緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的1篇海洋測繪中的測深技術(shù)分析與思考范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

隨著我國各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步，人們對水上和水下的測量工作需求越來越高，不僅包含內(nèi)河和水庫，還包含海域的一些海洋測繪工作，都已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略層面的任務(wù)[1]。測深技術(shù)是海洋測繪中必不可少的應(yīng)用技術(shù)，其主要應(yīng)用于水下地形測量任務(wù)，目前應(yīng)用較多的有多波束測深技術(shù)、激光測深技術(shù)和側(cè)掃聲吶技術(shù)等，其中不同的測深技術(shù)，其基本原理和應(yīng)用特點(diǎn)有所不同。本文將結(jié)合當(dāng)前海洋測繪應(yīng)用的測深技術(shù)進(jìn)展，分析不同測深技術(shù)的特點(diǎn)和精度改善策略，為海洋測繪工作的開展提供一定的選擇參照，從而有效提高海洋測繪工作的測量精度[2-4]。

1海洋測繪及測深技術(shù)的發(fā)展策略

1.1海洋測繪概念

海洋測繪是指以海洋水體或者海底為研究對象展開的測量、海洋圖紙編纂等一系列的工作，該工作涉及很多學(xué)科的專業(yè)知識，是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，也是測繪學(xué)科中的重要部分[5]。目前，海洋測繪的方法有路線測量和面積測量2種，其中路線測量也叫剖面測量，主要應(yīng)用于海洋區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地球物理場等方面特征的測量工作中；面積測量則是根據(jù)設(shè)計(jì)圖比例尺制定一定距離的測線網(wǎng)以達(dá)到測量目的。海洋測繪與陸地測繪不同，海洋底部上方覆蓋著一層水體，水體中富含各種生物和無機(jī)物，這使得海洋測繪具有陸地測繪所不具備的特點(diǎn)：第一，海洋測繪大多是在海面航行或者飛行過程中開展，水下測繪工作的實(shí)施難度較大；第二，海洋測繪的測量內(nèi)容包含有礁石、海底地貌及沉船等，雖然比陸地測繪的地貌簡單得多，但其難度比陸地測繪更大。在地球上，海洋占其面積的70%，陸地僅占30%，因此海洋測繪一直是測繪學(xué)的重點(diǎn)研究內(nèi)容。如果沒有海洋測繪，則測繪學(xué)科體系的內(nèi)容是缺失的，而且海洋測繪中毗鄰的陸地和海洋均面積占比相當(dāng)[6]。在海洋資料庫中，海洋測繪能夠幫助完善海底概況的描述，有利于幫助人們了解海洋的性質(zhì)、地貌和變化。在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，關(guān)于海洋的研究項(xiàng)目都需要在了解海洋地貌的情況下，進(jìn)行海洋的施工開采，所以海洋測繪是加強(qiáng)對海洋認(rèn)知的重要環(huán)節(jié)。除此之外，海洋測繪對國防建設(shè)也具有一定的促進(jìn)作用。海洋測繪能夠幫助國家了解海洋和海況地貌，而現(xiàn)在我國對海洋建設(shè)越來越重視，這都需要海洋測繪的幫助，才能為海洋探索提供充分的參考資料。

1.2測深技術(shù)未來發(fā)展策略

1.2.1提高海洋測繪中的測量精度

在地面測量工作中，最早應(yīng)用的是GPS定位系統(tǒng)，其測量準(zhǔn)確性較高，但在海洋測繪應(yīng)用中受海洋深度基準(zhǔn)面不穩(wěn)定的影響，測量過程十分復(fù)雜，而且測量精度一直難以提高。為此，需要進(jìn)一步優(yōu)化海洋測繪技術(shù)，以提高測量精度。例如在地面測量中應(yīng)用的垂直基準(zhǔn)測量，可以在水深測量中使用，以期能夠提高測量數(shù)值的測量精度。

1.2.2優(yōu)化測深技術(shù)

近年來，海洋測繪在我國得到了快速的發(fā)展，但與陸地測繪相比，海洋測繪的起步比較晚，在技術(shù)應(yīng)用方面存在著一定的不成熟。現(xiàn)階段，我國海洋測繪中最常用的測深技術(shù)為多波束測量技術(shù)，其雖能夠有效提高測量結(jié)果的精準(zhǔn)度，但其在具體應(yīng)用中存在一定的缺陷，導(dǎo)致其適用范圍十分有限，需要不斷提高該技術(shù)在深海領(lǐng)域的測量精度，保證其實(shí)際應(yīng)用效果。

1.2.3加快網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)在海洋測繪中的建設(shè)

海洋測繪所得到的測量信息在海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)、科研等方面都具有很大的用處，所以要建立局域范圍內(nèi)的信息共享，這需要在海洋測繪中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，通過各級海事部門之間的信息交流，從而實(shí)現(xiàn)海洋測繪的社會化應(yīng)用。在海事測繪公共服務(wù)信息站中，應(yīng)用信息技術(shù)來構(gòu)建信息服務(wù)系統(tǒng)，使海洋測繪信息的共享服務(wù)能夠進(jìn)一步加強(qiáng)。

2海洋測繪中的測深技術(shù)

2.1多波束測深技術(shù)2.1.1原理

多波束測深系統(tǒng)是一種效率較高的測繪設(shè)備，由一種大型的組合設(shè)備完成，其除了多波束測深聲吶本身系統(tǒng)之外，還包含著船姿傳感器、定位、聲速剖面儀、羅經(jīng)、數(shù)據(jù)采集工作站及繪圖儀等設(shè)備。多波束測深系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)，一般由聲學(xué)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和外圍輔助設(shè)備4部分組成。其中，以換能器為核心的聲學(xué)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)完成波束的形成，將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，記錄聲波往返換能器面和海底的時(shí)間；外圍設(shè)備主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器和聲速剖面儀和電羅經(jīng)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)測量船瞬時(shí)位置、姿態(tài)和航向的測定及海水中聲速傳播特性的測定；以工作站為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)聲波信號、定位、船姿、聲速剖面和潮位等觀測位信息的綜合處理，最終完成測點(diǎn)波束腳印坐標(biāo)和深度值的計(jì)算[7-9]。與傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)相比，多波束測深系統(tǒng)的原理本質(zhì)上并無區(qū)別，但多波束測深系統(tǒng)的換能器由多個(gè)換能器單元構(gòu)成，工作過程中可以發(fā)射或接受多個(gè)波束，從而對海底進(jìn)行條帶式測量。在多波束測深系統(tǒng)使用過程中，首先是利用安裝在船龍骨方向的長發(fā)射陣向海底發(fā)射超寬聲波束，聲波束一般垂直于船龍骨方向，然后利用船底安裝的接收陣，其與發(fā)射陣垂直，發(fā)射波束與接收陣經(jīng)適當(dāng)處理后形成許多預(yù)成接收波束，在這樣一個(gè)完整的發(fā)射—接收波束的過程中，在船只正下方形成波束測點(diǎn)構(gòu)成的測深剖面。這種振幅檢測法雖然具有一定的效果，但當(dāng)多波束的指向角較大時(shí)，反射波的信號會在背景噪聲中顯得比較微弱，很難保證檢測結(jié)果，故多波束測深系統(tǒng)還有一種檢測方法———相位檢測法。相位檢測法是根據(jù)相干原理來檢測的，換能器的2個(gè)給定接收單元之間存在相位差，通過比較其相位差來檢測波束的到達(dá)角，從而得到檢測數(shù)據(jù)。

2.1.2發(fā)展趨勢

根據(jù)當(dāng)前多波束測深技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，其未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，在聲速及聲線跟蹤上，可以結(jié)合現(xiàn)在很多聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸椴ㄊ_印歸位計(jì)算精度提供一定的理論依據(jù)。但是在特定情況下，由于多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用范圍比較廣，而且海域影響因素較多，導(dǎo)致不同聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用存在一定的差異。因此，未來多波束測深技術(shù)的發(fā)展要注意選擇一種合適的聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｆ浯危诙嗖ㄊo助參數(shù)的測定和濾波上，要對聲速改正技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、換能器吃水改正技術(shù)及潮汐改正技術(shù)等進(jìn)行研究，使多波束測深技術(shù)的數(shù)據(jù)處理能夠更好地滿足海洋測繪工作需求；而對于深度數(shù)據(jù)濾波，則需要加強(qiáng)對測深異常數(shù)據(jù)的研究，通過一定的數(shù)據(jù)編輯，剔除測量數(shù)據(jù)中受參數(shù)設(shè)置、海況及白噪聲等因素影響出現(xiàn)的假信號，以便于更好地保證測量成果的可靠性。再次，在圖像處理上，要加強(qiáng)對多波束聲吶圖像處理方法的研究，由于多波束測深系統(tǒng)在圖像形成機(jī)理、環(huán)境噪聲等方面存在著一定的差異，所以要針對多波束測深系統(tǒng)的圖像形成機(jī)理選擇最優(yōu)的圖像處理方法。最后，將多波束測深技術(shù)與其他測深技術(shù)融合，例如側(cè)掃聲吶技術(shù)，其能夠全覆蓋式的測量海底地形地貌，更加形象地反映出海底地質(zhì)組成。而多波束測深系統(tǒng)能夠獲得海信位置的高密度高深度信息及圖像信息，二者結(jié)合能夠?qū)５椎刭|(zhì)地形及位置信息進(jìn)行更加精確的量化分析。

2.2機(jī)載激光測深技術(shù)

2.2.1原理

機(jī)載激光測深技術(shù)是集激光、定位等系統(tǒng)為一體的一種主動測深技術(shù)，應(yīng)用于水下地貌的測量，原理是以航空平臺為載體，通過定向發(fā)射和接收聲波、采用傳感器計(jì)算回波的信號空間位置來獲得水深數(shù)據(jù)。激光測深的原理與雙頻回聲測深（雙頻單波束測深）原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射2種波段的激光，一種為紅光，波長為1064nm；另一種為綠光，波長為523nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達(dá)海底后被反射回來。這樣，2束光被接收的時(shí)間差等于激光從海面到海底傳播時(shí)間的2倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測深的公式為Z=G×△T/2n，式中：G為光速；n為海水折射率；△T為所接收紅外光與綠光的時(shí)間差。該測深系統(tǒng)是由多波束測深技術(shù)發(fā)展而來的，能夠?qū)夭ㄐ盘栠M(jìn)行處理，機(jī)載激光測深技術(shù)具有測量效率高、覆蓋面廣和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，其缺點(diǎn)是限制條件多，激光束在海水中以指數(shù)衰減，最大穿透能力與激光發(fā)射能量、海水透明度、海底反射率和背景光噪聲密切相關(guān)，目前典型商用設(shè)備測深能力在一類水質(zhì)底反射條大于15%條件下可達(dá)50m。此外，激光測深不能保證能夠有效探測1m3的水下小目標(biāo)。因此機(jī)載激光測深僅適用于水陸交界地區(qū)海水透明度較高的淺水水域。綜上所述，機(jī)載激光測深作為水陸交界地區(qū)的主動式、非接觸及水陸一體化測繪技術(shù)，可與傳統(tǒng)船載多波束測深、側(cè)掃聲吶測量等技術(shù)手段相互配合，更高效地完成海岸帶測繪任務(wù)[10]。

2.2.2發(fā)展趨勢

由于機(jī)載激光測深技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶、淺海及暗礁無法達(dá)到的水深測量，使其在海洋測繪中具有很大的應(yīng)用前景。目前，全球僅有6套正在運(yùn)行的測深激光雷達(dá)，但其已經(jīng)繪制了大量的內(nèi)陸水域及沿海的地圖。因此，機(jī)載激光測深技術(shù)在海域礙航物體探測及海圖制作上具有很大的應(yīng)用價(jià)值。在機(jī)載激光測深技術(shù)的具體應(yīng)用中，可以采用高速數(shù)字化儀來采集水中的激光回波信號，根據(jù)采集的波形樣本來對海底、水表的時(shí)間位置做出相應(yīng)的判斷，根據(jù)二者的時(shí)間差來得到水深數(shù)據(jù)。由此可見，水中斜距的計(jì)算也是根據(jù)海底到海面的時(shí)間差來得到的，實(shí)際算法能夠直接影響到水中斜距的測量誤差。一般情況下，如果飛行時(shí)間間隔為△t，則需要確定海底和海表中的峰值點(diǎn)，然后確定海表的時(shí)間，以保證測量精度。海表波形通常具有最小的上升時(shí)間，故其測量精度比較高，而對于海底回波脈沖寬度，其測量精度則需要根據(jù)激光脈沖在水中開展情況來決定。對于激光脈沖來說，接收視場角、海水參數(shù)及掃描天頂角都與展寬存在著很大的關(guān)聯(lián)。根據(jù)相關(guān)測量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果掃描天頂角在15°~20°，且散射深度低于6m的情況下，傳播過程中會出現(xiàn)5cm內(nèi)的深度偏差，而相關(guān)測量人員了解這些情況之后，可以對這些偏差進(jìn)行相應(yīng)的糾正。此外，如果海水折射率估計(jì)存在偏差，也會影響海洋測繪的測量精度。因此，要對海面波高的斜率譜分布進(jìn)行詳細(xì)合理分析，例如，海面風(fēng)速為10~12m/s的時(shí)候，技術(shù)人員如果沒有進(jìn)行相應(yīng)的波浪校準(zhǔn)，測量深度就會受海浪斜率的影響而發(fā)生誤差，通常深度誤差為水深的1%~2%。而如果技術(shù)人員糾正海浪影響之后，測量深度存在的誤差就會大大降低，甚至可以忽略不計(jì)，這能夠有效提高激光測深精度。

2.3側(cè)掃聲吶技術(shù)

2.3.1原理

側(cè)掃聲吶技術(shù)主要是利用回聲測深原理來探測水下物體及海底地貌的。側(cè)掃聲吶儀也被稱為海底地貌儀，工作頻率通常從幾十千赫茲到幾百千赫茲，在海洋測繪中，其有效范圍主要是在300~600m。在近程的海洋測繪中，側(cè)掃聲吶技術(shù)的分辨率較高，而如果探測深海地質(zhì)的情況下，側(cè)掃聲吶儀器則需要達(dá)到幾千赫茲，使其探測距離達(dá)到20km。在側(cè)掃聲吶技術(shù)中，一般在船殼或者拖拽體內(nèi)放置換能器，換能器在航行過程中發(fā)射扇形的聲脈沖，利用聲波變化及聲學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠了解海面、水體及海底的介質(zhì)性質(zhì)，從而獲取海洋測繪數(shù)據(jù)。目前，側(cè)掃聲吶儀主要是由水下聲波發(fā)射器、接收換能器、拖拽電纜、數(shù)據(jù)的顯示單元、記錄單元及傳輸單元等結(jié)構(gòu)組成，在海洋測繪中具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢：第一，側(cè)掃聲吶技術(shù)能夠根據(jù)海底回波強(qiáng)度信息，分析海底介質(zhì)的組成情況；第二，側(cè)掃聲吶技術(shù)的橫向分辨率較高，其能夠獲取清晰的二維海底地貌圖；第三，側(cè)掃聲吶設(shè)備安裝比較簡單，成本較低，使用便捷。與此同時(shí)，側(cè)掃聲吶技術(shù)也具有一定的不足之處，其無法獲取直觀形象的三維地形圖，而且海底深度測量的精度也有待提高。

2.3.2發(fā)展趨勢

側(cè)掃聲吶技術(shù)存在的誤差主要來源于聲速誤差、幅相誤差、定位誤差及姿態(tài)內(nèi)誤差這些方面，其能夠直接影響到測深結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此在側(cè)掃聲吶技術(shù)未來的發(fā)展中，要注意對這些誤差源進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高其測量精度。首先，要將換能器存在的幅相誤差準(zhǔn)確標(biāo)出，并分析深度傳感器、定位系統(tǒng)及姿態(tài)傳感器對換能器陣的位置數(shù)據(jù)和安裝角度。其次，根據(jù)示波器及相應(yīng)的處理措施，客觀地判斷聲吶頻率的參數(shù)是否與原本預(yù)想的一致。最后，對定位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行靜態(tài)采集，以獲得準(zhǔn)確的定位精度。在以上基礎(chǔ)上，相關(guān)技術(shù)人員可以在試驗(yàn)海域內(nèi)使用側(cè)掃聲吶技術(shù)，測量海面表面的聲速和聲速剖面，并得到多組校準(zhǔn)參數(shù)所需要的測線數(shù)據(jù)，例如存在顯著坡度區(qū)域海面的2條重合反向測線，該測線能夠應(yīng)用于俯仰（pitch）偏差的校準(zhǔn)操作；或者獲取平坦區(qū)域平行于軌跡的S形測線，其能夠應(yīng)用于橫搖（roll）偏差的校準(zhǔn)操作；或者標(biāo)志物區(qū)域、突出孤立區(qū)域的平行反向測線，能夠應(yīng)用于航向效應(yīng)誤差（headingeffecter－ror）的校準(zhǔn)操作；還有平臺區(qū)域的十字測線，其能夠應(yīng)用于幅相誤差的校準(zhǔn)操作。為了避免各種參數(shù)誤差之間互相產(chǎn)生作用，側(cè)掃聲吶技術(shù)應(yīng)用中需要根據(jù)循環(huán)校準(zhǔn)策略來校準(zhǔn)偏差，保證各項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)量保持在某一個(gè)合理的值之后，再根據(jù)校準(zhǔn)量來修正其他相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目，才能得到準(zhǔn)確性高的測深結(jié)果。此外，側(cè)掃聲吶技術(shù)還可以在海洋測繪工作中與其他測深技術(shù)相結(jié)合，共同應(yīng)用于海洋探測工作中，從而充分發(fā)揮出不同測深技術(shù)的優(yōu)勢。

3結(jié)束語

綜上所述，目前海洋測繪中使用的水域地形測量方法大多是通過水上光學(xué)成像來完成的，常見的有多波束測深技術(shù)、機(jī)載激光測深技術(shù)等，其均能夠?qū)Ｑ笏w及水下地形形貌進(jìn)行相應(yīng)的測量，而這些測深技術(shù)會受波浪潮汐、大氣環(huán)境等水體條件變化的影響，導(dǎo)致測深結(jié)果的精確度降低。針對此情況，海洋測繪工作中要選擇合適的測深技術(shù)，或者融合多種測深技術(shù)，例如多波束測深技術(shù)與側(cè)掃聲吶技術(shù)融合使用，降低各種外在因素的干擾，以提高測深技術(shù)的應(yīng)用效果和測量精度，從而優(yōu)化海洋測繪效果，使其能夠?yàn)楹Ｑ筚Y源開發(fā)利用提供有價(jià)值的資料，進(jìn)而推動國家主權(quán)和安全發(fā)展利益的維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁乃安，符信皇，李偉恩.海洋測繪中船速效應(yīng)及測深延遲效應(yīng)誤差分析與改正[J].測繪與空間地理信息，2020，43（12）：211-213，216.

[2]紀(jì)君平.多波束測深系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋測繪中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（19）：178-179.

[3]林偉填.關(guān)于海洋測繪中測深技術(shù)的探討應(yīng)用[J].智能城市，2019，5（9）：64-65.

[4]管孝漢.多波束測深技術(shù)優(yōu)勢與海洋測繪新思路[J].中國水運(yùn)，2019（5）：51-52.

[5]肖鴻飛，姜楠.GPS技術(shù)在海洋測繪中的有效應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（10）：31.

[6]李峰.試析GPS技術(shù)在海洋測繪中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2017（31）：201-202.

[7]李家彪.多波束勘測原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[8]陸秀平.海底地形精密測量數(shù)據(jù)處理理論方法與應(yīng)用研究[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2011.

[9]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[10]徐廣袖，翟國君，吳太旗，等.機(jī)載激光測深作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].海洋測繪，2019，39（2）：45-49，66.

作者:李滿富 單位:北海市海域使用動態(tài)監(jiān)管中心 北海市海洋信息中心 北海市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心