海洋测绘中的测深技术分析

海洋测绘中的测深技术分析

王征

大连华信理化检测中心有限公司 辽宁省大连市116620

摘要：随着中国各行业的发展和进步,对水上和水下测量工作的需求越来越大,不仅包括内陆河流和水库,还包括一些海洋测绘工作,已成为国家战略层面的任务。测深技术是海洋制图中不可缺少的应用技术,主要应用于水下地形测量任务,目前多采用多光谱测深技术、激光测深技术和侧扫声学技术,包括各种测深技术,其基本原理和应用特点各不相同。本文结合目前测深技术在海洋测绘应用方面的进展,分析了各种测深技术的特点和提高精度的策略,为开展海洋测绘工作提供了一定的选择,从而有效地提高了测量精度在海洋测绘工作中的应用。

关键词：海洋测绘；测深技术；应用

引言

我国海域面积辽阔，大陆海岸线狭长。海岸地形对国民经济建设有重大意义，也对国家安全有重要战略意义。目前，海洋测深多采用多波束声呐设备，但声呐测量方式效率低，基准统一难度大，数据融合时会带来更多的误差来源，因此，现多采用ＬｉＤＡＲ测量地形。ＬｉＤＡＲ应用于海洋测绘不受海况限制，能够测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域，填补了单波束、多波束测深等声呐测深系统的测量空白。同时，机载ＬｉＤＡＲ能够同时测量水上、水下三维地形，不需要进行数据融合，可真正实现水陆一体化无缝测量。

1海洋测绘概念

首先,海洋测绘主要是在航行或飞越海面时进行的,水下测绘工作较为复杂。其次,海洋测绘的测量包括礁石,海底和沉船,虽然它们比陆地更容易,但它们比陆地更复杂。在地球上,海洋占地面积的70%,陆地占地面积的30%,因此海洋测绘一直是测绘领域的主要研究方向之一。没有海洋测绘,就没有制图学科体系,在海洋测绘中,相邻的陆地和海洋占据了同样大的面积。海洋数据库中的海洋测绘有助于改善海底的描述,并有助于了解海洋的性质,地貌和变化。在各个行业中,海洋研究项目需要在海洋建设和开采的背景下了解海洋地形,因此海洋测绘是加强海洋知识的重要环节。此外,海图在国防建设中也起着一定的作用。海洋测绘可以帮助各国了解海洋和海洋地形,目前中国越来越重视海洋建设,需要海洋测绘的帮助,为海洋开发提供充足的参考信息。

2海洋测绘市场发展简述

新中国成立后,中国最早的海图绘制工作由中国人民解放军完成。1978年改革开放后,中国海洋测绘市场结构相对均匀,以航行安全为主。事实上,只有在海事局、人民解放军海洋测绘单位以及地质、运输和水文测绘系统海洋测绘单位中,才从事海洋测绘,主要从事海道测绘和相关海洋测绘工作。上世纪90年代初,海洋水利司制图处从内河向海洋转移,交通测绘处相继进入海洋测绘市场,部分海洋测绘部队也相继进入,海洋测绘市场首次诞生并逐步形成。当时,少数从事海洋测绘的私营公司还没有从事海洋测绘,只从事港口建设等。自上世纪90年代中期以来,能源、电信和电信行业蓬勃发展,岛上对电力和通信的需求日益增长,海底管道布线项目持续增长并迅速增加,国家海洋研究和测绘团队参与了海洋测绘工作。到20世纪末和21世纪初,从事海洋事务的私人制图队开始活动,从事海洋制图的合格公司数量迅速增加,活动水平不断提高。

3海洋测绘中的测深技术应用

3.1无人机技术与航道测量的结合

目前，无人机可以搭载正射相机、倾斜相机、红外光束激光雷达、多光谱相机等各种测绘模块，随着高精度惯性测量单元（ＩＭＵ）在无人机上适配安装，无人机航测技术更加平民化、简单化，通过无人机航测技术可以生产高精度的数字正射影像、地面点云成果、数字线划图、实景三维模型等多种高精度数字化测绘产品。在内河航道滩险测量方面，已可使用无人机航测技术替代人工测量陆域地形、水工构造物、水边线等任务，大大降低了内河航道滩险测量中人员的危险；但在水下地形测量方面，无人机常规搭载的测绘功能模块还无法满足。常规水下测量载体均为船只，而行船安全受制于天气、水流方向、水流速度、航道礁石等诸多因素，且船速直接影响测量效率的提升。随着轻小型激光测深雷达商用化研究的深入，使用无人机激光测深技术完成水陆联测成为一种可能。

3.2机载激光雷达测深

噪声经常被大多数算法误认为目标反应，因此，去噪对于后续的处理是十分有必要的。随着深度的增加，回波信号受到噪声的影响更大。因各通道对水面、水底信号提取效果有差异，为突出整体大于部分的效果，采用三通道处理的方式实现更好的分层处理。系统能够得到近红外通道和蓝绿光通道，蓝绿光通道又包括浅水通道和深水通道。各个通道的波形对于不同的地形都有其不同的特性，采用分离方式处理，能够更有效地对信号进行识别和提取。由于陆地和海域的回波信号处理方法存在很大差异，而实现陆地与海域的分离又十分必要，因此，可通过分析近红外通道波形，对波形数据进行分类。由于近红外激光被水面反射，故水域至多存在１个波峰。若波峰数大于１，则说明其对应陆地波形，否则即为海域波形。真值通过人工确定，实测数据并不能预先得到水面、水底信号位置真值。单一通道的信号提取受各种噪声因素的影响，不一定能提取到水面、水底信号，以致影响最后的精度评定。通过比较３个通道高斯分解后的波形，能够分辨出噪声与水面、水底信号，有效筛除算法本身难以检测出的噪声，从而确定水面、水底信号，作为后续精度评定的依据。

3.3无人船水下地形测量

１）依据数字正射影像图（ＤＯＭ）确定测深水域范围线。依据ＤＯＭ绘制水域范围线，其关键是最新现势性的影像数据获取，只有水位及水域周边环境与实施水下测量时的水位及周边环境相一致的情况下，绘制的水域范围线才具有实用性。若条件不允许无法获取最新现势性的ＤＯＭ数据，则可先在现势性不佳的影像上依据水域纹理绘制水域范围线，然后根据影像水域边界特征点，进行实地量测水域边界到图上绘制的水域边缘的最短距离，由此将ＤＯＭ上绘制的水域范围线通过整体外扩或内缩的方法来获取满足施测要求的测深水域范围线。

２）常规陆地测量方法。确定测深水域范围的传统测量方法，利用ＧＮＳＳ接收机实地沿水域边缘进行常规ＲＴＫ或网络ＲＴＫ测量，只需在水域边缘走向变化的位置处测量即可。用此方法确定水域范围线其特点是精度高，但是只适合面积较小的水域测量，对于大面积的水域人工工作量较大，且对人员及设备有一定的安全隐患。

３）无人船测量系统测量水域范围线。利用搭载单波束测深系统、ＧＮＳＳ和ＩＭＵ设备的无人船在水域边缘进行测量，测量时要求在岸边建立地面基站或连接ＣＯＲＳ站，测量所得无人船航迹线即可作为测深水域的范围线。采用此方法进行水域范围线采集工作效率高，但要求作业人员对水域环境有一定了解，通常需要额外配备望远镜或具有无人船功能的以实时了解施测的周边环境，边踏勘边测量，若发现水域中有岛类地物或比较茂盛水草，则需将无人船未触及的地方也进行标定，避免造成无人船搁浅等事故发生。根据具体情况采用合适的水域范围线采集方法，必要时可以多种方法结合使用，准确确定测深水域范围线是提高水下测量工作效率的一个重要因素。

结束语

综上所述,目前海洋测绘中使用的水域地形测绘方法主要是通过水面光学成像来实现的,在海洋测绘工作中选择合适的测深技术,或者结合多光谱测深技术和侧扫技术等各种测深方法来减少各种外部因素的影响,以提高测深技术的应用效率和测量精度,从而优化海洋测绘的效果,使其能够为海洋资源的开发利用提供有价值的数据,从而促进国家主权和安全利益的维护和发展。

参考文献

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