海面用18.6年(潮汐天文周期)或更长时间的连续观测资料计算。⑥海面地形测定。近岸海域海面地形通常采用几何水准法测定；深远海海面地形通常采用海洋水准测量法测定；卫星测高法是利用多年的卫星测高数据得到的平均海面和由某一给定的地球重力场模型计算得到的大地水准面，两者相减即可得到海面地形。⑦海洋大地水准面测定。综合利用地面和空间大地测量技术来确定。地面大地测量技术包括重力测量、天文大地测量、卫星导航定位系统/水准测量等；空间大地测量技术包括卫星测高、卫星激光测距、卫星重力测量等。表征大地水准面形状的模型有数学模型和数字模型。数学模型是采用球谐/椭球谐函数来表示大地水准面与地球椭球面的差距；数字模型则以网格形式将一定范围内大地水准面与地球椭球面的差距作离散化数字表示。

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海洋重力测量

测定海域重力加速度值的理论与技术，为研究地球形状和地球内部构造、探查海洋矿产资源、保障航天和战略武器发射等提供海洋重力场资料。测量方法有：①海底重力测量。将重力仪安置在海底，利用遥测装置进行测定，通常适用于在深度浅于200m的海域作业，现代化的海底重力仪可在深达4000m的海底开展工作，其特点是几乎不受海上各种动态环境因素的影响，但实施技术难度大，效率低，仅少数特殊应用需求采用。②海面船载重力测量。将海洋重力仪安装在测量船上，在航行中进行重力测量，是海洋重力测量的基本方法，属于相对重力测量。测线网一般布设成正交形状，主测线尽量垂直于区域地质构造线方向，作业时测量船尽量按计划测线匀速航行。其测量精度取决于重力仪的观测精度和定位精度。仪器受到的干扰加速度影响主要有厄特沃什效应、水平加速度影响、垂直加速度影响与交叉耦合效应等。③海洋航空重力测量。将重力测量系统安装在飞机上，在飞行过程中实施的重力测量，可快速获取海陆交界的滩涂地带及浅水等困难区域的高频重力场信息。与海面船载重力测量一样同属动态重力测量，需对观测数据进行垂直加速度改正、厄特沃什改正、水平加速度改正和姿态改正，为获得海面点重力值还需将空中重力值向下延拓。④卫星海洋重力测量，又称空间重力测量。由卫星搭载的仪器直接测定或由其观测值反演计算而得。根据观测原理的不同，卫星重力测量可分为卫星重力梯度测量(SGG)和卫星跟踪卫星测量(SST)，SSG是通过在卫星上安装重力梯度仪直接测定海面重力场参数；而SST通过观测两颗卫星之间的距离变化直接敏感地球重力场的细部结构，进而反演海面重力场参数。而卫星测高海洋重力反演是基于测高卫星获取的海面高数据或由其推算得到的垂线偏差信息，依据地球重力场参数固有的泛函关系，反演计算出海域重力异常或扰动重力，反演方法主要包括数值积分法、最小二乘配置法和谱分析法。

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海洋磁力测量

利用磁力仪测定海洋表面及其附近空间地磁场强度和方向的技术。以海底岩石和沉积物的磁性差异为依据，通过观测并研究海域地磁场强度的空间分布和变化规律，可探明断裂带的位置走向与火山口位置等区域地质特征，寻找海底铁磁性矿物、石油、天然气等资源，在军事上可用于探明水下沉船、未爆军火、海底管道和电缆等目标特征，为舰艇安全航行和正确使用水中武器提供地磁背景场信息。根据载体不同可分为：①船载海洋磁力测量。利用普通舰船拖曳海洋磁力仪，按照计划测线连续采集地磁场强度数据，是海洋磁力测量常用的方法。测量时需布设主测线和与主测线正交的联络测线，根据主测线与联络测线的交叉点不符值消除系统误差、计算测量精度。②海底磁力测量。将质子旋进磁力仪安置在海底直接测量地磁场强度。在海面和海底同时进行测量，可得到地磁场的垂直梯度。③航空磁力测量。将磁力测量系统安装在飞机上，在飞行过程中实施的磁力测量，适用于舰船无法达到的复杂海域，具有效率高、费用省、不受海底地形或海面障碍物影响等优点。有两种类型：一种是由飞机携带总强度磁力仪，在空中连续采集地磁场强度数据；另一种是使用分量磁力仪同时测量地磁场强度和方向，但精度较低。④卫星磁力测量。卫星携带总强度磁力仪、分量磁力仪和星像照相机，准确确定卫星飞行姿态，实现对近地空间的地磁场强度和方向的探测。

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海道测量

以测定与地球水体、水底及其邻近陆地的几何与物理场信息为主要目的的测量与调查技术，主要服务于船舶航行安全和海上军事活动，同时为国家经济发展、国防建设和科学研究等提供水域和部分陆域地理和物理基础信息。

按测量区域分为：①港湾测量：对港口、海湾、锚地、进出港航道水域及其毗邻陆地实施的海道测量。为出版大比例尺港湾海图、海湾与港口管理与规划、港湾建设、海上人工建筑物建设与维护等提供基础信息。②沿岸测量：距海岸约10nmile之内水域及其毗邻部分陆地实施的海道测量，为出版大比例尺沿岸海图与地形图、陆海划界、海岸与海域管理与规划、港口设计、航线设计、海上人工建筑物建设与维护等提供基础信息。测图比例尺通常采用1：1000～1：50000。根据需求重要及特殊要求应实施更大比例尺或全覆盖海底地形测量。③近海测量：距海岸约10～200nmile内水域实施的海道测量，为出版中比例尺近海海图、划定功能区、航线设计、海上工程建设、海洋科学研究和海上资源开发等提供基础信息。通常是为出版1：10万～1：50万海图而实施的海道测量。④远海测量：距大陆海岸约200nmile以外水域实施的海道测量，为船舶远洋航行、划定功能区、资源勘探和海洋科学研究等提供基础信息。一般出版小于1：50万海图。⑤内陆水域测量：以江河湖泊水体及其边界为对象进行地形、水文等要素的测量技术，获取水域地理信息与水沙要素信息，为内陆水域管理、开发、治理、利用及环境保护服务。测量内容有：一是水道地形测量。对江河湖泊区域岸线、滩地、地形、建筑物的测量。二是断面测量。在江河湖泊观测区设置若干断面，沿断面线进行定期或者不定期测量，用于分析水道季际或年际冲淤变化规律。三是险工险段测量。对堤防、堤岸、不稳定河岸及堰塞湖、滑坡体、堤防溃口等进行地形、水边线、断面测量及水面流速流向观测等，为抢险救灾提供资料。四是河道演变观测。对变化河床进行观测，为河道演变分析提供基础资料。五是水文泥沙观测。对水力要素和泥沙要素进行的观测。为水利(水电)工程设计、验证、安全等提供依据。六是水道图编制。将江河湖泊水体、边界地物地貌及其他地理要素编制成图，为水利建设、水道开发、水道管理和水道研究等服务。⑥港口航道测量：对港口航道及其配套设施进行的测量。通过水深测量与海岸地形测量等手段，获取港口的地形地物及岸线特征、航道的详细水下地形特征，为编绘航海图提供基础数据，为航道规划设计、施工及航道养护、船舶航行提供资料。

海道测量主要内容包括水位观测、海岸地形测量、海底地形测量、海底底质探测、助航标志测定、航行障碍物探测(扫海测量)、海洋水文观测、海洋声速测量、海区资料调查等。

⑴水位观测

利用观测装置在选定水域固定地点观测水面垂直变化的方法和技术，为海道测量提供平均海面、深度基准面和水位改正数据。在海洋区域，观测和记录因潮汐和气象因素引起的海面变化，也称潮汐观测或验潮。常规水位观测方法有：①水尺读数法。读取和记录水面在水尺(一种专用标尺)上的读数。因受波浪等扰动因素影响大，主要用于短期和临时验潮，或用于对其他自记式设备观测结果进行校核和基准标定。②水位计自动观测。采用浮子式观测和记录系统、压力式水位计、激光水位计、声学水位计等自动观测和记录设备，自动记录水位变化。其中浮子式水位计主要安置于长期验潮站的验潮井中。③定点测深法。采用锚泊的测量船或其他测深载体，在水域选定地点以一定的时间间隔测定水面到水底的深度变化，获取水位变化过程，通常简称定点验潮。利用载体高精度卫星定位结果记录水面变化以及测高卫星观测的海面高度变化是水位观测方法的拓展。

⑵海岸地形测量

确定海岸线位置和海岸性质以及对沿海陆地地形实施测量的技术。为与水深测量成果拼接，通常还要测量海岸线以下至半潮线的海部地形。测定海岸线时可根据海岸植物边线、土壤和植被颜色、湿度、硬度，以及流木、水草、贝壳等冲积物来确定其位置。海岸地形测量采用国家统一规定的大地坐标系，测图比例尺应与实施的水深测图比例尺相同。以海岸线作为高程(深度)基准的分界线，海岸线以上陆地的高程采用国家高程基准，海岸线以下干出滩和浅海水深采用理论最低潮面作为深度基准。主要采用全野外数字地形测量、航空(航天)摄影测量、航空(航天)激光扫描测量(LiDAR)及水上水下一体化移动测量等方法实测。

⑶海底地形测量

测定海底地形起伏形态和地物空间信息的技术，包括水深测量与海底地貌测量，通常对海域进行全覆盖探测，确保详细测定测图比例尺所能显示的各种地物和微地貌，为编制海底地形图和建立海底地形模型提供基本资料。主要方法有：①船载测深技术。利用声波回声测深原理以断面法测定海底地形的技术。是当前海底地形地貌测量的主要手段，集单波束、多波束测深技术、侧扫声纳技术、GNSSRTK、PPK、PPP高精度定位技术、定位定向系统(POS)技术和声速测量技术于一体，在航实现多源数据采集与融合，作业时测量船沿预定测深线进行测量，定位通常采用全球导航卫星系统和无线电定位系统。②航空测量技术。适用于水深浅于50m、海水透明度较高海区的海底地形测量，按探测原理，分为激光测深和多光谱摄影测量两种。激光测深是由机载激光测深系统发出双(或单)色激光，利用从海面和海底回波信号的时间差计算出深度；多光谱摄影测量是在飞机或其他航空器上使用多光谱摄影仪，根据不同光谱渗透海水能力差异原理，获得不同深度层的图像，进而计算出相应的水深(详见海洋遥感测量)。③水下测量技术。一是以AUV、ROV等为平台，利用搭载的超短基线定位系统、惯性导航系统、压力及姿态传感器等设备获取平台的绝对位姿信息，同时利用多波束测深系统与侧扫声纳系统获取海底地形地貌；二是由潜水员携带水下经纬仪、水下摄影机、水下电视摄像机等在海底进行地形测量，适用于狭窄水道、礁区等航行危险区小范围探测。

⑷海底底质探测

测量海床表面和浅表层沉积物类型及其分布等信息的技术，为掌握海底底质物理特征、结构特征、演变规律及分析海底地貌提供基础资料。探测方式包括：①底质取样探测。依托测量船开展测深和定位，并利用现场取样设备采集海床表面底质样品，对样本的底质属性开展实验室分析，结合位置和深度信息，最终绘制底质类型分布图。②底质声学探测。借助声学设备发射的不同频率声波及接收来自海底的回波信息，基于不同底质对声波回波信号的相干分量贡献不同这一机理，通过反演海底表层不同沉积物的声学参数，如声阻抗、声吸收系数等，结合不同沉积物的密度、孔隙率和颗粒度等物理参数，构建经验模型，实现海底底质分类；也可利用不同底质的回波强度或振幅的统计特征，如平均值、信息熵、标准差和高阶矩等，借助聚类分析方法，通过构建分类器实现不同底质类型的划分。

⑸助航标志测定

测定岸上和海上各种助航标志位置、高程、形状等特征、导引船舶航行和确定船舶位置的测量技术。通常采用卫星测量、光学测量与人工量测等方法。测定要素按性质分为：①固定助航标志测量。包括灯塔、灯桩、立标、导标、测速标、罗经标、桥墩、警告牌、雾号、无线电指向标等建筑设施的专用助航设施，以及高烟囱、架杆、水塔、教堂尖屋顶、塔尖、独立峰岩、礁石、山顶独立石或著树等建筑和天然目标的辅助助航设施。其位置可采用GNSS测量法、方位距离法、交会法等方法测定；高程可采用水准测量、三角高程法、测距高程导线等方法测定。②浮动助航标志测量。包括灯浮标、灯船、桥墩限宽及限高灯等装有发光设施的水上发光浮动助航标志，以及标绘在海图上或其他官方出版物上刊载的有关航行安全的其它设备和标志。测定内容包括助航标志位置、编号或标记符号、形状、表面颜色及灯光颜色、灯光发光周期等。海上浮标应测定其平潮时的位置和最大涨落潮时的旋回半径。位置测定可采用岸上交会法和测船靠近浮标直接测定等方法。

⑹航行障碍物探测

对妨碍船舶安全航行的地物、地貌进行的探查与测量的技术，又称扫海测量，目的是查明航行障碍物，为水面或水下航行提供准确的碍航信息。一般在航道、锚地、训练区和港湾实施。航行障碍物按性质分天然和人工两类，天然障碍物包括礁石、岩峰、浅滩、海草等；人工障碍物有沉船、水下爆炸物、工程遗弃物、渔栅、海上养殖场等。探测内容有：障碍物位置、最浅深度或高度、性质、形状和水下延伸范围，通常以图形或文字方式表示在海图或其他航海出版物上。探测方法有：扫海具扫海、侧扫声纳扫海、多波束测深系统全覆盖探测、海洋磁力仪扫海、测深仪加密测量与潜水员水下探摸等。障碍物性质可利用底质探测方法，或根据测深仪、侧扫声纳回波记录进行分析判读确定。障碍物的位置、形状、延伸范围和深度，用水深测量、扫海测量的方法测定。重要的暗礁和沉船的最浅深度，由潜水员直接量取。

⑺海洋水文观测

对海洋水文要素量值、分布和变化状况进行测量或调查的方法和技术。其目的是掌握海洋水文要素运动、分布或变化规律。水文观测活动通常按规定时间，在选定的海区、测线或测点上布设适当的仪器设备进行水文要素测量(为海洋测量数据处理提供改正参数，为海图编辑出版、海洋水文气象预报、海洋工程设计与建设以及海洋科学研究提供基础信息资料。)。内容包括：水深、潮位、海流、波浪、盐度、水温、泥沙、海冰、水色、海水透明度和海发光等。观测方法可分为：①直接观测。以船舶、浮标、潜标和水上平台等为载体，利用仪器设备中感应元件在水文要素变化时产生的物理、化学性质相应变化，利用两者间的变化关系和技术手段直接测量水文要素特性。②遥感观测。以岸基平台、飞机、卫星等为载体，利用雷达、摄影设备，无接触、远距离地探测并记录海洋的电磁辐射信息，利用电磁辐射信息与海洋水文要素和环境条件之间的内在关系，提取或反演海洋水文要素特性。

⑻海洋声速测量

测定水面至水底垂直剖面上声波传播速度的技术，为研究声波在海洋中传播规律、分析其对声纳设备的影响提供技术手段。用于构建声速剖面图和水声环境模型，声速剖面图为声纳系统测得的距离(深度)提供声速改正，提高声纳系统测距(深)精度；水声环境模型可预报海区水声传播条件、分析声纳作用距离(盲区)以及水声环境影响，提高声纳系统工作效能。声速剖面测量按测量元素可分为直接法和间接法。直接法由声速测量仪直接测出不同深度层的声速；间接法由声速测量仪在下沉过程中不断测出温度、盐度和深度，依据经验公式，即可计算出不同深度层的声速。按海上作业方式可分为定点式和走航式。定点式声速剖面测量，是在预先选定的声速剖面站位上进行声速剖面测量；走航式声速剖面测量，是船只在走航过程中实施声速剖面测量。

⑼海区资料调查

海道测量中为证实、补充测区内所测资料的真实情况而进行的调查。内容侧重搜集碍航物、助航标志、港口设施、水文气象等自然地理环境，通信、交通、运输、锚地、补给等保障条件的详实资料，为编制海图、航海书表和兵要地志等提供参考资料。

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海洋工程测量

海洋工程建设规划、设计、施工和运营等阶段的测量工作，为利用、开发和保护海洋提供基础支撑。按区域可分为海岸工程测量、近岸工程测量和深海工程测量等；按类型可分为海港工程、海底构筑物、海底施工、海洋场址、海底路由、海底管线、水下目标、疏浚工程、吹填工程、施工定位、水下基槽施工、水工变形与泥沙测量等；按建设过程可分为①规划阶段测量。主要提供地形资料和配合地质勘探、水文观测。②工程可行性研究阶段测量。测图比例尺比规划阶段大，具体技术指标有所提高。也可与规划阶段测量同时进行。③设计阶段测量。确定平面坐标系统和高程(深度)基准，测绘较大比例尺地形及水深图，并提供其他较详细的测量资料。④施工阶段测量。主要任务是按照设计要求，在实地准确标定建筑物各部分的平面和高程位置，作为施工和安装的依据。⑤竣工验收阶段测量。工程验收前的测量，主要内容包括水深测量、地形测量、横断面测量及固定地物点坐标的测定等。⑥运营阶段测量。进行周期性的重复观测或自动化持续观测，即变形监测。

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海洋专题测量

针对国民经济建设或国防建设某一专项工程需求开展的海洋测量及调查工作，为利用、开发、保护海洋与维护海洋主权等提供基础支撑。

⑴领海基点测量

为领海基点的选划、建设、维护开展的海岸带地区控制测量、海底地形测量、海岸地形测量等工作。包括领海基点选划和领海基点建设、维护等内容。主要测定中小比例尺的水深图和地形图，用于确定领海基线的整体走势和拟选划领海基点的概略位置；在拟选划领海基点的海岸带(或岛礁)附近，测量大比例尺的水深图和地形图，用于精确选取领海基点的位置。

⑵海洋划界测量

海岸相邻或相向国家之间为划分领海、专属经济区或大陆架边界开展的海底地形测量。测定拟划界海域海底地形地貌形态、主要航道位置、大陆架边界等地理信息，为海洋划界提供依据。

⑶海域使用测量

对涉海项目用海位置、界址、权属、面积和用途等进行的实地核定、调查和测量，为海域管理和海域确权提供基础数据，是海域使用管理的基础工作。测量内容包括海域使用界址点测量、海域权属测量、面积量算及海域使用现状图绘制。海域使用测量工作过程分为技术设计、前期准备、外业测量与实地核查、内业整理及成果归档五个阶段。

⑷兵要地志调查

根据军事需要对确定地区自然地理条件和社会经济状况进行的勘测和考察，为编写兵要地志收集和整理资料。调查项目包括地形、地质、交通、通信、水文、气象，政治经济状况，人口、民族、民俗、宗教和历史，军事实力等。主要工作内容包括现地考察和调查研究，对要地察看、勘测和绘图，人文地理资料收集，内业分析整理，搜集、查阅旁证和历史资料，必要的计算、图形图像处理，地名、位置和数据的核实确认，建立数据库和各类档案。

⑸海籍测量

对宗海界址点位置、界线和面积等开展的测量工作，为海域使用规划、海洋经济活动、海洋环境保护等管理决策提供基础资料。测量内容包括：①平面控制测量。建立高精度的海籍测量平面控制网，满足常规测量仪器对沿岸项目用海测量的需要。②宗海界址测量。一般采用GNSS定位法、全站仪极坐标法、信标差分法、GNSS广域差分法、GNSS RTK等方法获取界址点坐标。③面积计算。基于测量海域界线拐点的坐标值，利用坐标解析法或采用计算机专用软件计算海域面积。④编制或修订海籍图。反映所辖海域内的宗海分布情况。⑤绘制宗海图。宗海图是海籍测量的最终成果之一，也是海域使用权证书和宗海档案的主要附图，包括宗海位置图和宗海界址图。

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海洋遥感测量

远距离感知与测量海岸与海洋物质性质、位置及运动参数的技术和方法。通过专门的光学、电学和声学等探测仪器，获取不同地物对电磁波、声波的辐射或反射信号，处理并转换为可识别的数据、图形或图像，从而揭示所探测对象性质及变化规律，可快速高效获取和更新海洋地理空间数据，具有大面积、同步性、整体性、连续性和实时性等优势。根据传感器工作方式划分为主动式遥感和被动式遥感；根据传感器搭载平台可分为航天遥感测量、航空遥感测量、海岸遥感测量、海面遥感测量和水下遥感测量等；按照技术性质可分为可见光、多(高)光谱、红外、微波、海洋声波遥感测量等。遥感遥测传感器包括可见光摄像机、激光雷达、红外辐射计、合成孔径雷达、微波散射计、微波辐射计、雷达测高仪等；船载水面或水下遥测设备尚有浮标、声纳、多参数水文测量与分析仪器等。

⑴航天遥感测量

以卫星为载体，通过搭载各种传感器及GNSS、POS等辅助设备，获取海岸、海面、水体和海底地形要素及目标信息的技术方法。通常包括卫星遥感海岸地形测量、卫星激光扫描海岸地形测量、海洋目标卫星探测等。

a)卫星遥感海岸地形测量

利用航天摄影测量技术实施海岸地形测量的理论和技术。主要用于海洋与陆地相互邻接地带大范围地物地貌的测绘，为编制海岸带地形图和海图提供基础资料，特别适用于境外乃至全球海岸地形测量。海岸地形卫星遥感数据包括全色、多光谱、高光谱、合成孔径雷达(SAR)等，其测量方式主要包括：①卫星遥感测图：以单片卫星影像为主，经过几何纠正、融合增强、镶嵌配准等处理，生成正射影像，通过影像判读、量测、信息提取，制作测绘产品，常用于修编海岸地形图和海图；②卫星摄影测量：以立体影像为基础，经过影像定向、模型安置、立体测图、制图编辑、产品制作等工序，编制测绘产品，用于海岸地形图测绘和海图编绘；③合成孔径雷达干涉测量(InSAR)：以SAR卫星数据为主，通过多幅SAR影像相位解缠、地理编码、图像配准、干涉相位滤波和高程信息提取等处理，提取高精度ＤＥM数据和地表形变信息，支持海岸地形图编绘和海图编绘。

b)卫星激光雷达海岸地形测量

利用卫星平台搭载激光雷达(LiDAR)实施海岸地形测量的理论和技术。作为主动式遥感的一种目标三维空间信息探测方式，通过测定激光在传感器与目标物体之间的传播距离，结合卫星平台位置及激光束方向信息，获得目标的精确测定，可为海岛、滩涂、境外海岸带等困难区域提供高质量、高精度的激光多波束点云数据。激光雷达根据工作模式不同分为线性体制(多为扫描式脉冲全波形探测)激光雷达和单光子体制(光子计数探测)激光雷达。传统线性探测体制激光测高仪(如美国ICESat的地球科学激光高度计系统GLAS)获取的数据已在各行各业得到广泛应用，但其探测体制技术特点限制了星载激光测高仪测绘性能的进一步提升，难以满足更高精度、更高密度的测绘要求。单光子激光雷达采用高重频、微脉冲、窄脉宽、低能量的激光器，其灵敏度相比于传统线性探测器提高了2～3个数量级，具有多波束、高精度、小体积、轻质量等诸多优势，已成为目前国际上最先进的主动式激光雷达探测技术。2018年美国发射ICESat-2卫星，其搭载的先进地形激光测高仪系统(ATLAS)便是采用微脉冲多波束光子计数的激光雷达技术。

c)海洋目标卫星探测

利用卫星上的遥感设备对海面和水下物体目标进行探测的技术。依托我国自研的“天绘”“资源”“高分”“海洋”等系列对地观测卫星以及国外公开的各类卫星资源，利用卫星搭载的可见光、多光谱(高光谱)、SAR、红外等探测器获取的图像数据，快速、高效地探测水下天然和人工物体、船舶和船只尾迹等目标。

⑵航空遥感测量

以有人飞机、无人机等为移动载体，通过搭载各种传感器及GNSS、POS等辅助设备，获取海岸、海面、水体和海底地形要素及目标信息的技术方法。

a)海岸地形航空摄影测量

利用航空摄影测量技术实施海岸地形测量的理论和技术。包括常规陆地地形航空摄影测量和双介质浅海地形航空摄影测量，主要用于海洋与陆地相互邻接地带大范围地物和地貌的测绘，为编制海岸带地形图和海图提供基础资料。测量工序包括：①航空摄影：包括测区踏勘、资料收集、技术设计、飞行作业、数据质检、补摄等作业环节，摄影航线布设以海岸线走势为主，增加航向重叠度和旁向重叠度，保证像片间连接点数量与立体像对覆盖性，航摄时间尽量选择低潮期。②控制测量：包括像控测量方案设计、首级控制测量、像控点测量等环节，根据海岸地形特征布测相应控制点。③像片调绘：侧重海岸线、干出滩、航行方位物、岸滩性质等要素调绘，对重点区域实施高程测量、浅海水下地形测量。④水位控制：航空摄影时进行水位观测，获取瞬时水边线高程信息，增加空中三角测量的约束条件。⑤空中三角测量：结合控制测量获取的控制点与航摄瞬间的水位线，通过相对定向与绝对定向构建立体模型。⑥立体测图：对定向后立体模型实施立体测图，采集地物、地貌信息，突出海图要素，绘制高精度测绘产品。海岸地形航空摄影测量以GNSS辅助的稀少控制测量模式为主。

b)海岸地形机载激光探测

以有人飞机、无人机等为移动载体，利用激光脉冲对陆地和水体进行测量的技术。其原理是应用激光相干性、单色性及其脉冲窄、功率大、散度小等特性，通过红绿两束激光分别测量飞机到海面(地面)和海底的距离，通过计算距离差来获得陆地和水深信息。机载激光探测属于全覆盖测量技术，飞机底部预留有激光扫描窗口，以便发射器发射和接收激光脉冲。为确保全覆盖测量，相邻两条测带应有一定重叠。其探测能力主要受水质透明度、激光器的平均功率、飞行高度等因素影响，有效测量深度取决于光束在海水中的衰减程度(海水混浊度)、测深精度、激光脉冲持续时间和发射功率等因素。其技术优势是效率高、机动性强，主要适用于浅水区大面积的高效率、高精度的海底地形地貌测量，特别适应于船只无法到达危险海区实施测量，并具有在岸线附近同时进行水下和岸线地形测量能力，可实施陆海一体化无缝测量，是多波束测深技术的有力补充。

⑶海岸遥感测量

以车载平台、单兵便携平台等为移动载体，通过搭载CCD相机、LiDAR等传感器及GNSS、POS等辅助设备，获取海岸地形要素及目标信息的技术方法。车载海岸遥感测量平台以无控方式沿设计路线进行快速机动测绘作业，测量区域覆盖车辆可以到达的沿岸陆地、海岸及部分干出滩，获取沿迹DEM、DLG、DMI、激光点云及方位物等测量成果。基于单兵背负和手推车等方式搭载轻便易携的单兵测量传感器，可灵活实现人可到达的海岸带区域海岸、干出滩、海岸线及碎部点等地物与野外调绘作业，可获取控制点、碎部点、调绘成果与可量测全景影像，是车载海岸遥感测量平台的有效补充。

⑷海面遥感测量

以海面(有人/无人)船只等为移动载体，通过搭载各种传感器及GNSS、POS等辅助设备，获取海岸、海面、水体和海底地形等要素及目标信息的技术方法。利用遥感设备非接触、面扫测特点，集成多波束、激光扫描仪、稳定平台、POS等于一体，安装在测量船或气垫船上，形成水上水下一体化移动测量系统，同步实现水深及岸边地形的测量，尤其适应于堤坝、码头等水域，但在一般浅滩地带则存在测量盲区。

⑸水下遥感测量

以水下潜器(AUV)、单兵便携平台等为移动载体，通过搭载各种传感器及定位、定姿等辅助设备，获取海底地形、底质等测量要素及水体目标信息的技术方法。水下遥感测量可抵近目标物实施探测，是海面遥感测量的有效补充手段。海面声纳成像虽可满足对近场目标和环境信息获取的需要，但存在分辨率低、对细微特征难以捕捉等不足，声纳成像系统常与水下光学成像系统(相机)配套使用，即利用二维声纳成像系统快速发现目标，再利用光学成像系统接近目标，获取分辨率和清晰度更高的目标图像，但水下光学成像质量受水质影响较大，只能在清澈海水环境下应用。

⑹遥感信息反演

利用光学、微波等卫星遥感数据按照一定的数学模型反演海洋几何(水深、地形)信息的技术方法，用于海岸带、海岛礁周边浅水区域概略水深及大洋大尺度水下几何信息的探测，是常规测量技术的有效补充。反演方法主要有：①基于物理光学的多光谱(高光谱)遥感影像浅水深反演。利用光波通过水体呈指数衰减的规律，构建遥感图像与不同水深回波强度之间的映射关系，通过建立相应模型来反演水深。②基于合成孔径雷达(SAR)图像和海洋流体动力学的水深反演。利用SAR图像探测的海面后向散射强度与海表层流场、浅海地形的相关关系，构建SAR图像与浅海水下地形之间的映射方程，通过建立相应模型来反演水深。③基于卫星测高技术的大洋海底地形反演。将卫星测高数据经过改正、滤波、平差、频谱分析等处理，获取海面高度数据，计算海洋大地水准面和海面地形，反演海洋重力异常，进而反演大洋海底地形，可用于200m以深大尺度海底地形探测。由于受水体特性复杂、环境动态变化等因素影响，水深反演模型的普适性与精度有待于提高。

结束语

学科发展是科技进步的重要基础，是国家科技竞争力的重要体现。海洋测量学作为人们认知海洋的基础学科，在海洋强国战略推进实施过程中其地位愈发重要、作用愈发凸显。本文在分析海洋测量学科内涵与探测要素基础上，设计了海洋测量学科体系构架，建立了海洋测量专业能力分析方法，为全方位、多视角描述分析学科专业体系提供方法指导。

根据海洋测量作业要求，梳理分析了通用测量流程与涉及的关键技术环节，并按照学科体系以信息感知获取为重点详细评述了海洋测量学各专业的概念定义、研究意义及测量技术方法，系统展示了海洋测量学科全貌以及专业研究内容与技术方法，为明晰海洋测量学科专业内涵、拓宽理论视野、提升思维层次、促进学科建设以及推动事业发展提供理论参考和技术支撑。

END

来源：溪流之海洋人生；文章来自《海洋测绘》（2021年第2期）

作者简介：申家双，河南新乡人，正高级工程师，博士生导师，主要从事海洋测量与遥感测绘技术研究

原标题：《学术交流 | 海洋测绘学科体系研究：海洋测量学》

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