测绘学概论06海洋测绘.ppt
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1、测绘学概论测绘学概论 赵赵 建建 虎虎第六章 海洋测绘6.1 概述概述海洋面积占地球总面积的70%,是人类生命的摇篮、现代社会的交通要道,也是地球上的资源宝库。随着人口的增加,环境的恶化,陆上资源的逐渐枯竭,今天,海洋已成为人类生存和发展的重要空间。由于海洋的重要战略和经济地位,濒海国家间争夺海洋势力范围的斗争日趋尖锐,各海洋大国相继提出了海洋研究和开发计划,并投入了大量的资金发展海洋产业,海洋事业出现了前所未有的繁荣景象。6.1.1 海洋与海洋测绘海洋与海洋测绘我国是一个海洋大国。在东、南面有长达1.8万公里的海岸线,与之相邻有渤海、黄海、东海和南海,为西北太平洋陆缘海。按照联合国海洋法公约
2、,我国辖属的内水、邻海、大陆架、专属经济区的面积约为300多万平方公里,岛屿6500个,还拥有许多优良的港湾。因此,海洋开发和利用对我国的国民经济建设具有战略性意义。一切海洋经济、军事或科研活动(如海上交通、海洋地质调查和资源开发,海洋工程建设、海洋疆界勘定、海洋环境保护、海底地壳和板块运动研究等),均需要海洋测绘为其提供不同种类的海洋地理信息要素、数据和基础图像。海洋测绘是一切海洋活动的前提和基础。海洋测绘与陆地测绘中相关的理论和方法具有密切的联系,但又有其独特的一面;现代海洋测绘技术是建立在海洋物理知识基础上的多学科的综合;海洋测量环境相对陆地复杂,测量手段也比较独特;现代海洋测绘已发展为
3、潜载、船载、机载和星载测绘技术于一体的、多学科交叉的综合性学科。6.1.2 海洋测绘的特点海洋测绘的特点6.2 海洋测绘内容海洋测绘内容海洋测量包括:海洋大地测量水深测量海洋定位海底地形地貌测量海洋工程测量海洋重力测量海洋磁力测量海洋水文测量海洋信息管理包括:海洋地理信息的管理、分析、处理、应用以至数字海洋。海洋测绘包括海洋测量、各种海图的编绘及海洋信息的综合管理和利用。海图绘制包括:各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版;6.2.1 海洋大地测量海洋大地测量建立海洋控制网,为水面、水体、水底定位提供控制点服务。海洋控制测量主要包括:海上控制网的布设和施测。海上控制网包括:海岸、岛陆、岛岛控制
4、网。海底控制网的布设和施测 海上控制网的布设与测量海上控制网的布设与测量海岸控制网主要包括岛屿与岛屿、岛屿与陆地间控制网,这些控制网的布设与陆地基本相同,但选点时,需要考虑海洋测绘的具体要求。海岸岛礁、岛屿岛屿GPS控制网的布设,可方便的将陆地平面基准及坐标引入远离陆地的岛屿。目前,海岸控制网的施测主要采用GPS来实现。海底控制网的布设主要采用三角形和正方形图形结构。海底控制网海底控制网的控制点为海底中心标石。声波在海水中具有很好的传播特性,因而,观测目标的照准标志通常采用水声照准标志(如水听器或应答器),而观测手段采用声学测距技术。负荷声标锚浮标水听器应答器水下控制网测量浮标双三角锥测量测次
5、k测次k+1测次k+2不同测次测量QjQj+1Qj+2海底控制网测量和计算思想:双三角锥测量是首先利用正三角锥测量,获得浮标或者船体的平面位置,即通常的GPS动态测量,依目前的定位技术,采用非差单点定位,可获得分米甚至厘米级的平面定位精度。正三角锥测量是声学测量,利用超短基线或长程超短基线确定各个水听器之间的距离,进而获得水底水听器的位置。正倒三角锥测量实际上利用了GPS测量技术和超短基线定位技术联合实现海底控制点的确定。测量和计算思想仍为传统的边交会。海底控制点的解算原理wuv平行w平行u平行vQj(uj,vj,wj)vi-vjui-ujwi-wjOrij Pi(ui,vi,wi)O-uvw
6、地固坐标系。在测定GPS接收机与卫星间距离rij 的同时测量浮标或船载声纳设备到水下水听器之间的距离Rjm,并组建如下方程上述数学模型为1测次倒三角锥和正三角锥的模型求解。当1测次包含的卫星数或应答器多于4个,这样的解具有很好的图形强度。当方程组随着ij和jm的增大而增大时,通过最小二乘将获得不同水听器位置的解。水深测量经历了如下几个发展阶段:测绳重锤测量(点测量)单频单波束测深(点测量)双频单波束测深(点测量)多波束测深(面测量)机载激光测深(面测量)6.2.2 水深测量水深测量(1)测绳重锤测量(点测量)测绳重锤测量(点测量)5m10m15m20m重锤海底 安装在测量船底的发射换能器垂直向
7、水下发射一定频率的声波脉冲,以声速c在水中传播到水底,经反射返回,被接收换能器所接收,若往返传播时间为t。则水深H为:(2)单频单波束测深(点测量)单频单波束测深(点测量)(3)双频单波束测深(点测量)双频单波束测深(点测量)换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲,由于低频声脉冲具有较强的穿透能力,因而可以打到硬质层;高频声脉冲仅能打到沉积物表层,两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度h。Hhf Hhf H (4)多波束测深(面测量)多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来,能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点
8、,从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征,从真正意义上实现了海底地形的面面测量 多波束测深系统主要由发射器基阵、发射子系统,信号接收系统及声纳处理系统,图形处理及显示子系统,后处理工作站等组成。多波束测深仪的换能器基阵精密安装在船底或拖曳在船尾。因为其测深的声线是斜距,声速剖面的精确性和船航行时的摇摆、升降对观测精度影响特别大。因此多波束测深仪要配置姿态传感器或涌浪滤波补偿仪及声速剖面仪。姿态传感器能测出横滚、俯仰、偏航参数,采用这些参数对水深值和位置进行改正,涌浪滤波补偿仪能对因波浪运动而引起的误差源进行校正补偿,输出数据包括:涌浪、未校正深度、校正后深度和可选择的横摆、纵摆数据。声速剖面仪能
9、测出海水沿垂直方向的分层声速,进而可对声线弯曲进行改正。以获得波束脚印的船体坐标。设换能器在船体坐标系下的坐标为(x0,y0,z0),则波束脚印的船体坐标(x,z)为:=D+=NiiiitCxx10sinq=D+=NiiiitCzz10cosq 激光测深的原理与双频回声测深原理相似,从飞机上向海面发射两种波段的激光,一种为红光,波长为1064nm,另一种为绿光,波长为523nm。红光被海水反射,绿光则透射到海水里,到达海底后被反射回来。这样,两束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的两倍,由此可算得海面到海底的深度。(5)机载激光测深(面测量)激光测深系统目前测深能力一般在50m左右。
10、测深精度在0.3m左右。机载激光测深具有速度快、覆盖率高、灵活性强等优点。有广阔的应用前景。缺陷是对水质的要求比较高,一般适合于近岸海域。按照定位的对象,海洋定位可分为:海面定位水下定位6.2.3 海洋定位海洋定位(1)海面定位)海面定位 海面定位目前可采用如下定位方式:天文定位陆基无线电定位GPS及其他卫星定位局域差分GPS:RTK、伪距差分、相位平滑伪距广域差分GPS:WASGPS非差PPP定位2)水下定位)水下定位水声定位系统测定声波在海水中传播的时间及相位变化,计算出水下声标到载体的距离或距离差,从而解算出载体的位置。按照定位距离的长短可分为:长基线定位;短基线定位;超短基线定位长基线
11、定位:长基线定位:数据处理器 距离接收器 编码器/放大器 绘图仪 终端 双道器带机 换能器 T1 T2 T3 T4 换能器 长基线定位原理是船底换能器发射询问信号,同时接收布设在水下的3个以上相距较远的声标应答信号进行测距,进而计算出船位。如测4条以上声距,用间接平差可求出船位坐标(xu,yu,zu),其中zu为水深。如只观测了三条声距,换能器深度zu已知,可列出三个方程,从而解出平面坐标xu,yu。长基线法定位的精度取决于测距的精度和定位的几何图形,目前精度一般为520m。短基线定位:短基线定位:短基线定位系统的船上设备除控制、显示设备外,还在船底安置一个水听器基阵和一个换能器,在水下部份仅
12、需一个水声应声器,其工作原理是测定声脉冲到不同水听器之间的时差或相位差,从而计算出船位。换能器基线水听器 水声应声器 t t2323 t t1313超短基线定位:超短基线定位:超短基线系统与短基线系统的区别仅在于,船底的水听器阵以彼此很短的距离(小于半个波长,仅几厘米)按直角等边三角形布设,装在一个很小的壳体内测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形测量。特点是测量内容多,精度要求高,显示海底地物、地貌详细。测量内容包括海底地貌、各种水下工程建筑、底质、沉层厚度、沉船等人为障碍物、海洋生物分布区界和水文要素等。通常对海域进行全覆
13、盖探测,确保测图比例尺所能显示的各种地物和地貌,是为从事各种海上活动提供重要资料的海洋基本测量。6.2.4 海底地形地貌测量海底地形地貌测量水下地形测量是利用声纳技术、激光技术和摄影技术,获得海底的地形特征。现有的主要手段有:(1)船载声纳设备水下地形测量(船载)(2)机载激光水深测量(机载)(3)水下机器人测量(潜载)(4)激光雷达三维水下地形测量(岸载)(5)遥感反演海底地形(星载)无论采用何种手段,海底地形测量通常需要如下几个过程来实现:首先首先,进行海岸或海底平面、高程控制测量。其其次次,野外探测/扫测海底地物、地貌及其相关信息,并采集潮位等辅助测量信息。该步处理获得载体坐标系下的相对
14、地形地貌、瞬时基准和反映瞬时基准与固有平面和垂直基准间关系的参数等。最最后后,进行数据处理,即对瞬时测量信息进行质量控制、获取测量深度,再根据瞬时基准与固有基准间的关系,获得海底地形地貌在固有基准下的表达。传统水下地形测量模式(有潮模式)传统水下地形测量模式(有潮模式)定位:采用GPS差分定位技术(仅获取平面位置)测深:单波束、多波束潮位:验潮站潮位测量及时空内插船位处水位(传统方法)现代水下地形测量模式(现代水下地形测量模式(无潮模式)定位:采用RTK/PPK/PPP技术(获取平面和高程坐标)测深:单波束、多波束(1)船载声纳设备水下地形测量)船载声纳设备水下地形测量常常规规水水下下地地形形
15、测测量量(2)机载激光水下地形测量)机载激光水下地形测量类似于船载声纳设备水下地形测量系统。水深:由机载激光提供水面高程基准:由潮位测量来提供平面位置:由DGPS提供(3)水下地形测量机器人()水下地形测量机器人(AUV/ROV)由机器人深潜水下,在接近水底时用水下摄影的方式获得水下目标的图像。随着海洋光学的研究及其技术的发展,不断有水下摄影系统、海洋探测激光雷达系统的产品应用于水下工程测量。水下电视摄像系统、水下数字摄像系统是目前获取在水下环境清晰图像的主要方法,扫海测量中,配置水下数字摄像系统有助于障碍物性质的判断,提高扫测能力。水下摄影系统对水域环境要求较高。在水质浑浊,水流较急的地方适
16、用性差。同时由于水下机器人的平面位置和高程难以准确确定,因而,这种方法仅适合于特定目标形状的获取,难以应用于大面积的地形测量。(4)测扫声纳)测扫声纳侧扫声纳测量是现阶段扫海测量、应急测量、扫测障碍物的重要手段。它具有分辨率高反映海底地形彻底等单波束、多波束设备所不具备的优点,是目前寻找水下障碍物最有效的方法之一。传统的侧扫声纳有两个缺点:首先,它正下方附近的测深精度很差;其次,当有两个或两个以上由不同方向同时到达的回波入射到声纳阵列上时,它不能正常工作。因此只能得到二维的回波声纳图,测深侧扫声纳的作用距离、测量精度不高。随着声学、干涉技术及计算机技术的发展,现在出现了新型测深侧扫声纳,它能够
17、测量出海底的高分辨三维成像,能够测量海底地形地貌的细微构造,可以同时获得等深线图和地貌图的两大类内容,可应用于海洋工程、海洋开发、海上油田区域和海底油管敷设路径的海底地形测量,航道和港湾水下地形测量。配置足够的先进的侧扫声纳测量系统,并整合其它测量手段,是提高应急扫测能力的关键。(5)遥感海底地形测量)遥感海底地形测量空间遥感技术应用于海底地形测量是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一。遥感海底地形测量具有大面积、同步连续观测及高分辨率和可重复性等优点。微波遥感器还具有全天候的特点,这些都是传统的测量手段所无法比拟的。遥感设备包括可见光多谱扫描仪、成像光谱仪、红外辐射计和微波辐射计以
18、及高度计、散射计和成像雷达。这些遥感器能够直接测量的海洋环境参数有海色、海面温度、海面粗糙度和海平面高度。在这些参数的基础上可以反演或计算出若干其他海洋环境参数,其中包括叶绿素和悬浮粒子浓度、上混合层温度、海面风场、有效波高、海浪方向谱、海流、潮汐、波动(包括内波)、峰面、涡波、上升流、盐度、海冰、海洋降水、海底地形、海洋重力场和海洋污染等。水深遥感的基本思路水深遥感的基本思路反演历史条件下水下地形信息,分析地形动态变化利用最新卫星影像数据,快速获取和更新最新的水下地形同步遥感影像资料局部水下地形数据水深遥感反演模型反演大范围水下地形信息影像处理 水水 深深 遥遥 感感 的的 物物 理理 基基
19、 础础卫星传感器接收水体信息示意图在在大气大气和和水体水体中,中,光线以指数形式衰减光线以指数形式衰减 RETLsLTLpRbE0TRwsRwZ水底传 感 器水体ED 大气水深遥感的计算机遥感图象处理上海市崇明岛研究区域长江口位置图(TM4,5,1假彩色合成图象,1995)长江口南支数字化水下地形图为海洋工程建设的设计、施工和监测进行的测量。海洋工程是与开发利用海洋直接有关的所有工程的总称。早期的海洋工程多指码头、堤坝等土石方工程。随着现代科学技术的进步,海洋工程的内容不断扩大,可分为海岸工程、近海工程、深海工程、水下工程等。按照用途又分为海港工程、堤坝工程、管理工程、隧道工程、疏浚工程、救捞
20、工程以及采矿、能源综合利用工程。海洋工程测量仍以海洋定位、测深等手段为基础,在不同海洋工程勘测设计、施工和管理阶段所进行的测量工作,例如,海上钻井的钻头归位,港口、码头的施工放样,等等。6.2.5 海洋工程测量海洋工程测量海洋重力测量可归属于海洋大地测量。它为研究地球形状,精化大地水准面提供重力异常数据。为地球物理和地质方面的研究提供重力资料。在军事方面,可为空间飞行器的轨道计算和惯性导航服务,提高远程导弹的命中率。重力测量分为空中重力测量和海上重力测量。空中重力测量又可分为卫星重力测量和航空重力测量;海上重力测量分海底重力测量和航海重力测量。6.2.6 海洋重力测量海洋重力测量海底重力测量一
21、般是离散的点状测量,海面重力测量是连续的线状测量。海底重力测量就是把重力仪用沉箱沉于海底,用遥控及遥测方法进行,多用于沿海,其测量方法和所用仪器与陆地重力测量基本相同,测量的精度比较高,但必须解决遥控,遥测以及自动水平等一系列的复杂问题,且速度很慢。海面重力测量是将仪器安装在船只上,在匀动中连续进行观测,因此仪器除了受重力作用外,还受船只航行时很多干扰力的影响。这些干扰力不仅超过了重力观测误差,有的达到了几十伽,远远大于重力异常。为此必须进行改正和消除。重力测量主要受6个方面的干扰力:径向加速度,航行加速度周期性水平加速度周期性垂直加速度,旋转影响,厄缶效应的影响,近年来卫星重力测量取得了较大
22、的进度。利用卫星手段获取海洋重力资料的精度和分辨率越来越高,与海洋重力仪所达到的精度和分辨率间的差距越来越小。未来海洋重力场的精细结构,可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋重力测量相结合的方法获得。卫星重力学是继GPS之后,大地测量学研究的又一重大科学进展。利用卫星重力资料将使确定地球重力场和大地水准面的精度提高一个数量级以上,还可测定高精度的时变重力场。因此,对研究地球的形状及演化及其动力学机制、地球参考系及全球高程系统、地球的密度及地幔物性参数、洋流和海平面变化、冰融和陆地水变化、地球各圈层的变化及相互作用等,有其他地球物理方法不可替代的作用重力测量分绝对重力测量和相对重力测量。测定重
23、力值可以利用与重力有关的许多物理现象,例如在重力作用下的自由落体、摆的摆动、弹簧伸缩、弦振动,等等。由此,重力测量方法分为两类:一类是动力法,它是根据物体受力后的运动状态测定重力;另一类是静力法,它是根据物体受力后的平衡状态测定重力。绝对重力测量测定重力场中一点的绝对重力值,一般采用动力法。主要利用两种原理,一种是自由落体原理(伽利略1590);另一种是摆的原理(惠更斯1673)。这两种原理一直沿用至今。近几年来由于激光干涉系统和高稳定度频率标准的出现,使自由落体下落距离和时间的测定精度大大提高,所以许多国家又采用激光绝对重力仪进行绝对重力测量,其测定精度可达几个微伽。相对重力测量测定两点的重
24、力差值,可采用动力法和静力法。现在普遍采用静力法的弹簧重力仪测定重力差值。国际上对这种仪器研究甚多,发展很快,不论是测定精度还是使用的方便程度都已达到很高水平。一般精度可达几十微伽,甚至几微伽。野外工作时,在一个测站只需几分钟就可观测完毕。为了克服弹性重力仪因弹性疲劳而引起的零点漂移,1968年又出现了超导重力仪。这种重力仪对重力变化具有很高的分辨力,零点漂移极小,所以特别适合于固定台站上的潮汐和非潮汐重力变化观测。是测量海上地磁要素的工作。海底下的地层是由不同的岩性地层组成。不同的岩性具有不同的导磁率和磁化率,因而产生不同的磁场,在正常磁场背景下出现磁异常。主要采用海洋核子旋进磁力仪或海洋磁
25、力梯度仪,探测海底的磁力分布,发现构造引起的磁力异常。海洋磁力测量主要目的是寻找石油、天然气有关的地质构造和研究海底的大地构造。此外,海洋工程测量中,为查明施工障碍和危险物体,如沉船、管线、水雷等,也常进行磁力测量发现磁性体。6.2.7 海洋磁力测量海洋磁力测量F为磁场总强度,H为磁场为水平强度,Z为垂直强度,X为H在北向的分量,Y为H在东向分量,D地理子午面与磁子午面之间的夹角,称为磁偏角,I为磁倾角。F、H、Z、X、Y、D、I七个物理量称为地磁要素。已知其中三个要素就可以求出其他的要素。在实际观测中,目前只有I、D、H、Z和F的绝对值能够直接测量。海洋磁力测量测出的地磁要素,可以在地图上绘
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