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为建设海洋强国提供基础技术支撑

2018-05-03 11:10:20    来源:    作者:暴景阳

发展海洋经济和利用海洋资源,发展新兴海洋科学技术,是实现海洋强国的重要方面。而海洋发展规划的编制、海洋生态环境调查评价、海洋资源开发利用等需要综合的海洋测绘成果作为基础支撑,海洋测绘的重要性和意义不言而喻。目前海洋测绘的内容与范围不断扩大,新兴科学技术发展使海洋测绘手段更加多样化,海洋测绘已处于一个新的发展和变革时期。全面为国家海洋经济建设服务,发展海洋测绘高科技,建立适应海洋开发的测绘数据库,有针对性地开展关于海洋测绘信息服务的专题研究无疑是一个重要课题。

海洋测绘理论和技术体系的构成及目标要素

海洋测绘本身属于测绘科学与技术的重要组成部分,又与海洋科学、地球物理学等相关学科存在密切联系。海洋测绘的范围不仅包含地球上最广大的海洋区域,也包括江河湖泊等内陆水域,甚至扩展到毗邻的陆地,主要内容包括海洋大地测量、海道测量、海底地形测量、海洋专题测量,以及航海图、海底地形图、各种海洋专题图和海洋图集等的编制。

综上,笔者认为,海洋测绘较为严密的定义是:关于海洋乃至地球表面所有水域及毗邻陆地几何、地质与地球物理、水文等地理信息获取、处理、管理、表达和应用服务的理论和技术体系。海洋测绘的目标要素主要包括水深、底质、浅层地质构造、水文(海流、潮汐、悬浮物)、重力、磁力等,以及水下地物、建筑物、构筑物与特征物(障碍物)、毗邻陆地地形及水面之上的标志物和障碍物等。相较陆地测绘,海洋测绘显然要面对更多的要素,以满足不同的应用需求。

具体实践中,海洋测绘主要按测量要素细化具体的专业技术,不同的要素采用单一或复合的繁简不同的测量样式。此外,不同要素的观测,依据于不同的原理和特定的技术。通常,海洋测绘的探测技术主要包括水声技术、光电技术、采样技术、磁探测技术、重力观测技术等,在不同要素的获取过程中,实时精确定位则是关键和基本的支撑技术。

需要明确的是,海洋测绘中的测量工作通常是面向某种服务目标划分的,由此分别形成了海道测量、海洋工程测量和日渐引起重视的海籍测量三个行业服务性技术分支。其中,海道测量是海洋测绘的根本基石,包括海洋地理信息获取(测量),也包括海洋地理信息服务(海图及其衍生产品)。作为一类保障性测绘工作,海道测量的目标是为编制航海图提供尽可能完备的观测数据,从技术角度看,海道测量是海底地形测量、海岸地形测量、海洋水文测量、海洋磁力测量根据服务目标的集成。而海洋工程测量是面向钻井平台、海上风电场等各类工程的施工进行测量与变形监测等;海籍测量则是依托定位技术和遥感等为海域使用权属所进行的宗海测量。

海洋基础测绘与海洋测绘的知识体系

海洋基础测绘是《中华人民共和国测绘法》所称谓的海洋测绘事务,可以看作基础测绘向海洋区域的扩展,从字面上应不包括内陆水域测绘。而若将“海洋测绘”作为一个不可分割的专属名词,则海洋基础测绘可视为基础海洋测绘,是海道测量概念的延伸。

笔者认为,海洋基础测绘首先对应于行业的规划与管理权界定,是具有政府行为、按统一规划、面向不同类型用途的海洋测绘业务。面向海洋,以数据为中心应是基础海洋测绘的本质技术特征。海洋基础测绘所获取的数据具有规定的覆盖度、精度及分辨率。正规出版的地图类产品或规范化的数据产品构成面向多类用户的基本服务。

海洋基础测绘所涵盖的信息类别包括海底地形地貌、海洋重力场、海洋磁场以及海洋水体要素场。海洋基础测量是海洋基础测绘的关键子集,包括海底地形测量、海洋地球物理测量、海洋水文测量等,以及海洋大地测量。值得注意的是,海洋大地测量是海洋基础测绘的组成部分,可看作为大地测量在海洋区域的扩展。大地测量学是“地球表面测量与制图的科学”,包括地球外部重力场的确定,以及海底地形的测定。笔者认为,它界定了大地测量学作为地球科学分支的科学属性,也明确了其工程科学特点。最重要的是,从地球空间形态和外部重力场认知两方面规定了包括海底地形和海面形态测定在内的全球测绘问题属于大地测量内容。

海洋大地测量的研究和发展始于1966年在美国召开的第一届国际海洋大地测量研讨会,而直到第三届(1974年)国际海洋大地测量研讨会召开之后,这门分支学科才获得普遍的公认。海洋大地测量研究启动之初,还主要限于海底大地控制网的布设和观测技术。随着卫星导航定位技术和卫星对地观测技术的兴起与进步,海洋大地测量学逐渐逼近其本源的科学意义,包括海洋大地水准面、海面地形的确定,以及有关海洋动力现象等与海洋科学的交叉性边缘研究,服务于地球形状和外部重力场研究和区域与全球垂直基准确定。笔者认为,在测绘科学与技术的总体框架下,海洋大地测量学可以包容海洋地球物理测量,也涵盖海洋范围内的高精度导航定位,为海洋导航定位这一测绘基本支撑技术找到学科化归属。

在缺失海洋大地测量理论和技术支持的历史条件下,海道测量、海洋工程测量等也仍然按自身的业务体系而发展,只不过在海洋大地测量理论和技术的支持下,海洋测绘的相关业务化工作具有了更坚实的理论技术依托,向更高水平跨越。

海洋测绘能力伴随科学技术发展总体水平的进步而发展

当前,海洋测绘的精度与可靠性比以往要求更高,如测绘工作范围由近海浅水区向大洋深水区发展;从测定航海保障要素为主,发展到获取各种专题要素,乃至建立海底地形模型的全部信息。目前为海洋测量而建造的大型综合测量船,可以同时获得位置、水深底质、重力、磁力、水文、气象等资料。总体看,海洋测绘目前发展的基本特征和状态是:需求导向、技术引领、理论滞后。

需求方面,航海保障是海洋测绘本初的、当今和今后仍然是最重要的需求。国防安全与军事活动为海洋测绘提出新的信息和服务样式需求。海洋工程建设、综合开发利用以及管理为海洋测绘提出多样化旺盛需求。

技术方面,海洋测绘能力总是伴随着科学技术发展总体水平的进步而发展。其中,水声技术是海洋观测的重要或核心支持技术。自1913年回声测深技术开端,到上世纪20年代(具体到我国,则是在上世纪50年代)的实际应用,水声技术一直是海道测量的引领技术。而卫星导航定位技术彻底摆脱了海洋地理信息采集对传统地文、天文定位技术和地面无线电定位技术的依赖,保证了全球海洋区域地理信息的高精度获取与位置标定,使得海上测量由重点投入定位工作转向关注属性目标信息的高精度可靠探测。

在技术的引领下,海洋测绘为人类向海洋的深度和广度进军提供了技术保障,海洋科学技术的历史进程已从认识海洋演进为开发海洋服务的新阶段。但海洋测绘的相关理论、知识和技能架构总体上比半个世纪前并无本质上的提升。目前,海洋地理信息的获取总体实现了由模拟向数字模式更新,多种类技术的智能化集成,从而对我国高水平、高技术含量的海洋测绘学科提出了全新的要求。

海洋测绘的基本发展方向

一方面,需要加强学科化整合,建构和丰富发展海洋大地测量学、海底地形测量学、海洋地球物理测量学、海洋水文测量学、海图学、海洋地理信息学等有关海洋测绘的科学化知识体系。在体系构建中,重点厘清与海洋科学、地球物理学和海洋地质学和海洋物探技术等的联系与边界,理顺不同分支体系的科学逻辑,为技术发展与应用服务奠定理论基础。

另一方面,应加强标准规范的顶层设计,制定基础测绘标准,更新和改进业务化海洋测绘的相应规范与规程,提升规范标准的科学化,提升与不断发展的新技术和多样化服务需求的适应性。

与此同时,要根据新战略和新理念加强与相关专业领域、行业的跨界协同。近年来,海洋立体监测、物联网、大数据等新理念不断推出,在某种程度上为海洋测绘,特别是海洋基础测绘提供了加速发展的新机遇与新空间,尽管监测技术和社会化服务与海洋基础测绘不可能相互替代,但相互补充和支撑将是必然的发展趋势。

此外,需改进人才培养的方式。学历教育应以夯实基础为重点,强化专业和学科的科学素养。根据现代主流技术和新技术设计务实性的实践环节,深化工程素养训练。面向行业性目标或具体海洋测绘工程,培养设计、分析与总结提高的综合性专业素质。岗位人员的培训则宜根据新装备技术应用、新规范标准实施、新理念的推广,以及特定的目标任务,面向海洋测绘专业或相关人员,满足能力素质持续提升或海洋测绘与相关行业协调发展需求。

(作者单位:武汉大学测绘科技学院)

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