第八讲全球海洋观测进展.ppt

海洋测量研究与展望,阳凡林山东科技大学测绘学院海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室二 一一年五月,海洋测绘研究生课程第八讲,摘自海军海洋测绘研究所翟国君副所长和国家海洋局一所于卫东研究员报告,主要内容,1 概述2 海洋测量数据获取技术 3 海洋测量数据处理技术4 海洋测量信息管理技术海洋测量信息应用技术全球海洋观测进展7 展望,一、概 述,海洋测量作为测绘科学研究的一个重要组成部分，它的主要任务是对海洋几何场和物理场参数进行精密测定和描述。最近十几年，海洋测量学科发生了深刻的变化，已经使海洋测量从过去的点线测量模式转变为带状测量模式。海洋测量正在突破传统的时空局限，进入以数字式测量为主体、以计算机技术为支撑、以3S（GPS，GIS，RS）技术为代表的现代海洋测量新阶段。,一、概 述,（1）测量平台和测量设备呈多元化趋势；（2）测量信息采集实现了由模拟记录到数字化和自动化作业模式的飞跃；（3）测量信息处理由粗加工、半手工作业模式向细加工、全自动化方向转变；（4）测量信息管理和服务趋向规范化和网络化；（5）测量基础理论研究更注重工程化应用。,具体体现：,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,1、多波束测深系统 与传统的单波束测深仪相比较，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等诸多优点，它把测深技术从原先的离散点线状扩展到面状，并进一步发展到立体测图和自动成图，从而使海底地形测量技术发展到一个较高的水平。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,1、多波束测深系统历史 我国从20世纪90年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统。80年代自己研制。一种称之为H/HCS-017型多波束测深系统已于1997年研制成功，继H/HCS-017系统后，哈尔滨工程大学于2007年又研制成功了我国首台便携式高分辨浅水多波束测深系统，该成果具有突出的先进性、创新性和适用性，填补了国内空白。,工作频率为45kHz，具有48个波束，波束角为：23，其测深范围为：101000m，扇区开角为：120，测深覆盖范围最大可达4倍水深。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,1、多波束测深系统发展动态 设备已经成熟。随着多波束测深技术的普及应用及其海量观测数据的不断积累，对多波束测深数据如何实施高效的处理和管理，以及如何评估多波束测量成果的可靠性，是当前特别值得重视和急待研究解决的主要问题。我国自行研制的多波束测深系统仍处于试用阶段，在许多方面可望作进一步的改进和完善。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,2、机载激光测深系统 利用蓝绿激光穿透海水的特性，从飞机上发射激光脉冲测量水深的系统。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,2、机载激光测深系统 机载激光测深的思想产生于20世纪60年代中期，80年代出现了诸如美国的机载海洋测深雷达AOL，加拿大的Larsen500，澳大利亚的WRELADS，瑞典的FLASH等科研样机。特点：灵活机动、高效、浅水 我国在20世纪80年代中期就进行过机载激光测深原理性试验，但直到90年代中期才进入实质性研制阶段。2001年，在国家“863”计划资助下，我国首台“机载海洋测深系统”研制成功。,系统主要由激光测深子系统、动态定位子系统、数据采集与控制子系统、地面数据分析处理子系统以及飞行保障子系统等五大部分组成。,(1)激光器重复频率200Hz；(2)测量航高500m；(3)飞行速度6070m/s；(4)测深点网格密度10m10m(5)测线带宽240m；(6)测深能力250m；(7)测深精度0.3m；(8)测量效率优于50km2/h。,Shoals-200,Shoals-1000,Shoals-3000,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,2、机载激光测深系统,开 展 的 工 作 主要包括：载体姿态动态效应改正、海洋潮汐及涌浪改正、测深数据质量控制、条带测深数据融合处理、测深数据自动成图和海量测深数据管理等，成功突破了理论建模、数据处理和参数计算中的一系列技术难题，取得了比较理想的计算效果。,未来努力方向,提高激光器发射频率和最浅测深能力，力争使激光器重复频率提高到1000Hz，最浅测深能力提高到0.5m。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,3、无验潮测深系统 海洋测量是在动态环境里进行测量的，存在明显的动态效应，因此其数据归算过程比较复杂。海洋潮汐高度归算是海洋测量最重要的动态效应改正。,试验海区无验潮作业系统采集的原始水深三维立体图,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,3、无验潮测深系统,试验海区部队现有装备采集的原始水深三维立体图,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,3、无验潮测深系统,GPS测高方式处理的上半部测区主检测线不符值分布规律统计表,传统方式处理的上半部测区主检测线不符值分布规律统计表,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,3、无验潮测深系统,GPS测高方式处理的下半部测区主检测线不符值分布规律统计表,传统方式处理的下半部测区主检测线不符值分布规律统计表,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测设备研制与开发,3、无验潮测深系统特点：集高精度GPS定位、电子海图导航、数据采集与融合、数据处理与成图等功能为一体的无验潮测深系统。该系统建立了基于GPS高精度大地高的实用测深数据处理模型，取代了传统海洋测量通过设立验潮站观测潮位进行水位改正的作业模式，实现了我国海洋测量作业模式的变革。,当 前 研 究 工 作 目前，我国正致力于开展精密单点定位技术在海战场测绘保障中的应用研究，力图将该技术引入到海面船载测深、机载激光测深、海洋航空磁力和航空重力测量等各个领域，为进一步提升海洋测量成果质量，加速海洋测量技术装备发展提供高技术支撑。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测信息采集技术,1985年,1990年,我国研制成功了第一套近海水深测量信息采集自动化系统。标志着我国海洋测量技术已经开始进入自动化作业阶段。,研制成功一种具备多种功能的海道测量信息采集自动化系统，可完成不同类型传感器数据的自动采集、记录、合并和处理，并具有辅助导航功能。,1997年,研制成功中远海测量船测量系统，可实现不同要素的同船测量。集计划测线布设、自动导航、数据采集与记录、数据质量监控、数据处理与成图等功能为一体，实现海洋测量全过程的信息自动采集与合成。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境观测信息采集技术,发展趋势,系统功能向更加集成化，系统硬件平台向更加小型化和通用化方向发展，强化系统运行的可靠性、稳定性和抗恶劣环境性能，以便能在小吨位的测量船上推广使用。目前，我所正致力于海洋测深和海洋重磁测量信息综合采集平台的研制与开发，其原理样机正在作业部队推广试用，这样的系统在海洋战场环境建设中具有广泛的应用前景。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境信息反演技术,我国特点：海岸线漫长，海域辽阔。,存在问题：利用常规测量手段很难在短时间内全面掌握广阔海域的环境要素资料，特别是敌占岛礁和恶劣海域等无法利用船测手段获取实测数据。,解决办法：卫星高度计能在全球范围内全天候重复准确地提供海洋表面的高程变化信息，因此，它在海洋动力学、地球物理学以及海洋大地测量学等学科研究和应用领域具有非常重要的应用价值。利用卫星高度计数据推求海平面高度，并据此进一步反演海洋大地水准面、海洋重力场和海底地形。,二、海洋测量数据获取技术-海洋环境信息反演技术,我国研究情况,历史：我国从20世纪80年代中期开始跟踪研究卫星测高技术。测地所，武测，海测所，大连舰院，西安测绘所等。,研究方向：十几年来，我们在卫星测高径向轨道误差特征分析，利用测高数据反演海洋重力场、海底地形和海洋潮汐，以及扩展超高阶地球位模型等多个方面取得创新性成果。,取得成果：(1)首次提出使用完整的带有非随机参数的最小二乘配置模型反演海底地形新方案；(2)推出了按现代最小二乘配置模型进行海底地形反演的迭代计算公式；(3)完成了卫星测高反演海洋深度与船测水深的比对和检核工作；(4)完成了南中国海22水深数字模型的构制。,研究展望：近岸卫星测高（Coastal-Altimetry）。在近岸，动力环境因素作用复杂，卫星测高数据质量将明显下降，因此，如何精细处理这些地区的测高资料，就成为当前大家共同关心的问题。Waveform-etracking,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量信息处理工程,测量信息处理技术水平的高低直接决定测量成果的质量等级。,1999年研制开发成功了海道测量数据处理与成图软件系统。2001年又自主开发出了面向整个海洋测量领域的我国第一套综合性海洋测量信息处理系统。成功实现了海洋测量信息的数字化、自动化和标准化处理。,大地控制测量计算,海岸地形数据处理与成图,海洋测量导航和数据处理,水深重力测量数据处理与成图,海洋磁力测量数据处理与成图,海洋潮汐分析与计算,海洋测量成果图管理,控制测量成果管理,验潮站成果管理,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量信息处理工程,水深重力测量数据处理与成图,（1）外业采集数据录入；（2）各类测量粗差自动剔除；（3）各类异常数据抗差估计自动定位；（4）水深重力测量数据交互式编辑；（5）各项海洋动态环境效应改正；（6）系统误差检验和补偿；（7）成果质量评估。,（1）数据输入模块。（2）等值线处理模块。（3）图形处理和编辑模块。（4）三维海底地形图和重力 图自动生成模块。（5）成果图件管理模块。,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量信息处理工程,研 究 动 态:目前，我国正致力于多波束测深数据处理软件系统的研制与开发，其研发目标是，立足于海洋测量作业部队的实际需求，在充分吸收和消化相关进口软件功能的基础上，瞄准国际先进水平，自主研制开发出一套适合我国国情的具有自主知识产权的多波束测深数据处理及可视化应用系统。,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量误差处理技术,1、声速改正方面,2、水位改正方面,3、基准面归算方面,我国学者收集多年积累的近海海水温度和盐度资料，利用水文统计方法求取了中国近海海域回声测深声速改正数。,提出余水位法；提出了基于信号处理理论的时差解算法，成功解决了多站潮汐改正遇到的难题。,提出通过潮差比计算和潮位拟合方法，实现平均海面和深度基准面的传递。,书号：K112(内部使用)中国近海回声测深声速改正表海军司令部航海保证部1994年6月,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量误差处理技术,4 误差处理方面,针对粗差定位问题，我国率先提出将抗差估计理论引入到海洋测量数据处理领域，用于提高海洋测量异常数据统计检验的抗差能力。,粗 差,系 统 误 差,提出通过方差分析方法，建立海洋测量系统误差显著性检验标准，并根据系统误差的变化特性，分别导出了补偿测区系统误差和测线系统差的计算公式。,提出首先对定位数据进行滤波处理，以提供测量船位的最佳估计，进而提出融合了位置观测误差直接影响和间接影响以及参量观测噪声三大组成部分的测线网整体平差模型。,构建同时表征和包罗海洋测量几何场和物理场误差影响的自检校平差补偿模型。,三、海洋测量信息处理技术-海洋测量误差处理技术,未来研究重点,对各种测量环境效应研究不够仍然是目前海洋测量数据处理工作存在的现实问题。需要进行深入研究的测量环境改正项包括：水深测量中的波束角效应和波浪改正、多波束测深中的声速剖面改正、机载激光测深中的波浪改正和磁力测量中的船磁改正等。在海洋测量实践中，三类误差（粗差、系统误差和偶然误差）总是同时存在的。过去所作的研究还不够完善，应当继续深入研究不同误差模型和平差系统的可区分性理论，寻找同时补偿系统误差和消除粗差的方法。,四、海洋测量信息管理技术,1、海洋测绘数据库,该系统综合运用了先进的计算机技术、网络技术、通信技术、数据库管理技术以及图形图像处理技术。,2、海道测量数据库,海军出版社,海军各舰队,专业数据库管理软件由海岸地形、单波束测深、多波束测深、海洋潮汐、海洋重力、海洋磁力、侧扫声呐和航空遥感影像等八个数据库管理软件子系统组成；专业应用软件由若干个相应要素的测量信息处理软件子模块组成。,以海图数据库为主，由多个单独的数据库组成：海图数据库、地名数据库、控制点数据库、航标数据库、潮汐数据库等。已在海图出版方面发挥了重要作用。,五、海洋测量信息应用技术-海洋空间地理环境测量信息应用,海洋空间地理环境是海洋测绘的主要对象，涉及深度、助航物、碍航物、海底底质、海岸、滩涂、码头等静态的海洋地理目标。海洋测绘信息除了保障海上航行安全外，数字海洋地理环境已成为武器装备、指挥自动化、侦察情报等海洋战场要素的时空框架和信息载体。(数字海图、海洋GIS、海洋环境数据库、数字书表、数字预报、网络）。目前，科研人员正致力于开展数字海图与智能化导航、海洋GIS与指挥自动化、数字产品与武器系统等相互融合技术研究。,电子海图导航系统,海洋环境三维仿真系统,海军作战标图和演示汇报系统,海洋地理信息应用保障系统,五、海洋测量信息应用技术-海洋磁场测量信息应用,在磁力仪阵列和水下小目标探测技术研究方面，取得了重大突破，提出了多探头海洋磁力仪阵列设计方案，推出了基于多探头海洋磁力仪阵列技术探测水下小目标的定位公式，并完成了必要的试验验证，填补了我国在该领域的空白。,在军事应用领域，高精度的海洋磁场测量信息是磁力探潜、反潜技术、水雷布设和探测的基础，是舰船传统导航设备磁偏差校正、潜艇消磁隐身、应急抢险和打捞等多方面军事应用的必备资料。我国科学家通过计算证明，地球磁场对远程武器的飞行轨迹也有不可忽略的影响。,海洋磁场测量要素涉及总强度、磁偏角、磁倾角、水平强度、垂直强度、北向强度和东向强度等。,潜艇探测,潜艇消磁隐身,水下障碍物探测,舰艇导航,武器制导,五、海洋测量信息应用技术-海洋重力场测量信息应用,海洋重力场，对于深入研究地球形状与地球内部构造、探查海底矿产资源、保障航天飞行器按预定轨道飞行等诸多应用领域都具有非常重要的意义。特别是在军事应用领域，随着弹道导弹武器系统技术的不断完善，地球重力场计算误差已成为限制进一步提高导弹武器命中精度的主要因素。计算分析表明，对于射程10 000km的战略导弹，地球扰动重力场引起的导弹落点偏差最大可达23km。,在开展全球重力场模型构建理论与方法研究中，提出了广义球谐函数定积分的改进算法，推导出了一阶、二阶广义球谐函数的数值计算公式；提出了地球重力场的轮胎调和分析方法，利用国内外重力数据源，构制了我国首个全球范围陆海统一的55网格平均重力异常成果，并以此为基础，建立了2160阶次超高阶全球重力场模型UGM05。,面向气候变化的全球海洋观测系统2010年目标的完成状况,87%,Total in situ networks,February 2008,60%,62%,81%,43%,79%,48%,24%,100%,100%,Argo：100%漂流浮标：100%,六、全球海洋观测进展,全球海洋观测系统现状：现场,热 带 浮 标 观 测 网,Argo观测网：100%,漂流浮标观测网：100%,The global tropical Moored Buoy Array in May 2008(top)and October 1999(bottom)引自：OceanObs09 Community White Paper,亚洲季风的水汽输送,我国的石油运输线安全形势：安全保障和潜在新航道开辟印度、美国联合监听，对印度而言，中国是仅次于巴基斯坦的第二大监听目标,瓜达尔港,马尔代夫,科克岛,印度在美国帮助下建立的监听站距本土4000公里,印度在美国帮助下建立的监听站,潜在新航道：巽它海峡,Multi-platformLong-termObservationsImplementing under CLIVAR-GOOS Indian Ocean Panel,SEAGOOS,引自：OceanObs09 Community White Paper,RAMA,RAMA,2009:Bull.Am.Meteorol.Soc.,Basin scale,upper ocean(500 m)focus.Samples key regions:Arabian Sea,Bay of Bengal,Eq.Waveguide,Thermocline ridge(5-10S),subtropical sub-duction,Java upwelling.,RAMA:Present Status,47%of sites occupied(22 of 46;3 Flux Reference Sites),R/V Fridtjof Nansen,JAMSTEC MIRAI,Japan,India,Norway,Indonesia,1440 tons,5000 tons,8500 tons,1100 tons,ATLAS,TRITON,RV Sagar Nidhi,Sagar Kanya,4200吨，1983年德国建造,4000吨，建造中,BJ 8,1000吨，1995,BJ 1,1000吨，1986,印尼海洋调查船,印度海洋调查船,RV Sagar Nidhi,5000吨，2008年建造,中-泰联合实验室,中-印尼联合海洋与气候中心,中-印尼联合巴东海洋观测站,NWS/Indonesian Throughflow Monitoring,Combination of shelf(6 month turnaround)and bluewater(2 year turnaround)moorings(Timor Leste/Australian waters),+Ombai Strait transport mooring+Timor strait transport mooring+Cross shelf transect of shelf moorings(including some located under altimeter tracks(calibration)+international partners Lombok Strait and Makassar,海域1,海域2,季风爆发及其社会和生态影响SeaGOOS Pilot Project:MOMSEI,七、展 望,测量平台,测量模式,产品形式,保障方式,测量装备,星载、机载、船载,纸质、数字式、网络,普通海图、数字海图、影像海图、DEM,数字式多要素综合测量,小型、数字、智能、集成化,谢 谢,