海洋測繪是獲取和描繪海洋、江河、湖泊等水體和包圍水體各對象的基礎地理要素及其幾何和物理屬性信息的理論和技術，是測繪科學與技術的一個重要分支，是一切海洋軍事、海洋科學研究及開發(fā)和利用活動的基礎。海洋測繪主要包括海洋測量、各類測量信息的繪制以及信息的綜合管理和利用三大內(nèi)容。海洋測量是對水體、水底、周圍陸地進行測量的理論、技術和方法，按照研究內(nèi)容和任務可分為海洋大地測量、海洋導航定位、水深測量及水下、海岸帶地形測量、海洋遙感、海洋水文測量、海底聲學底質(zhì)測量以及海洋工程測量等內(nèi)容。海圖繪制是綜合呈現(xiàn)和表達測量信息的工作，是設計與制作海圖的理論、方法和技術的總稱。海洋地理信息系統(tǒng)是對海洋的空間信息處理、管理、顯示、分析和應用的技術和方法。根據(jù)海洋測繪的定義和內(nèi)涵，結(jié)合當前進展，下面介紹各海洋測繪技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

　　1 海洋大地測量

　　海洋大地測量以確保海洋測量控制基準為目的，是為海洋測繪建立物理(重力和磁力)和幾何(平面和高程)基準體系與維護框架的大地測量技術，是陸地大地測量在海區(qū)的擴展。

　　1.1 海洋物理(重力和磁力)大地測量

　　海洋重力、磁力測量屬于海洋物理大地測量，是建立海洋重力、磁力測量基準，獲取海洋重力磁力基礎數(shù)據(jù)、開展海洋重力場模型和地磁場模型構(gòu)建、應用重力磁力異常變化開展海洋資源和目標探測的基礎性海洋測量工作。

　　海洋重力測量目前呈現(xiàn)立體測量態(tài)勢，按照測量載體可分為星基、機載、船基和沉箱式海底重力測量。船載重力測量仍是目前主要采用的高精度重力測量方式。近年來，機載重力測量發(fā)展迅速，已初步具備實際生產(chǎn)能力。我國的海洋重力儀長期依賴進口，近年在引進、消化和吸收的基礎上，國產(chǎn)重力儀研發(fā)進展較快，目前已完成實驗驗證，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集和規(guī)范處理，性能指標接近國外同類產(chǎn)品。海洋重力測量數(shù)據(jù)處理進展目前主要體現(xiàn)在四個方面：一是測量數(shù)據(jù)采集與處理實現(xiàn)全過程自動化與智能化;二是重力儀性能評價實現(xiàn)了技術流程標準化和評價指標的系統(tǒng)化與定量化;三是精細化數(shù)據(jù)處理方法體系更趨嚴密，成果精度顯著提高;四是構(gòu)建了多源海洋重力數(shù)據(jù)融合處理理論。具體進展表現(xiàn)為：研發(fā)了基于電子海圖的導航、數(shù)據(jù)采集、處理和成圖軟件;提出了重力儀零點趨勢性漂移、有色觀測噪聲與隨機誤差的分離方法，形成了穩(wěn)定性評估的標準化技術流程;推導了均方根誤差、系統(tǒng)偏差、標準差等新的重復測線內(nèi)符合精度評估公式，為重力儀動態(tài)性能評估提出了更精細的評估指標;提出了基于互相關的交叉耦合效應修正方法，對高動態(tài)測量數(shù)據(jù)實施了綜合補償和精處理;基于Tikhonov正則化方法和移去-恢復技術，構(gòu)建了多源重力數(shù)據(jù)融合模型，提出了融合多源重力數(shù)據(jù)的純解析方法;開展了多源重力數(shù)據(jù)同化、融合理論和方法研究，給出了中國海域1′×1′垂線偏差模型;聯(lián)合EGM2008模型確定了1′×1′重力異常模型，在開闊、近海海域分別取得了±3 mGal和±(7~9) mGal的精度。

　　相對于立體海洋重力測量，海洋磁力測量目前仍以船基拖曳測量方式為主。近年來的技術突破主要表現(xiàn)在如下幾個方面：開展了海底地磁日變站布放選址方法研究，解決了遠海磁力測量日變改正難題;在拖魚入水深度計算與控制方面，建立了入水深度與配重、拖纜長度和船速間的關系模型;采用傅立葉譜分析方法，實現(xiàn)了磁平靜日變和磁擾改正的分離，解決了強磁擾期日變改正問題;基于多臺海洋磁力儀、測深儀和GNSS(global navigation satellite system)，構(gòu)建了一種陣列式海洋磁力測量系統(tǒng);在海島礁地磁力測量方面，實現(xiàn)了地磁經(jīng)緯儀、陀螺經(jīng)緯儀、天文觀測和GNSS高精度定位與定向等多系統(tǒng)一體化集成應用，給出了完整的地磁三分量測量技術流程，編制了技術規(guī)程，建立了相應的數(shù)據(jù)處理模型，提高了海洋地磁測量的精度;借助實測磁力數(shù)據(jù)，開展了幾何建模法和基于地磁位的建模法研究，構(gòu)建了海洋局域地磁場模型，取得了優(yōu)于10 nT的建模精度，滿足了地磁匹配導航的需要。

　　1.2 海洋控制網(wǎng)建立

　　海洋控制網(wǎng)建立是布設、施測覆蓋海岸、島礁、水體和海底控制網(wǎng)的工作，是大地控制網(wǎng)的組成部分，是陸地平面坐標框架網(wǎng)向海洋的延伸。海岸、島-陸、島礁控制網(wǎng)建設和施測方法相對成熟，目前主要借助GNSS技術來實現(xiàn)。海底控制網(wǎng)建設尚處于起步階段，受到了各國的高度重視。海底控制網(wǎng)建設研究目前主要聚焦于網(wǎng)址選擇、網(wǎng)型優(yōu)化、絕對平面基準水下傳遞、控制網(wǎng)聯(lián)合測量及處理、網(wǎng)點維護等方面。具體的技術進展主要包括聲速反演和局域聲速場的建立、高精度高效聲線跟蹤、顧及深度約束的平面絕對基準傳遞、聯(lián)合測量方法及顧及水深的聯(lián)合網(wǎng)平差方法等。海底控制網(wǎng)建設主要借助聲學測量技術來實現(xiàn)，涉及的聲學設備有換能器、應答器及水聽器，目前測量中仍以國外設備為主，國內(nèi)科研院所和公司，如哈爾濱工業(yè)大學和中國科學院聲學研究所，研發(fā)進展較快，設備已投入了實際應用。

　　1.3 海洋垂直基準

　　海洋垂直基準是海洋垂直測量成果的起算參考，包括陸地高程基準、平均海平面和深度基準面。海洋垂直基準通常借助潮位站潮位數(shù)據(jù)來確定，隨著衛(wèi)星測高、GNSS等相關技術的發(fā)展，海洋垂直基準確定采用的數(shù)據(jù)源和表達方式發(fā)生了深刻的變革。

　　GNSS高精度垂直解已廣泛應用于海洋測繪中，在GNSS一體化測深、GNSS潮位測量等技術中發(fā)揮著重要的作用，但均需解決如何將GNSS實測大地高轉(zhuǎn)換為基于深度基準面的海圖高問題。目前，海洋垂直基準轉(zhuǎn)換以平均海平面或似大地水準面為中介，實現(xiàn)大地高到正常高、正常高到海圖高的兩步轉(zhuǎn)換，也可實現(xiàn)大地高到海圖高的一步轉(zhuǎn)換。無論采用何種轉(zhuǎn)換，均需解決三個問題，即垂直參考基準面選取，深度基準面的無縫化和垂直基準間的無縫轉(zhuǎn)換。橢球面或平均海平面常被選做垂直參考基準面。深度基準面定義于驗潮站，是離散、跳變和不連續(xù)的，其無縫化問題是三個問題中的關鍵。河口水域潮位站密集，各站上大地高、正常高和海圖高關系明確，可實現(xiàn)彼此轉(zhuǎn)換。潮位站包圍水域的深度基準面無縫化問題可借助幾何法或潮差比法內(nèi)插獲得。據(jù)此機理已在多個水域?qū)崿F(xiàn)了深度基準面無縫化及垂直基準的無縫轉(zhuǎn)換。全球潮汐模型和全球平均海平面模型為任意海域垂直基準面的無縫構(gòu)建及垂直基準間的無縫轉(zhuǎn)換提供了條件。借助全球潮汐模型可獲得深度基準面相對平均海平面的差距，基于全球平均海平面模型可得到基于橢球面的平均海平面值，聯(lián)合二者可實現(xiàn)橢球面、平均海平面和深度基準面之間的無縫轉(zhuǎn)換。但在近海岸，全球平均海平面模型和全球潮汐模型的精化問題應引起足夠重視。

　　2 海洋導航定位技術

　　一切海洋活動均無法離開位置服務。海上位置服務目前主要借助GNSS來提供。一般船只導航多采用GNSS單點定位技術;中小比例尺水下地形測量中，導航定位多采用GNSS廣域差分或星際差分技術;在高精度測量中，定位主要采用GNSS RTK(real-time kinematics)、PPK(post-processing kinematics)和PPP (precise point positioning)定位技術。

　　水下導航定位多采用水下聲學定位系統(tǒng)，如LBL(long line)、SBL(short line)和USBL(ultra-short line)。LBL、SBL和USBL均采用交會定位方法，且常組合使用。此外，為了提高水下導航定位的精度和穩(wěn)健性，聲學定位技術常與慣性導航系統(tǒng)、航位推算系統(tǒng)等組合使用。近年來，為確保水下潛器的隱蔽性、導航的連續(xù)性和長時性，慣性導航系統(tǒng)常與海底幾何場(地形、地貌)或物理場(重力、磁力)的匹配導航技術組合，形成(無源)自主導航定位系統(tǒng)，為水下潛器導航服務。

　　3 水深測量及水下和海岸帶地形獲取

　　海底、海岸帶地形測量是海洋測量的基本內(nèi)容之一。傳統(tǒng)海底地形測量需要通過深度、潮位、吃水、涌浪等測量才能獲得，現(xiàn)代水下、海岸帶地形測量因相關技術的進步已發(fā)生深刻的變革，呈現(xiàn)出立體、高效、高精度測量態(tài)勢。

　　3.1 水深測量

　　水深測量是水下地形測量的重要組成部分，目前主要采用單波束測深、多波束測深系統(tǒng)(multibeam bathymetric system, MBS)和機載激光(LiDAR)全覆蓋測深等技術。單波束一次測量只能獲取一個測深點，適用于中小比例尺或小區(qū)域大比例尺水下地形測量;MBS一次測量可在航行正交扇面內(nèi)獲得上百到幾百個測點，實現(xiàn)對海底全覆蓋掃測。無論是單波束還是MBS，我國已具有自主研發(fā)能力，目前已形成國內(nèi)外設備聯(lián)合使用的格局。

　　3.2 船基海底地形測量

　　目前的水下地形測量呈現(xiàn)傳統(tǒng)與現(xiàn)代測量模式并存的態(tài)勢。GNSS一體化水深測量技術是現(xiàn)代船基水深測量的代表，集單波束、多波束測深技術、GNSS RTK、PPK、PPP高精度定位技術、POS(position and orientation system)技術和聲速在航測量技術等于一體，在航實現(xiàn)多源信息綜合采集和融合，最大限度地削弱各項誤差影響，提高海底地形測量的精度和效率。GNSS三維解在該技術中起著為測深提供平面和垂直基準的重要作用。聯(lián)合GNSS三維解、船姿、船體方位及換能器和GNSS天線在船體坐標系下的坐標，實時獲得換能器的三維坐標。GNSS一體化測深技術的優(yōu)勢在于無需開展潮位站潮位觀測，較徹底地補償了波浪和聲速等因素對測量的影響;在航實現(xiàn)海底測點三維坐標確定，因此顯著提高了測量精度和效率。船基海底地形測量的無人化和自動化充分體現(xiàn)在無人船海底地形測量技術中。除此之外，無人船還配備自動操控、避碰、無線電等系統(tǒng)。無人船地形測量降低了作業(yè)成本，提高了效率，在海況良好的大水域測量、淺灘等危險或困難水域測量中作用明顯。

　　測深數(shù)據(jù)處理一直是海底地形測量中研究的熱點問題之一，進展集中體現(xiàn)在：①聲速及聲線跟蹤方法、聲速剖面簡化。聲線跟蹤主要有層內(nèi)常聲速、常梯度聲線跟蹤方法、誤差修正法和等效聲速剖面法。SVP(sound velocity profile)簡化是目前該領域研究的另一個熱點之一。SVP簡化目前主要有滑動平均法、D-P(Douglas-Peucker)法、MOV(maximum offset of sound velocity)法和面積差法。SVP簡化極大地縮短了聲線跟蹤時間，提高了深海批量多波束測深數(shù)據(jù)處理效率，但在簡化率和可靠性的均衡研究仍需深入。②測深數(shù)據(jù)濾波。受海洋環(huán)境、系統(tǒng)噪聲和測量船噪聲等影響，測深數(shù)據(jù)濾波備受關注。常用的方法主要有COP法、Ware、Knight & Wells法、Eag(RDANH)法、趨勢面法、抗差估計法、Bayes估計法、中/均值濾波、選權(quán)迭代加權(quán)平均、CUBE(combined uncertainty bathymetry estimation)濾波等。CUBE濾波因其高效、可靠、抗差、穩(wěn)健等特點被廣泛采用，但在碎石區(qū)濾波中濾波效果欠佳，需給予改進。③殘余誤差綜合影響削弱。除受自身測量誤差影響外，多波束測深還受聲速、姿態(tài)、安裝偏差等的影響。雖對其嚴格測定和補償，但殘余誤差仍給測深帶來系統(tǒng)性綜合影響，導致“哭臉”或“笑臉”地形。基于地形頻譜特征的削弱法認為，該影響僅改變了測深結(jié)果對地形變化趨勢的反映，未影響對微地形的呈現(xiàn)。據(jù)此，利用高精度中央波束測深結(jié)果構(gòu)建邊緣波束地形趨勢，聯(lián)合實測微地形，合成邊緣波束地形，從機理上削弱了殘余誤差的綜合影響。國內(nèi)測深數(shù)據(jù)處理軟件研制已打破了國外壟斷，并開展了應用。

　　3.3 潛基/深拖海底地形測量技術

　　為提高海底地形信息獲取的分辨率和精度，滿足海洋科學研究和工程應用需要，以AUV(antonomous underwater vehicle)、ROV(remotely operated vehicle)、深拖系統(tǒng)為平臺，攜載多波束測深系統(tǒng)、壓力傳感器、USBL等設備的潛基海底地形地貌測量系統(tǒng)已經(jīng)面世，并在我國一些重點勘測水域和工程中得到了應用，并受到海事、水下考古、海洋調(diào)查等部門的高度重視。潛基海底地形地貌測量系統(tǒng)借助USBL、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器為平臺提供絕對平面和垂直坐標，利用多波束獲取海底地形，并將信息通過電纜傳輸?shù)酱d存儲和處理單元，綜合計算獲得海底地形。潛基測量技術適用于深海地形測量。隨著我國深海調(diào)查活動的深入，其應用必將越來越廣泛。

　　3.4 反演技術

　　3.4.1 衛(wèi)星遙感反演水深

　　衛(wèi)星遙感反演水深是借助可見光在水中傳播和反射后的光譜變化，結(jié)合實測水深，構(gòu)建反演模型，實現(xiàn)大面積水深反演，再結(jié)合遙感成像時刻水位反算得到海底地形。目前可用衛(wèi)星主要有IRS、Ikonos、QuickBird、AVIRIS、Sentinel-2、Landsat、TM、SPOT等。衛(wèi)星遙感反演水深具有經(jīng)濟、靈活等優(yōu)點，但反演精度及范圍需提高。

　　反演水深的關鍵是構(gòu)建不同波段或組合波段與水深間的反演模型，主要包括波段優(yōu)選、波段組合及反演模型構(gòu)建三部分。波段優(yōu)選是借助主成分分析法或相關法提取與水深強相關波段的工作。波段組合是分析不同顯著波段組合對反演水深精度的改善程度，進而確定最優(yōu)組合波段的工作。反演模型構(gòu)建是建立顯著波段或組合波段與實測水深關系模型的工作，如線性模型、附加冪函數(shù)非線性修正的線性模型、基于底反射建立的單、雙、三波段模型等。對于不同衛(wèi)星和不同水域，最優(yōu)波段選擇、最佳波段組合及反演模型均存在差異。

　　3.4.2 重力反演海底地形

　　重力異常和海底地形在一定波段內(nèi)存在高度相關，據(jù)此可反演大尺度海底地形。重力反演地形經(jīng)歷了從一維到二維線性濾波的發(fā)展，其核心是反演模型構(gòu)建。

　　反演模型構(gòu)建經(jīng)歷了直接建模和修正建模過程，目前多采用修正建模。如利用ETOPO5模型、GMT海岸線數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高重力異常和船測水深，一些學者建立了海底地形模型。采用垂直重力梯度異?？梢苑囱莸玫姜毩⒂谥亓Ξ惓５暮５椎匦文Ｐ?。在不同海底模型假設基礎上，如在橢圓形海山模型假設基礎上，利用垂直重力梯度異常、采用非線性反演法對全球的海山分布進行了反演，結(jié)合高斯海山模型，通過分析地殼密度、巖石圈有效彈性厚度及截斷波長對反演的影響，采用垂直重力梯度異常反演得到海底地形。

　　借助重力地質(zhì)法(gravity geologic method，GGM)，利用大地水準面數(shù)據(jù)，在頻域內(nèi)采用二維反演技術，以迭代法處理海底地形和大地水準面的高次項問題，削弱巖石圈撓曲強度的誤差影響，改善反演精度;采用快速模擬退火法，利用重力垂直梯度可反演海底地形。比較GGM、導納法、SAS (Smith and Sandwell)法、垂直重力梯度異常法和最小二乘配置法，GGM和SAS法反演精度較高，GGM、垂直重力梯度異常法和最小二乘配置法適宜開展大面積海底地形反演。

　　3.4.3 聲吶圖像反演高分辨率海底地形

　　高分辨率海底地形在沉船打撈、油氣勘探和環(huán)境監(jiān)測等海洋工程和科學研究中發(fā)揮著重要作用。在淺水水域，高精度和高分辨率海底地形主要借助多波束獲得，但在深水水域，其測深分辨率會隨波束入射角和水深增大而顯著降低。側(cè)掃聲吶通過深拖可獲得20~100倍于測深分辨率的海底聲吶圖像，但缺少高程信息。基于側(cè)掃聲吶成像機理及光照理論，借助SFS(shape from shading)方法可實現(xiàn)基于聲吶圖像的海底高分辨率地形反演。SFS方法是基于聲波在海床表面遵循的海底反射理論，通過構(gòu)建回波強度與入射方向、地形梯度等因素之間的關系，對模型求解即可得到海床地形。SFS反演僅能得到相對形狀，需借助外部測深數(shù)據(jù)或側(cè)掃聲吶測量中提取出的水深數(shù)據(jù)約束，才能實現(xiàn)絕對海底地形的恢復。

　　3.5 海岸帶一體化地形測量技術

　　海岸帶地形是海底地形與岸上地形的連接部分，也是海洋測量中的一個難點和熱點。傳統(tǒng)海岸帶地形測量多采用全站儀或RTK人工完成，但效率低、測量困難。近年來，機載LiDAR、航空攝影、水下近岸一體化測量等技術得到廣泛應用。機載LiDAR可實現(xiàn)水下和干出地形一體化測量，但激光穿透能力和測量精度受海水渾濁度的影響較大。航空攝影測量在無植被的干出部分效果顯著，但在蘆葦或雜草覆蓋的海岸帶則受到限制。利用設備的非接觸、面掃測特點，出現(xiàn)了集多波束、激光掃描儀、穩(wěn)定平臺、POS等于一體，安裝在測量船或氣墊船上的一體化測量系統(tǒng)，同步實現(xiàn)水深及岸邊地形的測量。一體化測量系統(tǒng)在堤壩、碼頭等水域有較好的應用，但在一般淺灘地帶則存在測量盲區(qū)。

　　4 海洋遙感

　　4.1 衛(wèi)星遙感

　　借助衛(wèi)星遙感可以對海洋進行實時、全方位的立體監(jiān)測，長期獲得穩(wěn)定可靠的海洋觀測資料。目前可用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源有MODIS、MERIS、GOCI、Sentinel-2、Landsat 8、Landsat TM、SPOT、Hyperion、QuickBird、WorldView-2、Pleiades-1等。借助這些數(shù)據(jù)，可開展海岸帶、植被、海洋生態(tài)監(jiān)測及水深反演等方面的工作。

　　岸線監(jiān)測算法研究方面，采用邊緣提取算子如Canny算子、Sobel算子或利用歸一化水體指數(shù)、修復歸一化水體指數(shù)法進行水陸分離，利用輪廓邊界跟蹤技術提取岸線;利用歸一化水體指數(shù)確定岸線位置;根據(jù)海岸線的多源多時相影像特征和空間特征，與多種非遙感信息資料相結(jié)合，采用對照分析法，實現(xiàn)海岸線長度、位置、類型提取;根據(jù)岸線的時空和分形維數(shù)變化，可研究岸線的演變。植被監(jiān)測算法研究方面，利用中等空間分辨率的單時相、多時相或融合的多光譜影像可研究海岸帶植被覆蓋度、分類、生物量、碳儲量、凈初級生產(chǎn)力等。水色監(jiān)測算法研究方面，通過獲取海面上行的離水輻亮度，經(jīng)大氣校正和水色反演，可得到水體中浮游植物的色素濃度、懸浮顆粒濃度等信息;水色反演已從單一的葉綠素濃度擴展到透明度、懸浮泥沙濃度、黃色物質(zhì)濃度等參數(shù);水色反演算法的區(qū)域性特征明顯，基于大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步采集的基礎上，不斷優(yōu)化現(xiàn)有算法是未來研究的方向。

　　4.2 機載遙感測量技術

　　機載遙感測量主要借助機載可見光相機、可見光攝像機、紅外相機、高光譜成像儀、LiDAR、SAR(synthetic aperture radar)、合成孔徑雷達等開展海岸帶地形測量，岸線、植被、水色等監(jiān)測，采用技術與衛(wèi)星遙感近似。機載激光雷達測深系統(tǒng)ALB(airborne LiDAR bathymetry)是一種即可用于地形測量又可用于環(huán)境監(jiān)測的技術，近年來，無論在系統(tǒng)還是應用研究等方面，均取得了長足發(fā)展。

　　ALB系統(tǒng)主要由激光掃描儀、POS、高度計等組成。按照設計測線，飛行過程中快速掃描實現(xiàn)海底地形全覆蓋測量。以飛機平臺為基準，ALB分別借助紅、綠激光獲得海面和海底高，測量中同步采集飛機位置、姿態(tài)和航向，飛機位置借助GNSS RTK、PPK、PPP獲得，姿態(tài)和航向借助POS獲得。此外，聯(lián)合外部獲得的海水渾濁度及部分船基實測海底地形，構(gòu)建修正模型，提高ALB測量精度。

　　ALB系統(tǒng)研發(fā)已從實用化邁入商業(yè)化，脈沖發(fā)射頻率、探測能力得到了提高，系統(tǒng)體積、重量和能耗顯著減小，機動性和續(xù)航時間增強。典型的ALB系統(tǒng)主要有Optech的SHOALS 200/400/1000/3000、CZMIL和Aquarius系列產(chǎn)品，AHAB的HawkEye Ⅱ/Ⅲ和Chiroptera，F(xiàn)ugro的LADS MK3，RIEGL的VQ-820-G和VQ-880-G。我國目前也在研制ALB系統(tǒng)，多處于研發(fā)階段。

　　目前，ALB數(shù)據(jù)處理軟件多為各公司研制的隨機軟件，國內(nèi)尚無相應的軟件系統(tǒng)。ALB數(shù)據(jù)處理研究進展主要表現(xiàn)在如下幾個方面：①ALB測深理論[2]。激光測深能力與水體散射系數(shù)和衰減系數(shù)比值強相關，借助唯像理論可建立激光測量的唯像雷達方程;激光束雖具有一定發(fā)射角，但其傳輸規(guī)律仍可用準直光束傳輸特性來描述，據(jù)此可建立準直光束在海水中傳輸?shù)奈ㄏ窭碚撃Ｐ?影響水底回波振幅的因素主要有水底反射率和脈沖展寬，基于激光輻射傳輸模型可對水底回波振幅進行校正。②歸位計算。根據(jù)GNSS提供的激光掃描儀三維絕對坐標，結(jié)合飛機姿態(tài)、激光掃描模式及掃描角、往返測量時間，可歸算海面點的三維坐標;根據(jù)紅、綠激光測量時差、海水折射率、波束掃描角，歸算綠激光海底圓斑的三維坐標。③波形識別。波形識別是檢測激光回波、獲取水面和海底波束傳播時間，進而計算深度的關鍵。目前采用的技術主要有：為抑制白天強背景噪聲，更精確地提取激光回波信號，對回波信號首先開展高通濾波濾除低頻信號，再識別兩種高頻脈沖;利用回波信號的上升時間及振幅等特征，采用半波峰法識別海表和海底回波信號，進而估算水深;采用窄脈沖、高速探測器、小接收視場、窄帶干涉濾光片和正交偏振方式接收，改善淺水海表和海底反射信號疊加;采用雙高斯脈沖擬合，從極淺海水回波中分離海表和海底脈沖，實現(xiàn)水深提取。④渾濁度反演。海水渾濁度會引起激光能量衰減，影響激光回波波形;反之，根據(jù)激光水體回波特征可估計海水渾濁度。提取ALB原始波形數(shù)據(jù)后，分析激光水體后向散射波形，估計有效衰減系數(shù)，進而反演海水渾濁度。⑤綠激光高度修正及單一綠激光測量。受海表滲透深度影響，綠激光海表測量存在不可靠性。利用紅、綠激光測量結(jié)果分析綠激光水表滲透深度空間變化，利用統(tǒng)計法對綠激光海表高程進行修正，提高綠激光海表測量的精度。采用逐步回歸法建立關于泥沙含量、波束掃描角和傳感器高度的綠激光水表滲透深度模型，推導綠激光高度修正模型，據(jù)此對綠激光海表和海底高程進行修正，實現(xiàn)基于單一綠激光的高精度海底地形測量。⑥深度偏差修正。幾何發(fā)散和多次散射使綠激光底回波產(chǎn)生脈沖展寬效應，引起波峰位移，導致測深產(chǎn)生偏差。深度偏差主要與ALB系統(tǒng)測量參數(shù)(波束掃描角、傳感器高度)和海水水文參數(shù)(水深、渾濁度)有關。采用逐步回歸法建立關于水深、波束掃描角、傳感器高度和海水渾濁度的深度偏差模型，據(jù)此對ALB進行深度修正，實現(xiàn)ALB高精度水深測量。[page]

　　4.3 聲吶遙感

　　4.3.1 側(cè)掃聲吶測量

　　側(cè)掃聲吶系統(tǒng)SSS(side-scan sonar)是常用的條帶式海底成像設備，借助拖魚上左、右舷換能器陣列發(fā)射的寬掃幅波束，并在走航過程中對海底進行線掃描，進而形成可反映水體、海底目標分布和地貌特征的條帶圖像。目前SSS系統(tǒng)向多頻段、多脈沖、多波束、深拖及同時具備測深及成像功能方向發(fā)展，如EdgeTech系列、Klein系列、Triton C3D系列以及適用于深拖的Kongsberg Maritime DeepTow系列。我國的SSS研制起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已實現(xiàn)商業(yè)化，并在生產(chǎn)中取得了較好的應用效果。SSS圖像主要用于尋找目標，近年來在圖像精處理及目標探測和識別方面取得了長足發(fā)展，具體表現(xiàn)在條帶圖像均衡化、海底線綜合追蹤、多條帶聲吶圖像均衡化、基于地理編碼和共視特征匹配的多條帶圖像拼接、大區(qū)域海底圖像生成及基于精細化處理后聲吶圖像的目標自動檢測和識別等方面。

　　4.3.2 多波束成像技術

　　MBS具有測深功能，還具有接收海底和水體回波，形成海底回波圖像和水體圖像的能力。MBS底回波圖像有三類，即由平均波束強度、波束序列片段(Snippet)強度和偽側(cè)掃回波強度形成的聲吶圖像。Snippet數(shù)據(jù)的垂航分辨率遠高于平均波束強度，尤其在大入射角區(qū)。考慮高分辨率圖像特點，Snippet圖像方面的研究相對較多，主要聚焦于Snippet圖像的AR改正、圖像均衡化、Snippet圖像與SSS圖像的融合等方面。MBS水體回波可形成水柱圖像，進而實現(xiàn)水體中目標的探測。圍繞水柱圖像的研究主要聚焦于水柱圖像消噪、基于噪聲特點的水體中目標自動探測和識別幾個方面。

　　4.3.3 合成孔徑聲吶

　　合成孔徑聲吶(synthetic aperture sonar，SAS)是一種利用合成孔徑技術的側(cè)掃式主動成像聲吶。與SSS相比，SAS圖像具有更高的徑向分辨率，且與距離無關。裝備有高、低頻換能器的合成孔徑聲吶可同時獲得高、低頻聲吶圖像，可以清晰地呈現(xiàn)海底地貌，以及海床下一定深度的目標，可全面地反映管線的分布。SAS的作業(yè)模式與SSS相同。目前SAS正在向小型化發(fā)展，測量技術和性能不斷完善。我國的SAS技術基本與國外處于同級，自主產(chǎn)品已經(jīng)投入實際應用。SAS數(shù)據(jù)處理研究進展主要表現(xiàn)在條帶圖像的快速生成、處理、拼接、大區(qū)域地貌圖像生成、高低頻圖像融合及基于SAS圖像的目標探測和識別方面。

　　4.3.4 二維聲吶成像

　　二維聲吶成像近年來在工程中應用越來越廣泛。通常采用基于船基懸臂或座底工作模式，近場(小于100 m)對目標開展快速線掃描成像。二維聲吶成像系統(tǒng)目前主要采用國外設備，如Kongsberg MS1000(機械)、BlueViewM900(實時)等。與MBS水柱數(shù)據(jù)處理類似，相關研究主要聚焦于高質(zhì)量影像獲取和基于圖像的目標檢測。因二維聲吶成像只能獲取平面圖像，無法反映目標三維形態(tài)，研究目標三維形態(tài)參數(shù)挖掘算法是未來的一個發(fā)展方向。

　　4.4 光學近景攝影技術

　　二維聲吶成像雖滿足了對近場目標和環(huán)境信息的獲取需要，但存在分辨率偏低、對細微特征難以捕捉等不足。二維聲吶成像系統(tǒng)常與水下光學成像系統(tǒng)(相機)配套使用，即利用二維聲吶成像系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)目標，再利用光學成像系統(tǒng)接近目標，獲取分辨率和清晰度更高的目標圖像。水下光學成像質(zhì)量受水質(zhì)影響較大，只能在清澈的海水環(huán)境下采用。

　　5 海洋水文測量

　　水文測量是海洋測量的組成部分，包括的要素主要有水位、流速、溫度、鹽度、水色、透明度、含沙量、渾濁度等。諸要素中，水位和流速與其他海洋測量相關度較高，發(fā)展較快。

　　水位獲取研究方面，近年來開展了基于GNSS RTK/PPK/PPP的在航、錨定潮位測量和提取方法研究，實現(xiàn)了潮位的高精度獲取;借助GNSS潮位，通過基準關系研究，實現(xiàn)了基于GNSS潮位的平均海平面和深度基準面?zhèn)鬟f;開展了基于潮位站潮位、潮汐模型的潮位預報方法研究，余水位推算方法研究，實現(xiàn)了水位的多樣化、高精度獲取。

　　流速測量是獲取流速流向，構(gòu)建流場，反映流速分布和變化規(guī)律的工作。流速測量按照測量對象的不同分為固定水層流速測量和垂線流速測量兩類。前者主要借助流速流向儀測量，后者主要借助ADCP(acoustic doppler current profiler)來獲取。ADCP因測量效率和精度高、可獲取垂線流速等特點在生產(chǎn)中廣泛應用。圍繞流速的研究目前主要聚焦于基于外部傳感器的ADCP流速測量、基于有限個座底ADCP的寬斷面流量實時估計、流速數(shù)據(jù)的精處理(如流速數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、盲區(qū)流速推算、等距等時流速內(nèi)插等)、基于徑向基函數(shù)的潮流分離和局域流場構(gòu)建等方面。

　　6 聲學底質(zhì)探測

　　底質(zhì)探測是獲取海床表面及淺表層沉積物類型、分布等信息的技術，是海洋動力學研究、海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用、艦船錨泊、水下潛器座底等海洋科學、經(jīng)濟、軍事的基礎數(shù)據(jù)，是海洋測量的內(nèi)容之一。海底底質(zhì)通常借助采樣器取樣或鉆孔取芯，通過實驗室分析獲得，存在效率低、成本高等缺陷。聲學底質(zhì)測量借助聲波回波特征與底質(zhì)的相關性實現(xiàn)底質(zhì)探測，具有探測底質(zhì)效率和分辨率高的特點，是傳統(tǒng)底質(zhì)取樣探測的一種很好的補充方法。聲學底質(zhì)探測研究近年來發(fā)展迅速，集中體現(xiàn)在底質(zhì)聲學測量和聲學底質(zhì)分類兩個方面。

　　6.1 底質(zhì)聲學測量

　　底質(zhì)聲學測量是借助聲學換能器測量來自海床表面或海底淺表層底質(zhì)層界的回波強度的工作。近年來，研究測量主要聚焦于聲吶測量和回波強度數(shù)據(jù)處理兩個方面。

　　海床表面底質(zhì)聲學信息可借助單波束回聲測深儀、MBS和SSS來獲取，淺表層聲學信息主要借助淺地層剖面儀或單道地震來獲取。為從以上設備接收的回波強度信息中提取出底質(zhì)特征，需對回波強度進行質(zhì)量控制、各項補償和修正的處理。對于海床表面回波，數(shù)據(jù)處理進展包括：①質(zhì)量控制。常采用統(tǒng)計方法如滑動平均來消除回波強度序列中的異常觀測值。②聲速改正及傳播損失改正。根據(jù)聲速和聲波的往返程傳播時間，通過聲線跟蹤，計算波束傳播到海底的實際聲程，進而用于聲波在海水中傳播損失的計算和補償。③波束模式改正。根據(jù)波束在海底反射模式隨入射角的變化而變化這一機理，小入射角(≤25°)時采用鏡反射改正模型或線性改正模型，大入射角(>25°)時采用蘭伯特改正模型。④海底地形坡度改正。根據(jù)測深數(shù)據(jù)提供的地形坡度計算和補償?shù)匦我蛩貙β晱姷挠绊懥?。對于淺表層回波強度，數(shù)據(jù)處理進展包括：①數(shù)據(jù)預處理(振幅的希爾伯特變換、滑動濾波、強度到灰度的轉(zhuǎn)換等);②層位綜合拾取(灰度突變法、層位追蹤法和層位生長法);③數(shù)據(jù)處理軟件的研制。

　　6.2 聲學底質(zhì)分類

　　借助海底底質(zhì)的聲學回波強度特征參數(shù)或統(tǒng)計特征參數(shù)進行底質(zhì)劃分。目前主要采用的方法有聲學參數(shù)反演法和聲波回波強度統(tǒng)計特征分類法。

　　聲學參數(shù)反演法基于底質(zhì)對聲波信號相干分量貢獻的差異，通過反演海底沉積物聲阻抗、聲吸收系數(shù)等聲學參數(shù)，結(jié)合不同沉積物密度、聲速、孔隙率和顆粒度等物理參數(shù)，構(gòu)建經(jīng)驗模型，實現(xiàn)不同聲學特征參數(shù)到實際底質(zhì)類型的映射模型構(gòu)建，進而實現(xiàn)底質(zhì)聲學分類。

　　聲波回波強度統(tǒng)計特征分類法利用不同底質(zhì)回波強度或振幅的統(tǒng)計特征參量，借助一定的聚類分析方法，通過構(gòu)建分類器實現(xiàn)不同底質(zhì)類型的劃分。統(tǒng)計特征參數(shù)主要有：反映聲阻抗變化和界面粗糙度的平均值、標準差和高階矩等;評估回波強度分布的分位數(shù)和直方圖;描述回波強度功率譜的特征量;用于紋理分析的灰度共生矩陣;對于回波強度和深度變化的分布和結(jié)構(gòu)非常敏感的分形維;回波強度的角度依賴性特征等特征參數(shù)。采用的聚類分析法主要有模板匹配分類法、判別函數(shù)分類法、神經(jīng)網(wǎng)絡分類法和聚類分析法。

　　按照是否具備先驗底質(zhì)樣本，聲學底質(zhì)分類法又分為監(jiān)督分類法和非監(jiān)督分類法。監(jiān)督分類法通過尋找先驗底質(zhì)樣本與對應位置回波強度間的關系實現(xiàn)底質(zhì)分類，采用的分類方法有模板匹配法、判別函數(shù)法和神經(jīng)網(wǎng)絡分類法;非監(jiān)督分類無需先驗底質(zhì)樣本，根據(jù)預分類底質(zhì)的回波強度間的相似性關系實現(xiàn)聚類，常采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡分類法、聚類分析法。

　　7 海洋工程測量

　　海洋工程測量是海洋工程建設中勘查設計、施工建造和運行管理過程的測量技術，是海洋測量的組成部分。測量內(nèi)容幾乎包括所有海洋測繪內(nèi)容，既有單一屬性要素測量的特點，又有圍繞工程服務的特殊性。實際測量中可根據(jù)工程需要組合測量，也可為滿足測量要求對現(xiàn)有的測量方法改進，并通過多源測量信息融合，最終實現(xiàn)測量對象信息的全方位獲取。

　　近年來，隨著海洋工程活動的增加和作業(yè)難度的增大，海洋工程測量技術受到施工單位的高度重視，技術研發(fā)進展迅速。如港珠澳大橋工程海底隧道段中的管節(jié)精確安放是整個工程的一個難點，在淺水區(qū)需要開展RTK定位、全站儀自動測量、水下聲學定位、管節(jié)姿態(tài)和方位測量以及為管節(jié)拼接研制的拉線系統(tǒng)開展的測距和定向測量，根據(jù)不同階段測量精度和各測量方法特點，對多源測量信息融合，綜合實現(xiàn)管節(jié)的沉放和對接;在深水區(qū)，則組合研制的水下聲學定位系統(tǒng)、管節(jié)姿態(tài)和方位測量系統(tǒng)、拉線系統(tǒng)，綜合實現(xiàn)管節(jié)的安放和對接。水下壩體檢測中，常組合二維聲吶、水下相機、聲學定位和潛器定姿等系統(tǒng)，通過測量和多源信息融合，實現(xiàn)壩體裂縫檢測和定位。碼頭建設中，常綜合開展水下地形測量、水位觀測、底質(zhì)探測、水質(zhì)調(diào)查等測量內(nèi)容。橋墩沖刷檢測中，常開展水下地形、聲吶成像、潮位測量等內(nèi)容，還需根據(jù)橋墩沖刷形態(tài)對測深設備進行改進，實現(xiàn)沖刷形狀的復原。海上鉆機平臺安裝和監(jiān)測中，需開展海底控制網(wǎng)建設、水下定位、姿態(tài)測量、聲學和光學成像等測量，實現(xiàn)安裝和平臺運行過程中的各項參數(shù)監(jiān)控。

　　8 電子海圖繪制

　　海圖是所有測量要素的綜合承載體，目前紙質(zhì)海圖雖仍在沿用，但電子海圖更為普及，其進展主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

　　符號及標記方面，基于IHO相關標準和規(guī)范，采用文本描述法，設計了“所見即所得”的海圖符號編輯器;提出了一種基于字符顏色擴展的海圖水深注記表示方法;研究了海島礁符號分類，實現(xiàn)了海島礁符號的科學編碼，確立了海島礁符號設計方法，并開發(fā)了符號庫系統(tǒng)。

　　在海圖主體標準研究方面，分析了S-100的框架與機制，比較了S-100與S-57的不同，展望了基于S-100的S-101電子海圖生產(chǎn)規(guī)范的發(fā)展情況。對水深表面產(chǎn)品規(guī)范標準S-102進行了研究，提出了改進建議，探討了S-99 1.1.0版相比S-99 1.0.0的主要變化。

　　生產(chǎn)工藝方面，研究了海圖配準、電子海圖中數(shù)字接邊、數(shù)字化海圖制圖中點狀要素注記自動配置和航海圖書生產(chǎn)流程中的色彩管理方案等問題，提出了一種英版航海通告信息自動搜集與處理技術，進一步完善了電子海圖生產(chǎn)工藝。

　　應用方面，提出了電子海圖云服務概念，設計了云環(huán)境下的海圖集合論數(shù)據(jù)模型，提出了海圖集合的云存儲策略，建立了云環(huán)境下的空間索引模型，提出了全球電子海圖的云可視化服務方案，研究了云計算環(huán)境下電子海圖網(wǎng)絡服務的部署方法。以自主知識產(chǎn)權(quán)電子海圖控件為顯示核心，建立電子海圖功能服務，并按照網(wǎng)絡地圖服務標準發(fā)布，實現(xiàn)了瀏覽器/服務器模式的電子海圖的發(fā)布。利用MapServer平臺的開源、開放、跨平臺特性以及支持S-57電子海圖數(shù)據(jù)的功能，深入研究基于MapFile的海圖數(shù)據(jù)訪問、制圖表達等關鍵問題，更好地促進Web電子海圖的應用。研究了電子海圖在AUV區(qū)域搜索任務中的應用，開發(fā)了電子海圖遙感溢油識別顯示應用平臺，設計了基于電子海圖基礎平臺的海洋調(diào)查方案輔助生成系統(tǒng)，深化了電子海圖的專業(yè)化應用。

　　在電子海圖導航方面，開展了中國海區(qū)e-航海原型系統(tǒng)技術架構(gòu)研究，對中國海區(qū)e-航海建設進行了全面論述，提出了以e-航海系統(tǒng)為關鍵環(huán)節(jié)的“智慧港口”概念，提出了以服務天津港復式航道通航安全為核心的天津港e-航海試點工程建設的總體設想。

　　9 海洋地理信息

　　深入研究了海洋地理信息系統(tǒng)(marine geographic information system, MGIS)理論構(gòu)成體系中的時空數(shù)據(jù)模型、時空場特征分析、信息可視化和信息服務等技術，通過Multipatch格式擴充CDC(changed data capture)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從二維CDC格式數(shù)字海圖和海洋測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)建三維空間的方法;研究了數(shù)字海洋系統(tǒng)中電子海圖數(shù)據(jù)融合可視化問題，提出了溫躍層數(shù)據(jù)的自動提取和三維表達的理論與實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了可視化海洋環(huán)境空間數(shù)據(jù)的動態(tài)演示，形象地表達了海洋環(huán)境空間分布。

　　在數(shù)字MGIS建設方面，沿用S-57標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的部分特性，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，設計了滿足ENC_SDE要求的系統(tǒng)電子海圖空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)模型，支持了電子海圖空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理;優(yōu)化了兩級空間索引算法，設計了數(shù)據(jù)庫存儲文件的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu);提出了港口航行信息數(shù)據(jù)集成的組織方法，構(gòu)建了港口信息數(shù)據(jù)模型;提出了海洋測繪產(chǎn)品的標準化、海洋測繪質(zhì)量管理體系的標準化和海洋測繪生產(chǎn)體系的標準化等構(gòu)想。

　　在應用方面，從數(shù)據(jù)特征和用戶需求出發(fā)，研發(fā)了集成數(shù)據(jù)管理與查詢、數(shù)據(jù)處理與分析和數(shù)據(jù)可視化功能于一體的南海海洋信息集成服務系統(tǒng);提出了“虛擬港灣”的概念，并以天津海岸帶“虛擬港灣”仿真平臺建設為原型，詳細說明了“虛擬港灣”仿真平臺建設的技術原理和技術路線;積極推進了“數(shù)字海洋”建設，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、全景圖像生成技術、三維全景實景建庫等關鍵技術，研發(fā)了數(shù)據(jù)庫服務、三維全景實景顯示漫游和漁政地圖等子系統(tǒng)。研制了海洋多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，設計了可實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)解譯與再存儲的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，搭建了海洋水文環(huán)境要素可視化系統(tǒng)，基于面向數(shù)字海洋應用的虛擬海洋三維可視化仿真引擎——i4Ocean，模擬了海上溢油現(xiàn)象。

　　10 結(jié)束語

　　本文系統(tǒng)地介紹了海洋測繪的定義及內(nèi)涵，總結(jié)了海洋大地測量、海洋導航定位、水深及水下、海岸帶地形測量、海洋遙感、海洋水文測量、海底底質(zhì)探測、海洋工程測量、電子海圖和海洋地理信息系統(tǒng)等海洋測繪任務的定義及各個領域的發(fā)展現(xiàn)狀，認為當前的海洋測繪技術正呈現(xiàn)出立體、高精度、高分辨率、高效的信息獲取、處理和應用的發(fā)展態(tài)勢。