海島礁測繪的主要技術(shù)及方法

黃文騫

(海軍大連艦艇學(xué)院 海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

一、引 言

海洋測繪是陸地測繪向海洋的自然延伸。海島礁測繪作為海洋測繪的重要組成部分，既不同于傳統(tǒng)的陸地測繪，也有別于傳統(tǒng)的海洋測繪，其主要技術(shù)與方法不僅是兩者的有機(jī)統(tǒng)一，還有許多新的內(nèi)涵和特點(diǎn)。近年來，隨著國家不斷加強(qiáng)維護(hù)海洋權(quán)益，積極拓展海洋資源開發(fā)利用，海島礁對海洋的控制作用日益顯著，精確測繪的海底地形地貌和海島礁地理空間信息是解決國與國之間海洋國土及海洋資源爭端的重要依據(jù)，也是進(jìn)行海島礁管理和經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重要基礎(chǔ)。因此，海島礁測繪正受到越來越多的重視，其主要內(nèi)容包括：建立海島礁測繪基準(zhǔn)，利用航空航天技術(shù)進(jìn)行海島礁識別定位與遙感測圖，開展海島礁潮位與岸線綜合判定，生產(chǎn)海島礁矢量地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖，編制海島礁地圖，實現(xiàn)海島礁地理環(huán)境動態(tài)表達(dá)與三維可視化等。

二、海島礁測繪基準(zhǔn)

海島礁測繪基準(zhǔn)包括大地基準(zhǔn)、垂直基準(zhǔn)(高程基準(zhǔn)與深度基準(zhǔn))和重力基準(zhǔn)。海島礁大地基準(zhǔn)可分為與大陸一致的海島礁大地基準(zhǔn)和海島礁獨(dú)立大地基準(zhǔn)。前者是將大陸大地控制網(wǎng)向海島礁延伸，通過數(shù)據(jù)處理建立與大陸一致的海島礁大地基準(zhǔn)，以保證大陸測繪成果與海島礁測繪成果的一致性。它需要在大陸沿岸及島礁布測大地控制網(wǎng)，建成均勻覆蓋主要海域的海島礁大地控制網(wǎng)。為保證已有測繪成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，在大地控制網(wǎng)建設(shè)過程中還需要聯(lián)測已有海島礁大地控制點(diǎn)(如天文大地控制網(wǎng)點(diǎn))。大地基準(zhǔn)建設(shè)需要充分考慮與2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)大地基準(zhǔn)的有效銜接，并通過聯(lián)測已有海島三角點(diǎn)，建立海島礁測繪基準(zhǔn)與已有國家參心坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。而海島礁獨(dú)立大地基準(zhǔn)一般是受限于歷史條件或技術(shù)條件，無法實現(xiàn)大陸大地基準(zhǔn)向海島礁傳遞，而引入的一種地方獨(dú)立大地基準(zhǔn)。

海島礁垂直基準(zhǔn)包括高程基準(zhǔn)和深度基準(zhǔn)。高程基準(zhǔn)定義了陸地和海島礁高程測量的起算點(diǎn)。高程基準(zhǔn)的建設(shè)包括高程基準(zhǔn)點(diǎn)和高程框架的建立，高程基準(zhǔn)的參考面為似大地水準(zhǔn)面，主要采用物理大地測量方法，聯(lián)合多源重力場探測數(shù)據(jù)按Molodensky邊值方法計算。根據(jù)實現(xiàn)方式不同，高程系統(tǒng)主要分為正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)兩大類。高程框架是高程系統(tǒng)的實現(xiàn)，我國水準(zhǔn)高程框架由全國高精度水準(zhǔn)控制網(wǎng)體現(xiàn)，以黃海高程基準(zhǔn)為起算基準(zhǔn)，以正常高高差為水準(zhǔn)高程傳遞方式。通過精化似大地水準(zhǔn)面的方法建立起來的高程框架稱為似大地水準(zhǔn)面高程框架，是海洋、海島礁高程基準(zhǔn)傳遞的主要表現(xiàn)形式。深度基淮定義了計算水體深度的起算面。深度基準(zhǔn)的確定應(yīng)遵循兩個原則：一要保證航行安全；二要充分利用航道。由于各地潮汐性質(zhì)不同，存在海面地形，采用的計算方法不同，許多國家和地區(qū)的深度基準(zhǔn)面也不相同。目前，深度基準(zhǔn)面的實現(xiàn)只是驗潮站相對于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ娴臄?shù)值形式，數(shù)據(jù)處理過程對該基準(zhǔn)面未進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定與維持，歷史數(shù)據(jù)和直接計算方法的差別，導(dǎo)致一些驗潮站的深度基準(zhǔn)面存在偏差。因此，建立統(tǒng)一的深度基準(zhǔn)已成為海岸帶、海洋、海島礁測繪急需解決的關(guān)鍵問題。

重力基準(zhǔn)是標(biāo)定一個國家或地區(qū)的(絕對)重力值和重力段差的標(biāo)準(zhǔn)，包括重力測量基準(zhǔn)和地球重力場參考系統(tǒng)。重力測量基準(zhǔn)是標(biāo)定(絕對)重力值和相對重力尺度的標(biāo)準(zhǔn)，地球重力場參考系統(tǒng)規(guī)定了地球重力場所參考的正常重力場及其表示方法。重力測量參考框架是重力測量基準(zhǔn)的一種實現(xiàn)形式，由分布在各地的若干絕對重力點(diǎn)和相對重力點(diǎn)構(gòu)成的重力控制網(wǎng)，以及用作相對重力尺度標(biāo)準(zhǔn)(重力段差)的若干條長短基線構(gòu)成。目前，我國已先后建立了1957重力基本網(wǎng)、1985國家重力基本網(wǎng)和2000國家重力基本網(wǎng)。當(dāng)前，急需進(jìn)行海域多種重力數(shù)據(jù)融合，對收集到的陸地重力、船測重力、航空重力、衛(wèi)星測高反演重力和衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，形成重力異常成果數(shù)據(jù)集。

三、海島礁識別定位

海島礁識別定位是指精確確定哪些目標(biāo)是海島礁及其具體地理位置分布。其中，海島礁遙感識別是利用遙感影像探測確定一個目標(biāo)或特征目標(biāo)的客觀存在，再根據(jù)影像上目標(biāo)的細(xì)微特征，識別這一實體的準(zhǔn)確度，并歸為某一特定的海島礁類別，查明海島數(shù)量。精確定位是利用高精度的海洋潮汐預(yù)報與水位推算、高精度衛(wèi)星靜態(tài)定位基線測量、衛(wèi)星靜態(tài)定位、大范圍稀少控制的高精度高分辨率衛(wèi)星遙感測圖等新技術(shù)，融合多種相對或絕對控制技術(shù)，解決海島航空立體測圖和非立體影像高精度糾正的控制布測及稀少特征的遙感控制傳遞技術(shù)，實現(xiàn)海島礁遙感識別與精確定位。

海島礁識別不同于傳統(tǒng)的陸地測繪，它是利用航空航天遙感手段，根據(jù)傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別島礁類型，實現(xiàn)對海島礁目標(biāo)及其自然地理分布特征的確定、暗礁精確識別和水下地形探測等。它涉及海島礁遙感影像處理、解譯標(biāo)志、識別模型等技術(shù)內(nèi)容。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的遙感衛(wèi)星升空，遙感數(shù)據(jù)采集手段的多樣性，觀測條件的可控性，確保了所獲得遙感數(shù)據(jù)的多源性，即多平臺、多波段、多視場、多時相、多角度、多極化等。目前，可用于島礁識別的遙感數(shù)據(jù)有Landsat、IKONOS、QuickBird、SPOT、ALOS、RapidEye、WoridView、GeoEye-1、尖兵、北京-1號、RADARSAT、JRS、ENVISAT、IRS、CBERS等。海島礁識別是在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，對海島礁類型和是否存在作進(jìn)一步的確認(rèn)。半自動或全自動識別主要是面向高空間分辨率遙感影像中目標(biāo)的判別分析，是對遙感影像的不同區(qū)域進(jìn)行特征提取與分析，對其中所蘊(yùn)含的各種用戶感興趣區(qū)域的目標(biāo)地物進(jìn)行分離，并采用計算方法對相應(yīng)特征進(jìn)行自動提取、分析與表達(dá)。在識別過程中，通常海洋中的大型船舶會對海島礁識別造成一定的影響，利用多時相影像，通過對同一區(qū)域的目標(biāo)影像作對比分析，同時結(jié)合移動船只的尾跡特征進(jìn)行綜合判斷，可以確認(rèn)檢測結(jié)果是船舶或是海島礁。

海島礁定位由于普遍存在測繪資料少、控制點(diǎn)不易布設(shè)等困難，因而需要采用新的定位手段。主要的技術(shù)方法有：遙感衛(wèi)星軌道與姿態(tài)參數(shù)精確外推技術(shù)、線陣CCD傳感器RFM通用成像模型參數(shù)估計理論與技術(shù)、稀少(無)控制點(diǎn)多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)幾何一體化定位與遙感控制傳遞處理技術(shù)。其中，遙感衛(wèi)星軌道與姿態(tài)參數(shù)精確外推技術(shù)主要是研究遙感衛(wèi)星軌道與姿態(tài)參數(shù)的精確反演與無控制點(diǎn)遙感影像精準(zhǔn)定位技術(shù)；線陣CCD傳感器RFM通用成像模型參數(shù)估計理論與技術(shù)主要是指基于視線方向矢量的嚴(yán)格幾何成像模型構(gòu)建、基于共線方程的高分辨率衛(wèi)星影像嚴(yán)格幾何成像模型構(gòu)建和有理函數(shù)模型(FRM)參數(shù)的穩(wěn)健估計算法；稀少(無)控制點(diǎn)多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)幾何一體化定位與遙感控制傳遞處理技術(shù)主要是指控制點(diǎn)和遙感影像連接點(diǎn)的自動或半自動高精度量測算法、基于RFM模型的稀少(無)控制的區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)等。

四、海島礁遙感測圖

海島礁遙感測圖是指采用航空航天遙感手段獲取海島礁地形地貌的基礎(chǔ)性地理信息，并進(jìn)行海島礁數(shù)字線劃地形圖(DLG)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)等數(shù)字測圖產(chǎn)品的生產(chǎn)。由于海島礁普遍具有分布零散和遠(yuǎn)離大陸的特點(diǎn)，使得采用傳統(tǒng)的全野外測圖方式，存在登島難度大、測圖成本高、成圖周期長等不足。因此，目前仍有許多海島礁是地理盲區(qū)，沒有相關(guān)的測圖產(chǎn)品。航空航天遙感測圖能夠較好地克服自然條件的限制，利用高、中、低航空攝影測量技術(shù)與機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，以及高分辨率光學(xué)、雷達(dá)衛(wèi)星成像技術(shù)，可以對近海、遠(yuǎn)海，以及不宜、不易到達(dá)的海島礁，存在爭議或他國非法侵占的海島礁進(jìn)行高效率、高精度非接觸式測圖。目前，海島礁遙感測圖主要是采用全數(shù)字?jǐn)z影測量方法，并在灘涂區(qū)測圖采用LiDAR等手段進(jìn)行輔助。

航空航天遙感測圖由外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分組成。外業(yè)包括控制點(diǎn)測量與地物調(diào)繪，內(nèi)業(yè)包括空中三角測量與區(qū)域網(wǎng)平差、影像校正、地物要素采集等。其中，航空遙感測圖主要是運(yùn)用GNSS/IMU航空攝影測量技術(shù)，利用航攝飛機(jī)按一定的航攝規(guī)格獲取海島礁航空遙感影像，通過少量的海島地面控制點(diǎn)布測，進(jìn)行稀少(無)控制的空中三角測量，獲取每一影像的外方位元素，恢復(fù)航空遙感影像立體模型，實現(xiàn)海島礁DLG、DEM和DOM地形要素采集，并制作生成海島礁測圖產(chǎn)品。而航天遙感測圖主要是采用衛(wèi)星立體影像，基于高精度的軌道和姿態(tài)參數(shù)，外推和反演出高精度遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和自動幾何定位所需的高頻度、高精度的軌道與姿態(tài)信息，結(jié)合瞬時海水水位、相鄰海島礁間基線長度等相對控制信息，建立稀少(無)控制條件下的大范圍多源遙感影像聯(lián)合平差方法，進(jìn)行海島礁測圖。

在海島礁的灘涂區(qū)，由于傳統(tǒng)的光學(xué)影像紋理及對比度較弱，直接影響其測圖精度，有時甚至無法進(jìn)行測圖作業(yè)。LiDAR是海島礁測圖的新技術(shù)手段，它集激光測距技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、慣性測量單元(IMU)、差分定位技術(shù)(DGPS)等于一體，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)在灘涂區(qū)上測圖的不足，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取地表高精度、高密度的高程數(shù)據(jù)。也就是說，LiDAR測圖是通過海島礁激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，再經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)海島礁的DLG、DEM、DOM等數(shù)字測圖產(chǎn)品的制作。

五、海島礁潮位與岸線綜合判定

海島礁潮位與岸線綜合判定是海島礁測繪不可或缺的重要內(nèi)容。海岸線一般被認(rèn)為是陸地和海洋的分界線，在有潮海為多年平均大潮高潮的水陸分界線，在無潮海為平均海面的水陸分界線。顯然，海岸線是條實際中不存在的理論曲線，不能通過實地定位和遙感測圖方法直接獲取，我國通常是以平均大潮高潮的痕跡線所形成的水陸分界線作為海岸線，這種上沖流形成的痕跡線，一般為斷續(xù)存在，其受非潮汐水位影響較大，并隨海岸類型、岸線走向、地貌特征的不同而存在差異。在我國東海，有些面積不大的小島痕跡岸線的高程不符值可達(dá)2 m，而大點(diǎn)的島嶼不同方向痕跡岸線的高程差可達(dá)3～5 m。因而，不論是采用現(xiàn)場測量還是遙感影像判繪方法，不同作業(yè)人員對痕跡岸線的判斷都會產(chǎn)生一定的差異。在同一段海岸，不同的作業(yè)人員所測的痕跡岸線位置會有些差異，甚至同一人對同一段海岸兩次測量痕跡岸線的結(jié)果也會存在差異。因此，海島礁潮位與岸線綜合判定和量測急需進(jìn)一步完善與規(guī)范。

國際上，海岸線均被定義為平均大潮高潮線，然而具體實現(xiàn)和確定方法卻有所不同，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞等是將平均大潮高潮面作為一種特定的潮汐基準(zhǔn)面，由潮汐調(diào)和常數(shù)計算和確定，該面與海岸和海島的水平截痕作為實際的大陸岸線或海島岸線。而我國是將平均大潮高潮時留下的痕跡線作為岸線，事實上測定海水及漂浮物在海岸和島礁上留下的較重痕跡作為岸線的測定手段，由于不存在“平均大潮高潮時刻”，因而大陸、島礁海岸上留下的痕跡線并不唯一或不明顯，這種實用的方法在岸線的具體確定中往往要依賴于測量人員的工作經(jīng)驗，且難以保證岸線的高度確為平均大潮高，存在定義及其實現(xiàn)在某種程度上的差別。將潮位(平均大潮高潮位)應(yīng)用于岸線確定需要對潮汐信息作深入的挖掘，用相應(yīng)的計算公式推算所需的高度值。

在海島礁的岸線確定上，岸線高度的確定基準(zhǔn)涉及海圖深度基準(zhǔn)面、平均海面和國家高程基準(zhǔn)面等。對于全野外數(shù)字測圖和高程傳遞的海島，利用島上短期驗潮站與鄰近的一個或多個長期驗潮站觀測資料，由潮差比法和長期驗潮站的平均大潮潮高計算海島礁處的平均大潮高度，直接以1985國家高程基準(zhǔn)表達(dá)，并與實測痕跡岸線高度比較。對于海岸線及周邊水深一起測量的海島，由島上短期驗潮站和鄰近長期驗潮站的同步水位觀測資料傳遞平均海面及1985國家高程基準(zhǔn)，用潮差比法確定岸線平均大潮高潮高，并與實測岸線高度比較。對于由潮汐模型和海面地形模型按調(diào)和常數(shù)計算法(平均半潮面和平均大潮半潮差)和一定時段的平均大潮高預(yù)報法確定岸線的高度，推求平均大潮高潮高度要考慮海面地形的影響，并與實測岸線比較。對于以GPS RTK技術(shù)實測的岸線，用大地高的形式測定高程，根據(jù)精化的大地水準(zhǔn)面模型，確定實測岸線的1985高程，并與基準(zhǔn)傳遞法的結(jié)果、水位傳遞法、平均大潮高潮特征潮位傳遞法的結(jié)果作比較。確定岸線的關(guān)鍵在于根據(jù)平均大潮高潮高度和陸、島礁地形確定岸線的平面位置。對于在遙感影像上能判讀痕跡線的海島，可根據(jù)潮汐模型計算的平均大潮高潮高度和痕跡線的修正數(shù)據(jù)，直接對該線狀要素賦高程信息，結(jié)合瞬時水位線的位置和高度對海島礁的DEM作垂向定位，依據(jù)DEM模型計算岸線以下部分的坡段，并根據(jù)岸線高度和DEM變化梯度確定零米等高線。對于無法判斷痕跡線的海島，可通過判讀瞬時水位線的形狀，根據(jù)潮汐預(yù)報模型和水位推算結(jié)果確定像對不同拍攝時刻的瞬時水位線高度，由海面地形模型和瞬時水位高度對像片進(jìn)行垂向定位，構(gòu)建海島礁DEM，并逐網(wǎng)格點(diǎn)計算DEM梯度，再由梯度和平均大潮潮高，計算確定岸線和零米等高線。

六、結(jié)束語

海島礁測繪是測繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域迫切需要發(fā)展的一個重要分支，它包含海島礁測量與海島礁制圖。目前，海島礁測繪面臨長距離測繪基準(zhǔn)傳遞、島礁精確定位、暗礁探測、無地面控制海島礁遙感測圖、海島岸線綜合判定等技術(shù)難題，其理論與技術(shù)方法急需進(jìn)一步提高和完善。為此，本文著重介紹了海島礁測繪基準(zhǔn)、海島礁識別定位、遙感測圖、潮位與岸線綜合判定等技術(shù)，并提出了解決各技術(shù)難點(diǎn)的方法。毫無疑問，航空航天遙感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展，必將帶動海島礁測繪不斷取得新進(jìn)展、手段更豐富、技術(shù)方法更先進(jìn)，從而為國家海洋權(quán)益維護(hù)和自然資源開發(fā)提供更加有力的技術(shù)支撐。

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