我国的水下测绘技术
2013-08-28 15:17:37 来源: 百度文库
众所周知，随着地球人口的激增，陆上资源的匾乏，开发海洋的战略意义越来越重要，“海洋工程” 已被列为与生物工程、核工程和航天工程同等地位的当今世界尖端科学技术，权威人士预言：21世纪是海洋的世纪。面对浩瀚无边的海洋，海底地形测量可谓是一切海洋工程活动的基础，而它最基本的任务，就是测量海水的深度，测绘海底地形图（水深图）。
一、水下测深技术的发展
人类有记载的最原始的水下测量是用竹竿来测量水深, 后来发展为用一端拴有重锤的绳索以及沿用至今的压力测深器。1820年前后, 法国物理学家以钟为声源测得海水平均声速为1500m/s,从那时起, 科技界都知道声音在水下传播要比空气中快。20世纪20 年代, 出现了回声测深仪。它是利用水声换能器垂直向水下发射声波并接收海底回波, 根据回波传播的时间来确定被测点的水深。这种测深仪仅能测量船的航迹上的“点”，船未及区域是空白, 因此不能获得精细的海底地形。由于其测量效率、地形分辨率和精度上的缺陷, 已无法满足当代海洋开发、海洋研究、海洋工程与海洋“专属经济区” 划界等基础测绘日益增长的新需求, 20世纪60年代, 美国首先开发出第三代测深产品一多波束测深系统（也称“条带测深仪”）, 这是当今世界上最先进的海底地形测绘设备。条带测深仪是一种多传感器的复杂综合系统, 是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。自问世以来就一直以系统庞大、结构复杂和技术含量高、价格昂贵著称，世界上仅有美国、加拿大、德国、挪威等少数国家能够生产。1994年4月，国际海道测量组织IHO制定了新的海道测量标准，即IHO S-44标准，规定高级别的水深测量必须使用条带测深仪，这意味着条带测深仪取代回声测深仪已经成为世界范围内不可逆转的潮流。
二、我国条带测深技术的现状
直至20世纪90年代初， 我国在条带测深技术领域仍属空白。为适应海洋活动的新形势，改变我国海洋测绘技术落后的现状，“八五” 期间，国家将条带测深仪列为重点攻关项目，委托哈尔滨工程大学研制。经过艰苦的努力，哈尔滨工程大学突破了多项关键技术难点,，终于在1998年8月研制成功条带测深仪并通过技术鉴定。该产品已正式装备我国现代化海洋测量船，其总体技术达到了20世纪90年代国际同类产品先进水平，大大缩小了我国与世界海底地形测绘技术强国的差距，条带测深仪的研制成功可谓是我国测深技术的一次重大的革命。
哈尔滨工程大学的前身是中国人民解放军军事工程学院（哈军工），是首批进人“211工程” 建设的全国重点高校之一，拥有国家级水声技术国防科技重点实验室，其水声工程学科是国家重点学科，技术力量雄厚，拥有各种先进的专业仪器设备。自1992年起就开始了条带测深技术的研究, 该项目前期投人经费已经达到人民币700万元。1999年6月条带测深仪项目获得中船总科技进步一等奖。
三、条带测深仪的工作原理
条带测深仪是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟/数字信号处理，形成多个波束，同时获得海底条带上几十个甚至上百个采样点的水深数据。其测量条带覆盖范围为水深的2-8倍，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。与单波束回声测深仪相比, 条带测深仪具有测量范围大、测量速度快、精度高和效率高的优点。它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合大面积的海底地形探测。条带测深仪使海底探测经历了一个革命性的变化, 深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量。
四、条带测深仪的应用
条带测深仪具有广阔的应用领域：
1、大面积扫海测量
内容包括我国大陆架测量，与周边国家的海洋专属经济区（EEZ）划界等。我国拥有300万平方公里的海洋国土，若使用传统的回声测深方法测量，需要150年时间，而用条带测深仪测量，仅需15年就可完成。提高效率近10倍。
2、海洋工程
港口、海上石油平台等工程建设的基础在海底，铺设海底电缆需要在海底挖沟，并对铺设好的电缆进行掩埋和质量检查, 这些作业的完成都需要对海底地形进行细致的勘查，使用条带测深仪能够对施工作业区进行全覆盖测量, 获得高质量的海底地形信息。
3、海底资源调查
寻找海底矿物是海底资源调查的重要内容，海底矿物的形成有其独有的机理,。例如， 稀有金属锰结核都分布在大洋深处平坦海域，钻结核则是因海底火山喷发而形成， 而海底火山的特征是其顶部为一个平台。为了寻找潜在矿区， 必须首先获取相关的地形特征信息，这就需要对海底地形进行高分辨力的全覆盖测量，条带测深仪是最理想的测绘仪器。
4、水库测量
库容量是水库管理和水资源分配的重要依据, 陆地上水土流失现象会使水库淤积，库容量减小，蓄洪能力下降；大坝附近泥沙淤积量超过警戒线时，会影响水库的正常运行，甚至危及大坝的安全，所以必须经常对水库进行测量。水库选址通常在山区，地形复杂，并且，库容测量的技术要求高，只有条带测深仪才能够满足其需要。
5、 河道测量
我国是一个河流众多的国家， 水路运输是全国交通网的重要组成部分，但是，目前通航河流的总里程只有8万公里，还有大量的资源没有开发利用，迫切需要进行勘查。即便是已经通航的河流，由于河道的变化快，也需要经常测量。如浙江省的雨江，每年都要进行测量。利用条带测深仪的宽波束很容易测量出河道的剖面。顺流而下就能够完成全河道测量。
6、抗洪抢险我国是一个水患频繁的国家，而且，由于森林植被的破坏，洪涝灾害发生区域有逐年扩大的趋势，每年都会造成重大的经济损失, 条带测深仪在检查堤坝隐患，监测洪水流量等方面可以发挥重要作用。此外，洪水还会对水中建筑物造成危害。 例如，洪水对铁路桥梁桥墩的冲刷可能导致桥梁坍塌, 造成重大事故， 因此需要对桥墩的冲刷情况进行监测，目前使用的测量仪器是回声侧深仪，测量船必须紧靠桥墩测量, 容易发生碰撞， 危及人员和桥梁的安全，而条带测深仪因其具有旁测能力，可以在远处进行测量，从而可以避免事故的发生。
7、军事领域
马岛战争和海湾战争的历史经验告诉我们，现代战争往往是从海上开始的。为了在未来高技术战争中掌握海上战场的主动权，利用和平时期做好海上战场准备很有必要。条带测深仪是进行水下战场准备最基础、最有效的工具。随着我军战略思想的改变，海军向远洋发展，条带测深仪在军事领域的应用将更加广泛。
8、考古领域
水下考古在我国还是一门年轻的学科，我国近海沉睡着大量的古代沉船，但是因为缺少相关的高科技手段，只能听凭国外的冒险家掠夺，极大地伤害了我们的民族自尊心。80年代我国成立了第一支水下考古队，2001年6 月首次动用各种高科技设备在云南省抚仙湖进行水下遗址考古调查，哈尔滨工程大学研制的条带测深仪参加了这次考古活动。 首次探测到水下遗址的地形，并生成了直观的三维水下立体地形，考古专家根据条带测深仪提供的水下遗址地形判断出古城的位置、结构和主要建筑群的位置，为考古工作提供了巨大的帮助，被公认为是极有价值的水下考古高科技设备。据专家评论：水下考古引人条带测深仪，就如同当年考古界引入碳/8 检测年代的方法， 具有里程碑的意义。
我们期待着， 哈尔滨工程大学的条带测深仪能够广泛应用到水下测绘工作中去，为我国的水下测绘事业做出更大的贡献。
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