海岛礁测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室.docx
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海岛礁测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室
海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室
海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室
科学研究年度综述
一、国内外发展现状
（一）海洋测绘基准
海洋测绘基准理论研究不仅包括全球、区域和局部基准的建立、维持和更新，而且包括数据采集方法和数据处理理论，建立无缝海洋测绘基准，实现基准统一，提供不同基准之间的转换和传递，保证海洋测绘基准的高精度和现势性，以更好的服务于经济建设和国防建设。
为此，国际上重点对数据采集方法和技术进行研究，尽可能多的高精度采集相关数据，如验潮、船载重力、航空重力、卫星重力、卫星测高、地形测量、海洋测深、GNSS、水准测量等，研究多源数据融合处理方法，将传统的大地测量边值问题进行拓展，如固定边值问题、测高重力边值问题、GNSS重力边值问题、区域边值问题等。
由于数据量太大，将单一算法拓展为多元算法、并行计算、乃至云计算。
利用卫星测高技术对海洋进行长期观测，获得了高精度海洋资料，为海洋大地测量、物理海洋和地球物理等研究提供了基础数据。
我国于2011年8月发射了首颗测高卫星HY-2A，目前该卫星正处于测试阶段。
国际上目前在轨的测高卫星主要有美国Jason-1/2、ESA的EnviSat、CRYOSAT-2等。
卫星测高在开阔深海精度达到了厘米量级，但是在近海由于地形、地球物理环境和硬件响应等的影响精度严重降低。
如果提供测高在近海的精度是当前国际上测高领域的重要研究内容，为此近年连续举行多次COSATAL-测高会议，以此推动国际测高在近海的应用。
重力作为一类基本观测量，在海洋测绘中具有重要作用，是区域大地水准面精化的主要数据源，主要有船测重力、航空重力、卫星重力等方式，它们分别对应于不同波段的重力信息。
进入21世纪以来，美国和俄罗斯等研发了高精度陆海两用重力仪，同时德国发射了CHAMP卫星、美国和德国合作发射了GRACE卫星、ESA发射了GOCE。
CHAMP是利用高低卫星跟踪卫星方式探测重力场，GRACE是以低低卫星跟踪卫星方式为主探测重力场，GOCE是以卫星重力梯度方式为主探测地球重力场，它们提供了大量对地观测数据，包括海洋重力资料。
美国推出了最新的地球重力场模型EGM2008，丹麦利用最新观测数据推出了DNSC08GRA模型和DTU10。
海平面变化是在全球变暖、构造运动和人类活动等影响下的结果。
利用卫星监测开阔深海的海平面变化已经到达了很高的精度，如利用TOPEX/Poseidon卫星监测的结果为每年2.6mm。
由于近海测高数据质量下降，近海潮汐模型精度也有待于改善，卫星测高给出的海平面变化精度较差。
而验潮站位于岸边，受到严重的近岸海洋动力学和海底地形的影响，具有显著的区域性特征，其代表性较差。
因此，要集成重力、验潮、测高、水准、GNSS以及温盐、水文、冰川和大气等多源数据，才能更好的研究海平面变化。
“十一五”年以来，我国执行国家908专项和927工程，对我国海域
于单波束探测仪或浅地层剖面仪，主要提取反射系数、能量函数、时频分析等分类特征，由于只能获得船只正下方的区域信息，当用于大面积海域底质或结构分类时，存在工作强度大、效率低的缺点，且由于其波束宽，造成其测量精度低、分辨率低，特别在深水环境，分类结果不太可靠；对于多波束声呐或侧扫声呐，主要提取均值、分位数、标准差、频谱、直方图、纹理、斜入射反向散射强度与入射角的关系等分类特征。
多波束系统除了可以得到近垂直入射的声波外，还可以得到多角度散射信号，信息量大，但难以得到较深地层的信息。
由于设备的限制，正下方回波信息不可靠，很难归一化。
基于声呐图像的纹理特征不适用于低频声呐。
在我国，海底声学特性的研究比较薄弱，在海底参数的数据收集和分类理论模型的建立等方面与国外的差距仍然很大。
由于实验设备、实验方法等限制，国内对海底沉积物声学分类技术的研究大都仅限于基础方面，或是针对特定的海域，或是针对特定的沉积物类型，或仅针对一至二种设备，实用性不太高。
由于海底环境的复杂性，基于单一声学设备或技术进行参数反演和分类很难达到理想效果。
（三）GNSS在海岛（礁）测绘中的应用
对于海洋三维大地测量基准的建立，可采用高精度的静态GNSS定位技术将已建成的陆地三维定位基准扩展到沿海地区及海岛，形成能满足各种海洋定位要求的基准体系；另外，利用GNSS定位技术，建立海区CORS网，通过接收卫星信号和差分改正信息实现空间动态定位基准的传递和对误差的控制，以确保海洋测绘产品的一致性和可拼接性。
再者，利用GNSS建立与海洋邻国大地坐标系及国际地球参考框架（ITRF）之间的基准传递坐标转换关系，从而实现地图图件之间、不同投影系统之间的转换关系。
对于沿海岸线或沿海陆路区域，通常采用基于GNSS实时动态作业模式的RTK技术和基于CORS的RTK技术；较远的海区则较多采用GNSS接收机与其他设备联合定位。
在信息采集方面，随着遥感信息的采集和发展，GPS辅助与信息采集的测量平台也由单一船载向与机载、星载相结合转化。
本世纪80年代，随着国外卫星遥感信息的引人，我国使用遥感方法确定海洋几何要素的工作开始起步，并逐步引向深人。
海军海洋测绘研究所先后利用TM多光谱资料和SPOT资料在岛礁定位、岸滩监测、岸线确定、浅海测深、海图修测等方面做了大量的工作。
武汉测绘科技大学利用卫星遥感手段提取了南极中山站附近冰面的高程信息，绘制成冰面地形图。
GPS在水下地形测绘的应用，主要是利用GPS接收机与水声仪器组合，进行定位和水深测量，再利用电子记录手簿及利用计算机和绘图仪组成水下地形测量自动化系统，测绘水深图、断面图和水下地形模型等。
（四）遥感在海岛（礁）测绘中的应用
通过卫星遥感技术监测了地中海希腊克里特岛生态系统的环境变化（重点监测了日益加剧的放牧业对克里特岛两个山区生态系统产生的影响）。
提出了基于遥感的浅海水下地形反演的一个简单模型，使星载SAR水下地形的定量探测迈出了重要的一步。
Vogezlnag等人所开发的基于ERS一1/2SAR资料的“水深测量系统（BAS）”，他们利用这套系统在北海进行了浅海水下地形的反演，其结果达到了惊人的30cm的误差。
美国国际开发署资助的东部非洲坦桑尼亚/肯尼亚海岸带土地利用与土地覆被变化及对近海海洋生态系统的影响的课题，利用美国陆地卫星和航天飞机获取的三维地形数据及全球定位系统辅助的地面考察，对东部非洲海岸带1990～2000年的土地利用与土地覆被变化进行了制图及定量分析，从而使遥感与地理信息技术在无现存数据地区的应用进行了有成效的探索。
KevinWhite等利用Landsat卫星的图像对尼罗河三角洲河口地区的海岸线变化进行了对比，实现了对海岸线的动态监测。
Lodhi等经过试验指出使用归一化植被指数（NDVI）可以减少海岸边悬浮泥沙的影响。
淤泥质海岸在海水浑浊的地方近红外波段的反射率是比较高的，而在红光波段对于完全暴露的淤泥质海岸反射率是低的，但是对于混浊海水的反射率比较高，通过这两个波段对不同物质的反射率的区别把单纯的淤泥质海岸与浑浊海水分开。
Joo-HyungRyu等根据这一原理，对韩国Gomso湾淤泥质海岸使用不同波段的TM图像进行波段运算，去除了海水中悬浮泥沙对海岸线解译的影响。
Jong-SenLee最早指出了SAR图像提取水边线的障碍在于噪声和强烈的暴风与海浪的反射信号所产生的干扰，他提出的斑点平滑算法和Mason与Davenport提出的半自动算法都能有效的去除SAR图像中的噪声。
MareusSehwabiseh等提出了利用干涉测量法（interferometry）对SAR图像进行校正，并在此基础上做出了对水边线进行精确提取的算法。
这个算法的主要思路是在图像上检测到较大的干涉值梯度的位置，从而使图像上显示出连续的陆地和与之不连续的水体之间的边界。
我国学者利用遥感技术对海岛生态、近海水深反演、海岸带土地利用、岸线提取等方面也进行了探索。
中国复旦大学赵斌等人应用三套陆地卫星LANDSETTM和ETM遥感数据集对中国崇明岛东海岸1990-2000年这10年内生态系统服务功能价值变化的分析，给出了研究区域生态系统服务功能价值的等级评价，得出了该区域生态系统服务功能下降了62％的结论。
黄韦良和傅斌等仔细研究了浅海水下地形的SAR成像机理，并通过模拟仿真计算了浅海水下地形在不同雷达参数、不同海况条件下及不同地形条件下的成像，得出了SAR水下地形成像的最佳雷达参数（波段、极化和入射角）、最佳海况条件（风速风向、流速流向）和最佳地形条件（坡度、坡向和水深）。
中国科学院等相关单位依靠遥感与地理信息系统技术，开展了全国范围内的资源与环境遥感动态监测，海岸带土地利用/覆盖变化研究是其中一项重要的研究内容，成功地利用遥感与地理信息系统技术建成了我国20世纪80年代末期至90年代末期的土地利用动态信息系统，并根据海岸带土地覆盖与土地利用的分类系统，利用LandsatETM和部分中巴资源卫星影像，首次完成了全国1:
10万海岸带土地利用与滩涂空间变化遥感调查，建成了全国海岸带滩涂数据库系统，揭示了土地利用变化的时空规律，分析了这些规律的主要政策、经济和自然形成原因。
（五）地理信息系统在海岛（礁）测绘中的应用
地理信息系统在海岛（礁）测绘中的应用主要体现在测绘成果数据管理、海岛（礁）测绘成果表达以及多维动态GIS在海平面变化中的应用几个方面。
随着国内海岛（礁）调查工程的展开，国内相关的科研单位开展了一系列针对海岛（礁）测绘数据管理方面的研究工作。
海岛信息涉及大量空间数据，而商业性数据库软件对空间数据的支持又不够，GIS可以实现空间数据在数据库中的有效存储与管理。
ArcGIS提供的ArcSDE是目前使用最广泛、性能最稳定的GIS空间数据引擎之一，在海量空间数据管理、栅格目录管理、面向对象数据模型等方面居领先地位。
目前在建的海岛数据管理系统多数基于ArcGIS平台实现空间数据建库、查询与浏览。
山东省海岛数据库包含了基础地理库、元数据库、海岛业务库和海岛专题库。
基础地理库由一定比例尺（如1：
250000，1：
50000，1：
10000等）沿海及其附近海域地形图以及海岛地形图，包括行政区划、道路、水系、建筑物、绿地、轨道交通和铁路、等高线、水深线等地理要素。
部分重点区域叠加遥感影像图；专题数据库包括植被、土地利用、土壤、地质和地貌与第四纪5类专题图；海岛业务库包括海岛地形、地质、地貌与第四纪、水文气象、生物生态、沉积、化学、灾害、气候、资源环境、社会经济等数据。
在海洋公益性行业科研专项支持下，国家海洋局第一海洋研究所针对海岛信息的特点,结合建立海岛管理信息系统的需求,利用ArcGISServer技术,基于B/S和C/S的混合架构来构建海岛信息管理系统，并以辽宁省海岛为例研发了该系统,实现了海岛的集中统一管理和高效、灵活的数据查询统计以及信息共享,提高了海岛管理的信息化、高效化和科学化。
该系统海岛地理空间数据库的元数据是由基本信息、质量信息、继承信息、空问表示信息、空间参照系信息、实体和属性信息、发行信息、参考信息等组成的。
根据内部系统维护和外部用户需求分别建立内部和外部元数据，设计不同的元数据内容。
内部元数据兼有系统数据字典的作用，其内容在外部元数据的基础上，还增加数据字段描述、专题地图描述、图层风格描述等面向系统管理的内容。
为了保证元数据的统一性和减少数据冗余，在元数据项的定义中增加类别定义，以便内部和外部元数据共享相同的数据内容。
中国沿岸海平面变化预测模型已经趋于完善,但其单调枯燥的表现结果,往往使管理者望而止步,限制了其推广应用。
目前，国内外基于GIS构建各种海洋灾害监测、分析、预警系统,并取得了一系列较成功的案例。
主要是对海平面上升速度的预测和海平面上升带来损失进行评价和分析,如运用地面沉降与绝对海面变化叠加法和潮位记录法,预测未来30a,50a和100a江苏沿海海平面将分别上升0.3m,0.53m和1.37m。
在此基础上,对不同海平面上升量引起的风暴潮灾害、海岸侵蚀、潮滩盐沼损失、涵闸破坏、洪涝灾害加剧和海堤工程受损等方面的灾害效应进行了定量分析。
在多维动态模拟方面，上官伟等对三维虚拟海洋环境进行了研究。
在研究中三维虚拟海洋环境包含海洋自然环境（海底地形地貌,地表文化特征）、气候环境（雨,雾,雪等）和实体模型等。
乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统,在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性。
还有VISAD系统,专门用于处理多维数据和图像可视化。
VISAD用于气象处理有较好的效果,同样也是对多维数据的处理,并进行可视化的显示,模拟其变化的过程。
国内的西北工业大学航海工程学院应用VisualC++和OPENGL实现了虚拟海洋环境,可以较为逼真的模拟海洋环境,有简单的鱼群,海洋植物和海流的声音。
目前，国家海洋局海洋信息中心利用球体三维可视化建设的，完成海岛系统总体结构设计，包括数据库结构设计，海岛系统框架设计。
选定北京国遥新天地信息技术有限公司自主研发具有自主知识产权的三维平台EV-Globe作为原型系统进行二次开发。
二、国内外发展状况比较
与国际海洋测绘理论与技术相比，我国在海洋测绘基准、海洋测深、海洋遥感和海洋GIS等方面的理论方面已经达到或接近国际水平。
但是在技术自主研发方面还是有一定差距。
国内主要是新技术应用和技术集成方面做了较多的工作，但是在高技术硬件装备和信息化基础设施、自主创新核心技术、国际标准等方面，还有不小的差距。
三、发展趋势
高精度的海洋测绘需求要求建立严密的海洋测绘垂直框架，即需要利用GNSS观测数据，确定基准面中浅水改正和长周期潮改正的合理性，提供一个可靠的垂直基准。
目前我国海洋平面控制网的控制范围还没有覆盖全部领海，海岛高程传递的精度还不是太高，海洋测量基础设施将在21世纪全面更新和升级。
海洋测量基础理论和应用研究方面还有许多规律等我们去揭示。
目前许多国家的测量船上都配备了相应的计算机,具体的调查仪器有带状测量深海的多波束测深仪、用于海底地壳构造调查的多频声波探测仪、探测海底的深海侧扫声呐、用于浅海调查的机载激光测深仪等,而且还设置了将海底地壳变化与GPS相结合的调查系统。
以上这些仪器都涉及大量的数据,且数据接近实时,这都有助于海洋调查部门的信息化。
信息化海洋测绘的构想及存在的问题短波雷达测得的观测值、航标浮标测得的观测值,以及水声成像的观测值将来都有可能直接用于电子海图中,这样,电子海图就不仅仅是运用于船舶航运上,它还会有更广泛的用途。
比如将水声成像和航标浮标观测值与GPS相关联,若能建立日常观测水流、水温体系,那么其数据可用于渔业活动、海上工程、防止海洋污染,海上度假等方面。
基础设施的构建是电信工作者的工作,而扩充内容则是信息提供者的任务。
为了能在因特网上直接向用户提供信息,必须将内容全部数字化。
即将过去的以“纸”提供的海图等航海图书进行数字化及数据库化。
电子航海图已经进入实用阶段,面向小型船舶PC用电子海图（PEC）也投入使用。
这些数字信息的输出通常都是在显示器上显示,而即使是将来,最终输出印刷到纸上也仍是其重要的手段之一。
如果数字化完成以后,可以直接按需向所有媒介输出,信息提供方可以大大削减在库管理成本。
而购买数字化数据的用户如若需要高精度、大型的印刷产品,可以拿到最近的印刷厂,印刷成任意大小的纸质产品。
数字化的优点之一是信息更新更加便捷。
如果能实现双向或自动的信息更新,用户就能不断获得最新信息。
如果能实现只更新变更点,那么就可以减少通信量,可以保存已有的信息便于再次使用。
努力使潮汐、水温、盐度等海洋观测数据的数字化与观测仪器输出产品数字化同时进行,并且将过去的纸质产品也加以数字化,要做到实时发布速报性的信息。
在海岛礁测绘方面，可充分采用多平台、多种传感器联合作业，充分发挥航空航天摄影、合成孔径雷达、激光雷达、无人机等先进技术的优势，采用新的数据处理手段及流程，实现天地一体化、内外业一体化的快速测图新模式。
目前海岸带地区的动态监测主要针对Landsat、MODIS等中低分辨率或高光谱遥感图像，研究主要集中在分类和信息提取技术方面，而面向高分辨率遥感图像的变化检测研究较少。
高分辨率图像在描述海岸带区域地物变化的细节方面具有很好的性能，更能表达人造地物的空间结构变化信息，但高分辨率图像数据自身也使变化检测变得相当困难。
传统的变化检测技术并不能应对高分辨率图像中地物内部“同谱异物，同物异谱”的现象、丰富的纹理和复杂的细节等问题，而且在高分辨率图像分析中常常需要结合地物模型和规则进行推理，所以实施过程具有更大的难度和复杂度。
目前的变化检测技术主要还是停留在像素级的数据引导上，缺乏知识引导的特征级变化检测方法。
传统变化检测方法实施的前提条件是地物的时相变化能引起图像上像素值的明显变化，大多以图像的灰度信息为主，没有充分利用检测对象的结构信息。
由于图像灰度对地物的表达有一定的不确定性，而且对视角和场景环境都很敏感，因而使得变化检测结果出现伪变化，甚至难以实施。
海岸带区域场景复杂需要集成多源的辅助信息，不同的辅助信息可以是DEM、专题地图或拓扑关系等。
这些辅助数据为复杂场景提供了有价值的信息，它们是对遥感影像数据的有利补充。
可是变化检测方法中仅仅只有1/3的方法能从这些辅助新信息中受益，或通过一些微小的修改能从辅助信息中受益。
从总的情况来看,GIS从静态、二维向动态、多维发展已是必然趋势。
原来静态的空间数据越来越向动态多维的空间数据转化,加上海洋变化大,海洋数据量大,如何解决海洋海量数据的计算分析已是现在面临的重要问题。
由于海洋数据时空变化频繁,二维、静止的表达方式已无法满足需要,因此必须用多维、动态的技术来表达海洋数据的特色,并通过剖面显示、二维动态模拟和三维场景虚拟环境来表达时空立体的海洋数据。
二维动态播放技术不仅实现了动态模拟数据的时间序列变化,而且对于浮标轨迹的模拟和面状海水温度等物理量的时间序列变化模拟也具有较好的显示结果。
这种三维场景显示适合于表达海底地形和水体三维空间上的变化,因为利用虚拟GIS技术来进行图层控制、光照设置、纹理贴片、导入模型等操作,可构建逼真的海底三维场景,而漫游、飞行、实时查询技术的应用还可使用户有身临其境的感觉。
四、展望与建议
加强海洋测绘基础研究，特别是海洋测绘基准统一和转换理论和方法，实现我国陆海平面和高程基准的一致、我国高程基准和深度基准的一致、我国平面和垂直基准与世界上平面和垂直基准的一致。
目前，海洋测绘中用到的GNSS系统中更多是GPS定位系统，未来的GNSS将是GPS、GLONASS、GALILEO、COMPASS等多星座共存的世界，充分利用COMPASS系统，发挥我国卫星的有利资源，发挥多星座共容的有利资源，实现高精度的海洋测绘。
在海洋测深方面，不仅要加强声学探测有关理论和应用基础研究，而且加大力度开发相关技术和方法，加大有关技术和方法的国产化和自主知识产权。
同时，将近海应用不断扩展至深海。
不仅为海洋工程建设提供基础海洋地理信息，而且为海底构造探测和资源开发利用提供基础数据。
在遥感应用方面，不仅要提高遥感影像的分辨率，提取高精度、高分辨率的海岛礁地形数据和岸线资料，提高远海海岛礁定位精度，同时也加强海岸带的相关应用研究。
海洋GIS不仅实现海量海洋测绘数据的高效管理、分析和处理，而且要加大决策支持系统的开发，为海岛礁管理和开发提供决策支持和建议。
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