浅谈现代测绘科学技术与海洋研究
2014-03-11 19:45:45 来源: 百度文库 作者：
浅谈现代测绘科学技术与海洋研究
摘要：
人类对于海洋研究的历史由来已久，但在18世纪之前的几千年中收获颇微。直到18世纪，随着现代测绘科学技术等的发展并致力于海洋研究，才开启了这一领域的新纪元。尤其是鉴于海域宽广，变化复杂频繁，且相对于陆地无法或很难采用传统测绘研究手段等原因，以3S技术为代表的现代测绘科学技术发挥了巨大作用，并有着更为长远的发展前景。
关键词：
现代测绘科学技术, 海洋研究, 海洋卫星, 海洋测绘
Abstract:
There has been such a long time that human bagan marine research but got poor achievement till 1700s. Until the 18th century, with the development of science and commitment to modern surveying and mapping technology, the marine research came in a new era. Especially the 3S technology, which solves the preblom that waters wide, complex and frequently changing, and relative to land surveying and mapping can not or difficult to study using traditional methods and other reasons, played a big role, and has a more long-term development prospects.
Keywords:
scienvce and commitment to modern survying and mapping technology, marine reseach, sea sat, marine charting
一、引言
海洋覆盖着地球表面积的71%，容纳了全球97%的水量，为人类提供了丰富的资源和广阔的活动空间。随着人口的增加和陆地非再生资源的大量消耗，开发利用海洋对人类与发展的意义日显重要。据统计，全世界海洋经济年总产值到1985年为3500亿美元，如今已突破1万亿美元。随着地球上化石燃料的濒临枯竭，寻找新的能源代替品成了关乎人类生存的迫切话题，而人们的目光则纷纷投向了广袤的海洋。向海洋要空间，要资源已经成了解决人类未来生存与发展问题的共识。然而与此同时，关乎人类明天的另一个问题——环境却又在制约这人们对海洋无节制，不科学的开发利用。海洋对全球自然环境和自然灾害的发生起着举足轻重的影响，而人类活动又反作用于环境，倘若破坏了自然界的平衡，那么最后吃苦果的将不光是人类自己。
由此可见，海洋对人类非常重要，所以，国内外多年来投入了大量的人力和物力，利用先进的科学技术以求全面而深入地认识和了解海洋，指导人们科学合理地开发海洋，改善环境质量，减少损失。然而，常规的海洋观测手段时空尺度有局限性，因此不可能全面、深刻地认识海洋现象产生的原因，也不可能掌握洋盆尺度或全球大洋尺度的过程和变化规律。因此，利用现代测绘科学技术，尤其是3S技术研究海洋成为了关乎人类生存与发展的重大课题，也是时代进程的必然产物。
二、海洋研究的历史
人类研究海洋的历史非常悠久，从海洋科学发展的历程看，可以划分为三个历史时期。
从史前到18世纪末尾海洋学建立以前的时期，是海洋知识逐步获取和积累的时期。这一时期经历了漫长的岁月，在其早期，中国和希腊的学者做出了一定贡献；随着十五世纪欧洲资本主义的产生和发展，刺激了海洋航海探险活动，在其后期的海洋探险中，科学考察的成分逐渐增多。但直到英国的库克四次块余额大洋进行海洋地理考察，在海上精确地测量经纬度，取得了大量表层水温，海流，大洋测深及珊瑚礁等科学考察资料后，才真正来开了海洋科学考察的序幕。
海洋学建立和发展时期（19~20世纪50年代），这个时期，世界性的海洋考察活动日益增多，海洋学领域的研究在深度和广度上都获得了较大的发展，并独立发展成为一门学科。这个时期可以分为两个大的发展阶段：“挑战者”号阶段和“流星”号阶段。“挑战者”号航行时间三年半，里程12万多公里，在太平洋，大西洋，印度洋和南极还数百个站位进行了测深，测温，采水，取样，拖网等，采集到大量海洋生物标本，地质标本，海水样品以及海洋测量数据，开创了海洋综合调查的时代。1925~1927年，“流星“号考察船对南大西洋进行了历时两年零三个月的调查，首次应用电子回声测深仪获得了七万个以上的海洋深度数据，首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的轮廓，揭示了海洋环流和大洋热量、水量平衡的基本概况，也开启了海洋测绘的历史。【1】
现代海洋科学时期（20世纪50年代以来），海洋调查研究工作进入了一个全新的历史时期。大量先进的技术推动了海洋研究的大力发展。其中，在60年代初，开始利用气象卫星开始从太空检测海洋；1978年美国发射专用海洋卫星，从空中对海洋资料的系统收集，遥感技术开始对海洋研究起到巨大的推动作用。至如今，现代测绘科学技术已经深入到海洋研究的多个领域，成为了最基础最不可或缺的一部分，为海洋研究以及其背后更为广泛的科学、生产提供了巨大帮助。
三、海洋卫星
所谓海洋卫星就是专门为观测海洋、研究海洋，以及海洋环境调查和资源开发利用而设计发射的一种人造地球卫星。
海洋卫星有如下特点：（1） 海洋环境要素探测要求大面积、连续、同步或准同步探测；（2） 海洋卫星可见光传感器要求波段多而窄，灵敏度和信噪比高（高出陆地卫星一个数量级）；（3） 为与海洋环境要素变化周期相匹配，海洋卫星的地面覆盖周期要求2~3天，空间分辨率为250~1000m；（4） 由于水体的辐射强度微弱，而要使辐射强度均匀，具有可对比性，则要求水色卫星的降交点地方时（发射窗口）选择在正午前后；（5） 某些海洋要素的测量，例如海面粗糙的测量、海面风场的测量，除海洋卫星探测技术外，尚无其他办法。
以下为一些主要的海洋卫星：
1978年6月28日美国发射了世界第一科海洋卫星Seasat 1，为观察海况，研究海面形态、海面温度、风场、冰海、大气含水量等开辟了新途径。
2002年5月15日9时50分，海洋一号A卫星在太原卫星发射中心成功发射升空，海洋一号A卫星是我国的第一颗海洋卫星。卫星重368千克，运行在高798千米的太阳同步近圆轨道，设计寿命2年，配置了十通道海洋水色扫描仪和四通道CCD成像仪，获取1100米和250米多谱段成像数据。用于观测海水光学特征、叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、可溶有机物和海洋污染物质，并兼顾观测海水、浅海地形、海流特征和海面上大气气溶胶等要素，掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业及养殖业资源状况和环境质量，了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律，为海洋生物资源合理开发利用、沿岸海洋工程、河口港湾治理、海洋环境监测、环境保护和执法管理等提供科学依据和基础数据。
日本海洋观测卫星MOS-1号，于1978年2月在日本种子岛用N一n火箭发射，重70公斤。该卫星采用太阳同步准回归轨道,这是一种特殊的圆形轨道,距地面约900公里。设计寿命2年，携带三种传感器,其中两种是光学传感器,即可见光与近红外辐射计(MESsR)和可见光与热红外辐射。其目的是获取大陆架浅海的海洋数据，为生物资源开发、海洋环境保护提供海洋学方面的资料。
ERS-1 ERS-2 欧空局分别于1991年和1995年发射。携带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径雷达（SAR）和风向散射计等装置）。采用全天候测量和成像的微波技术，提供全球重复性观测数据观测领域包括海况、洋面风、海洋循环及海洋、冰层等。卫星参数：椭圆形太阳同步轨道；轨道高度：780公里；半长轴：7153.135公里；轨道倾角：98.52°；飞行周期：100.465分钟；每天运行轨道数：14 -1/3；降交点的当地太阳时：10：30；空间分辨率：方位方向<30米；距离方向<26.3米；幅宽：100公里。
RADARSAT卫星是加拿大于95年11月4日发射的，它具有7种模式、25种波束，不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征。适用于全球环境和土地利用、自然资源监测等。卫星参数：太阳同步轨道（晨昏）；轨道高度：796公里；倾角：98.6°；运行周期：100.7分钟；重复周期：24天；每天轨道数：14；卫星过境的当地时间约为早6点晚6点；重量：2750kg。
Nimbus-7（“雨云”7号卫星），于1978年10月24日发射，为太阳同步极地轨道。虽为气象卫星，但在监测大气的同时带有专测海洋信息的传感器。携带有扫描多通道微波辐射仪、平流层和中层探测器、平流层临边红外探测器、臭氧总含量探测仪、地球辐射平衡探测仪、海岸带彩色扫描仪、平流层大气微粒测量仪、温湿红外辐射仪。
四、遥感技术与海洋研究
海洋卫星遥感技术，是基于遥感技术对海洋进行观测研究。以其常规海洋调查手段所没有的优越性，从海洋状态波谱分析到海洋现象判读等一整套完整的理论与方法，在海洋研究中起着巨大的作用，也是现代测绘科学技术在海洋研究方面做出贡献的体现。
目前常用的海洋卫星遥感仪器主要有雷达散射计，星载雷达高度计，合成孔径侧视雷达(SAR)，微波辐射计及可见光/红外辐射计、海洋水色扫描仪等。【2】
雷达散射计是一种主动式斜视观测微波的装置，可以演算出海面风速，风向，风应力以及海面波浪场，用于研究海洋工程和预报海浪、风暴。
星载雷达高度计也是一种主动式微波传感器，可用于测量大地水准面、海冰、潮汐、水深、海面风强度和有效波高、厄尔尼诺现象和海洋大中尺度环流。对地质深测和海洋测绘，全球海平面和气候变化研究，大洋环境监测等有着重大意义。
合成孔径侧视雷达（SAR），可以用于研究波浪谱及海表面波，影响国民经济建设和军事应用；可以提取到海冰相关信息，发现海洋中较大面积的石油污染，还可进行浅海水深和水下地形测绘，对环境监控，海洋勘探开发，海上交通运输与军事活动等具有重大意义。
微波辐射计是被动微波传感器，根据海面发射的热辐射温度来遥感海面的温度，而海面温度则是海洋学研究必测的最基本参数之一，划分水团，分析海洋峰和流系，海水凝絮，沉积，热污染等无一不和海面温度息息相关。
可见光/近红外波段中的多光谱扫描仪和海岸带水色扫描仪均为被动式传感器，能测量海水水色，悬浮泥沙，水质等，在海洋渔业，海洋污染检测，海岸带开发，全球尺度海洋科学研究等方面发挥重要作用。
五、GPS技术在海洋测绘领域的应用
海洋测绘，测量海洋底部的地球物理场的性质及其变化特征，绘制成不同比例尺的海图和专题海图。海洋测绘大致可分3个阶段：①20世纪30～50年代中期，开始对海洋进行地球物理测量，包括海洋地震测量、海洋重力测量等。这阶段利用回声探测数据绘制海底地形图，揭示了海洋底部的地形地貌；利用双折射地震法获取大洋地壳的各种地球物理性质，证明大洋地壳与大陆地壳有显著的差异。②1957～1970年，实施了国际地球物理年（1957～1958）、国际印度洋考察（1959～1965）、上地幔计划（1962～1970）等国际科学考察活动，发现了大洋中条带磁异常，为海底扩张说提供了强有力的证据，揭示了大洋地壳向大陆地壳下面俯冲的现象，观测了岛弧海沟系地震震源机制。③70年代以后，广泛应用电子技术和计算机技术于海洋测绘中。【3】
海洋测绘主要包括海上定位、海洋大地测量和水下地形测量。在海上定位和水下地形测量中都有GPS技术的应用。船在航行时，通常将GPS接收机与船上的导航系统组合起来以获得较高的海上定位精度。如在GPS伪距法定位的同时，用船上的计程仪（或多普勒声纳），陀螺仪的观测值联合推求船位。对于近海海域，还可在岸上设立基准站采用差分技术或动态相对定位技术进行高精度海上定位。而在船上安装差分GPS接收机和测深仪，按预定航线利用差分GPS导航和定位，测深仪按一定距离或一定时间按照事先设定自动向海底发射超声波并接受海底的反射波，同时记录GPS的定位结果和测深数据。之后，就可以利用这些数据和计算机，绘图仪等组成系统测绘水深图和水下地形图等。【4】【5】
现代测绘科学技术在海洋研究方面的应用远不止这些，而因其自身的优越性以及海洋研究的需要及发展趋势，其在这一领域发挥的作用也必将与日俱增。
参考文献
【1】 世界海洋研究史 百度文库
【2】 摄影测量与遥感概论 李德仁 王树根 周月琴 著 测绘出版社
【3】 海洋测绘 百度百科
【4】 浅析GPS测量的误差及应对措施 朱道璋 江西省水利规划设计院
【5】 GPS RTK技术在海洋测绘中的应用 谢荣安 广东省地质测绘院
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