海洋測繪考試基本要求

1.根據工程要求按海洋測繪進行項目分類，依據項目分類，選擇測量方法，制定測量方案。

2.依據海道測量定位、測深原理和使用儀器的實際情況，分析水深定位方法的可行性及其對水深測量成果的影響。

3.根據測區已有深度基準面資料情況，確定深度基準面聯測和傳遞方案;依據潮汐理論和測區潮汐變化情況，分析潮波傳播規律；分析各相關因素對數據采集質量的影響，分析數據處理和數據檢查方法對成果質量及判斷的影響。

4.根據實際情況，提出提供成果的形式和要求；按照制圖原理，結合海圖實際確定制圖原則。

 第 1 章海洋定位及水深測量

 1.1 海洋測繪的作用與任務

 1.1.1 海洋測繪的作用

 1.1.2 海洋測繪的任務

 

海洋測繪是海洋測量和海圖繪制的總稱，是對整個海洋空間，包括海面水體和海底進行全方位、多要素的綜合測量，獲取包括大氣（氣溫、風、雨、云、霧等）、水文（海水溫度、鹽度、密度、潮汐、波浪、海流等）以及海底地形、地貌、底質、重力、磁力、海底擴張等各種信息和數據并繪制成不同目的和用途的專題圖件，為經濟、軍事和科學服務。其任務是對海洋及其鄰近陸地和江河湖泊進行測量和調查，獲取海洋基礎地理信息，編制各種海圖和航海資料，為航海、國防建設、海洋開發和海洋研究服務。

根據海洋測量工作的目的不同，可把海洋測量任務劃分為科學性任務和實用性任務兩大類：

 ( l ）科學性任務。包括： ① 為研究地球形狀提供更多的數據資料； ② 為研究海底地質的構造運動提供必要的資料； ③ 為海洋環境研究工作提供測繪保障。

 ( 2 ）實用性任務。包括： ① 海洋自然資源的勘探和離岸工程； ② 航運、救援與航道； ③ 近岸工程； ④ 漁業捕撈； ⑤ 其他海底工程。

 

海洋測繪與陸地測繪的有關理論和方法關系密切。陸地上的許多測繪學理論和方法，如測量數據處理理論、大地測量技術、地圖制圖方法，都可運用到海洋測繪中，但海洋測繪又有許多不同于陸地測繪的特點。

1.2 平面定位

 1.2.1 海上定位方法．衛星定位是目前海上定位的主要手段。通過衛星定位系統實時獲得海上目標的運動位置狀態，從而進行各種各樣的后繼工作。全球衛星導航系統（ GNSS 即主要包括：美國的 GPS 定位系統、俄羅斯的 GLONASS 定位系統、歐盟的 GalileO系統和我國的北斗定位系統等。 

1.2.2 水下定位方法

水下定位主要采用聲學定位手段。光線在海水中傳播的距離不遠，通常只有幾米到幾十米，聲波在水中的表現要比光波優秀得多，通過頻率的變換，無論是幾米、幾十米的淺海，還是幾千上萬米的深海，聲波都可以穿透，因此海洋中以聲信號為主。聲速同水的狀況（溫度、鹽度和壓力）有關，在海水中為 1 500m / s 左右。在傳播過程中，聲波束在介質常數不相同的兩個水層界面處將產生反射、折射和某種程度的反向散射，并導致聲線彎曲和傳播速度發生改變。折射遵循 Snell 法則。

 

通過聲波的傳播路徑推求目標的坐標（位置），這就是水下目標的聲學定位。用于水下目標定位的聲學系統即稱為水聲定位系統，通常由船臺設備和若干水下設備組成。船臺設備包括一套具有發射、接收和測距功能的控制、顯示設備和安裝在船底或船后“拖魚”內的換能器及水聽器陣。水下設備主要是聲學應答器基陣，即固定設置在海底的位置已準確測定的一組應答器陣列。

換能器：是一種聲電轉換器，能根據需要使聲振蕩和電振蕩相互轉換，為發射（或接收）信號服務，起著水聲天線的作用。最常使用的是磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器

水聽器：本身不發射信號，只能接收聲信號。通過換能器將接收的聲信號轉換為電信號，輸人船臺或岸臺的接收機中。

應答器：既能接收聲信號，還能發射不同于所接收聲信號頻率的應答信號。它是水聲定位系統的主要水下設備，也可作為海底控制點的照準標志（即水聲聲標）。

 

水聲定位系統通常有測距和測向兩種定位方式。

 1 ．測距定位方式

水聲測距定位由船臺發射機通過安置于船底的換能器向水下應答器（位置已知）發射聲脈沖信號（詢問信號），應答器接收該信號后隨即發回一個應答聲脈沖信號，船臺接收機記錄發射詢問信號和接收應答信號的時間間隔，即可算出測船至水下應答器之間的距離。

 

2 ．測向定位方式

測向定位船臺上除安置換能器以外，還在船的兩側各安置一個水聽器，利用它們接收到的信號相位差可確定船臺與水下應答器的方向。

水聲定位系統按聲基線的距離或激發的聲學單元的距離進行分類可以分為 3 種主要類型：長基線定位系統、短基線定位系統和超短基線定位系統。應答器之間的距離構成了所謂的基線。長基線聲學定位系統的基線長度往往長達數百米到幾千米，短基線和超短基線系統的基線間距離分別在 20 一 50m 之間及 10 cm 以下。

長基線系統（圖 10 一 1 一 l ）包含兩部分，一部分是安裝在船只上或水下機器人上的收發器，另一部分是一系列已知位置的固定在海底上的應答器。通過測量收發器和應答器之間的距離，采用測量中的前方或后方交會對目標定位，所以系統與深度無關，也不必安裝姿態、電羅經設備，系統的工作方式是距離測量。

1.3 單波束測深

 1.3.1 回聲測深原理

1.3.2 海洋測深基本空間結構

海洋測深的本質是確定海底表面至某一基準面的差距。目前世界上常用的基準面為深度基準面、平均海面和海洋大地水準面。前一種是指按潮汐性質確定的一種特定深度基準面，即狹義上的深度基準面，這也是海洋測深實際用到的基準面。深度基準面的確定既考慮到船舶航行的安全，又要考慮到航道或水域水深資源的利用效率。為此，海圖深度基準面確定方法要有科學性，并在計算方法上力求統一。目前實際上有以下幾種方法確定深度基準面：

20 世紀 50 年代初期，我國采用略最低低潮面作為深度基準面。由于它在大潮低潮期間有時高于實測的低潮面， 1954 年后，在正規半日潮和不正規半日潮海區也曾在此面上增加了 k2 分潮和 NZ 潮的改正。 1957 年后，我國采用蘇聯的可能（理論）最低潮面作為海圖深度基準面。一般來說，潮差越大，深度基準面與平均海面的差距值越大，其位置越低。 海洋測深基本空間結構如圖 10 一 1 一 5 所示。 

1.3.3 測線布設

測線是測量儀器及其載體的探測路線，分為計劃測線和實際測線。海底地形測量測線一般布設為直線，又稱測深線。測深線分為主測深線和檢查線兩大類。測線布設的主要因素是測線間隔和測線方向。測深線的間隔根據對所測海區的需求、海區的水深、底質、地貌起伏的狀況，以及測深儀器的覆蓋范圍而定。總之，以滿足需要又經濟為原則。國內外具體處理方法一般有兩種，一種是規定在圖上主測深線的間隔為 10 mm 的情況下，根據上述原則確定海區的測圖比例尺；另一種是根據上述原則先確定實地主測深線的間隔，再取其圖上相應的間隔，如 6 mm 、 8 mm 、 10 mm ，最后確定測圖比例尺。我國采用前者。

以上測深間隔主要是針對單波束測深儀測量而確定的，多波束測深檢查線應當至少與所有掃描帶交叉一次，以檢查定位、測深和水深改正的精度。兩條平行的測線外側波束應保持至少 20 ％的重疊。

測深線方向是測深線布設所要考慮的另一個重要因素，測線方向選取的優劣會直接影響測量儀器的探測質量。選擇測深線布設方向的基本原則：有利于完善地顯示海底地貌，有利于發現航行障礙物，有利于工作。對于多波束測深，還要考慮測量載體的機動性、安全性、最小測量時間等問題。

 1.4 多波束測深系統 

1.4.1 多波束測深工作原理

多波束測深系統是一個復雜的綜合性系統，主要組成部分為：多波束聲學系統（ MBEs ）、多波束采集系統（ MCS ）、數據處理系統和外圍輔助傳感器。

各種型號的多波束系統在設計和采用的技術上各具特色，但基本的原理是相似或相同的。

1.4.2 多波束參數校正

多波束系統結構復雜，各種傳感器和換能器的安裝一般無法達到理論設計的要求，因此需要進行多波束參數校正，通常有橫搖、縱搖、導航延遲和舫偏校正。

 1 ．橫搖校準測試

對于橫搖校準，如果選擇一平坦海底，沿同一測線往返測量地形，將所有波束沿航線方向進行垂直正投影。如果沒有橫搖安裝誤差存在，則兩次地形應完全重合，否則在投影圖上兩次地形會出現交角，調整橫搖參數使得交角為零，兩次地形重合，記錄此時的橫搖參數并在勘測時進行改正。

 2 ．導航延遲校準測試

 

3 ．縱搖校準測試

選擇一個較深斜坡海域，沿同一測線以較低船速進行往返測量。根據縱搖特性，同一孤立點位置在往返測量中會移位，通過該移位長度及水深即可計算出縱搖偏差。

 

4 ．循偏校準測試

1.4.3 多波束測量野外工作的實施

多波束系統海上勘測實施的過程包括測前試驗、測前準備、數據采集和數據處理四個部分。 

1.4.4 多波束測深數據編輯

多波束勘測數據編輯的方法多種多樣，但總的編輯思路是一致的，編輯的對象一般是水深值。其編輯計算方法主要有兩種，一種是投影法，一種是曲面擬合法。

 ( l ）投影法：多波束系統采集的水深數據是三維的，對測線數據進行編輯時，首先必須把水深數據投影到平面中去，然后才能進行編輯工作。投影方法主要有三種：沿測線前進方向投影，正交測線方向投影，垂直正投影。

( 2 ）曲面擬合法：海底地形一般是連續變化的，而多波束測量是全覆蓋的高精度測量，測量的資料能反映海底地形的全貌。根據這一特點，用一定的曲面擬合海底面，超出曲面一定范圍的數據點稱為躍點，應該剔除掉。曲面擬合常用的計算方法有 Bezier 方法、 B 樣條方法、最小二乘法擬合等。

 1.5 測深改正

 1. 5.1 吃水改正

1.5.2 姿態改正

1.5.3 聲速改正

1. 5.4 潮位改正

潮位改正可根據驗潮站的布設及控制范圍，分為一個站、兩個站、三個站和多個站潮位改正。 

1 ．一個站潮位改正

2 ．兩個站的潮位改正

3 ．三個站潮位改正（三角分帶法）

1.6 測深精度

 

 第 2 章 海底地貌測量

 2.1 側掃聲吶圖像形成的原理

 2.Ll 聲吶方程

 聲波從發射到接收的整個過程構成了聲吶方程，它是將聲傳播介質、目標、背景干擾以及聲吶設備參數綜合在一起的關系式。利用聲吶方程可以設計聲吶系統的工作參數，并對系統檢測能力進行估算，還能反映海底類型的變化，因而它具有解釋海底地貌特征的作用。 

 2.1.2 側掃聲吶圖像的形成

側掃聲吶是運用海底地物對人射聲波反向散射的原理來探測海底形態和目標、直觀地提供海底聲成像的一種設備，在海底測繪、海底地質勘測、海底工程施工、海底障礙物和沉積物的探測，以及海底礦產勘測等方面得到廣泛應用。

側掃聲吶主要由甲板和拖魚（ Towed Fish ）兩大部分組成。它的基本工作原理與側視雷達類似，能直觀地提供海底地貌圖像，利用距海底較近的拖魚記錄聲波的回波強度。它在垂直于航向的方向上沿左右船舷各發射一扇形波束，在航向方向上很窄，回收方向與發射波束正好相反。這樣，每個聲脈沖發射后在海底形成一條由很多方塊或者像素（ Pixel ）組成的聲吶圖像，其成像精度比多波束聲吶高許多，但水深信息的精確度不如多波束聲吶，只能得到突出目標相對于海底的高度。側掃聲吶波束是左右舷側向發射的，換能器正下方一定范圍內回波時間間隔太短，故中間大約 10度 范圍內沒有回波，稱為盲區，也叫水柱區（ Water Column ）。整個系統的組成部分如圖 10 一 2 一 2 所示，聲吶圖像如圖 10 一 2 一 3 所示

利用接收機和計算機對這一脈沖串進行處理，最后變成數字量，并顯示在顯示器上，每一次發射的回波數據顯示在顯示器的一橫線上，每一點顯示的位置和回波到達的時刻對應，每一點的亮度和回波幅度有關。將每一發射周期的接收數據一線接一線地縱向排列，顯示在顯示器上，就構成了二維海底地貌聲圖。聲圖平面和海底平面成逐點映射關系，聲圖的亮度包含了海底的特征。

2.2 側掃聲吶圖像的判讀

 2.2.1 側掃聲吶圖像的變形

側掃聲吶系統產生的聲圖并不是嚴格按比例記錄海底地貌，由于測量船速度、波束傾斜和海底坡度等多種因素影響，經常會產生聲圖變形，從而扭曲了海底目標物的真實形態。 

 1.船速產生的聲圖變形

2 ．聲線傾斜變形

3 ．目標距離變形

4 ．傾斜坡面引起的橫向比例變形

5 ．雙曲變形

6 ．拖魚高度變化使聲圖橫向比例變形

2.2.2 側掃聲吶圖像判讀

側掃聲吶圖像判讀是聲吶掃海中的一項主要工作，經驗豐富的判讀人員可以比較確切地描述掃測海域的地貌特征，判斷聲圖中礙航物和非礙航物，為潛水探摸和打撈提供詳細的信息。聲圖判讀對象是聲圖中各類目標和地貌。因此，聲圖判讀人員必須了解聲圖形成的簡單過程，才能理解聲圖的變形現象，正確判讀聲圖中的目標和地貌。

 

 第 3 章海圖繪制

 3.1 海圖的內容和類別

 3.1.1 海圖的內容

 

海圖的內容可以劃分成數學要素、圖形要素和輔助要素 3 大類。

 1 ．數學要素

數學要素是建立海圖空間模型的數學基礎，是海圖內容中非常重要的要素，包括海圖投影及與之有關的坐標網、基準面、比例尺及大地控制網。與海圖數學基礎有關的內容，如圖廓，方位圈、圖幅內的圖形配置也屬海圖的數學要素。

 2 ．圖形要素

海圖圖形要素是借助專門制定的海圖符號系統和注記來表達的。海圖圖形要素分為海域要素和陸地要素兩類。

 1 ）海域要素

2 ）陸地要素

 3 ．輔助要素

海圖的內容和形式各不相同，不僅數學要素、圖形要素和輔助要素種類的選擇及圖形要素和輔助要素的詳細程度不同，而且某些內容的制圖綜合原則和表示方法也有差異，這是由于各幅海圖的用途、比例尺、海洋地理景觀及其測量調查詳細程度不同所致。

 3.1.2 海圖分類

1 ．通用海圖

2 ．專用海圖

3 ．航海圖

4 ．普通海圖

5 ．專題海圖

專題海圖按內容性質的區別，還可分為若干種，一般與地圖分類相適應，也分成自然現象海圖和社會經濟現象海圖兩種。

自然現象海圖

6 ．電子海圖

隨著計算機技術的發展，許多國家早在 20 年前就開始研究海圖數字化技術，尤其在近 10 年計算機小型化，微機的高運算速度和大容量存儲技術迅猛發展的情形下，各類非標準的電子海圖按使用需要出現在各單位的工作系統內。國際海道測量組織（ I HO ）為使這項技術更加國際化，十多年來一直致力于國際標準的制定工作。 1992 年，第十四次海道測量大會通過了新的數字化海道測量數據交換標準，這一標準由理論模型、物標目錄和交換格式組成。通過四年試用，在吸收了計算機對圖形數據存儲處理最新成果的基礎上，對這一標準進行了全面的修改、補充后， 1996 年第十五次國際海道測量大會通過了更為詳細、完善的數字海圖交換標準，并以 IHO 特別出版物 《 數字化海道測量數據傳輸標準 》 S57 （第三版）的形式正式發布。我們把基于 5 - - 57 標準的電子海圖數據產品稱為電子航海圖（ Electronic Navigational Chart. ENC ) ，由各國官方海道測量機構制作并發行。

3.2 海圖投影

 3.2.1 投影的選擇

投影選擇的一般原則是：

 ( 1 ）充分考慮各種投影的變形特征，所選擇投影的變形要盡可能小，并符合地圖的用途； 

( 2 ）單幅圖選擇投影時，要考慮與之配合使用的圖的投影盡可能一致； 

( 3 ）在保證上述要求的前提下，盡可能選擇經緯網圖形簡單的投影，以便計算、展繪、作業和使用；

（4）新編圖的投影與基本資料圖的投影盡可能一致或接近，以便作業、投影轉換和保證成圖精度。根據上述原則，各種海圖一般選用墨卡托投影。

 3.2.2 墨卡托投影

墨卡托（ Mercator ）投影，又名“等角正軸圓柱投影”，荷蘭地圖學家 G ．墨卡托（ Gerardus Mercator ）在 1569 年擬定，假設地球被圍在一個中空的圓柱里，其赤道與圓柱相接觸（見圖 10 -3 一 1 ) ，然后再假想地球中心有一盞燈，把球面上的圖形投影到圓柱體上，再把圓柱體展開，這就是一幅標準緯線為零度（即赤道）的“墨卡托投影”繪制出的世界地圖。

墨卡托投影有如下特點：見圖 10 一 3 一 1 墨卡托投影

墨卡托投影的“等角”特性，保證了對象的形狀不變形，正方形的物體投影后不會變為長方形。“等角”也保證了方向和相互位置的正確性。墨卡托投影的“圓柱”特性，保證了南北（緯線）和東西（經線）都是平行直線，并且相互垂直。經線間隔相同，緯線間隔從標準緯線（此處是赤道，也可能是其他緯線）向兩極逐漸增大。但是，“等角”不可避免地帶來的面積的巨大變形，特別是兩極地區。

對應比例尺的墨卡托投影海圖制作時，只有確定基準緯度之后才能進行圖廓范圍和制圖網的計算。圖上經差每單位長度和緯差每單位長度都是根據基準緯線上的長度來計算的。基準緯線上經差每分之長在某比例尺海圖上的長度，稱為制圖單位。。，以厘米計算： 

3.3 海圖符號及制圖 

3.3.1 海圖符號及要素

 1 ．海圖符號的概念及分類

按分布范圍，海圖符號可分為

 1 ）點狀符號， 

2 ）線狀符號， 

 3 ）面狀符號， 

按符號的尺寸與海圖比例尺的關系，海圖符號可分為

 

 2 ．海圖圖式

 1980 年，我國進行航海圖書改革，其中包括制定新的 《 海圖圖式 》 ，并于 1982 年出版。

3 ．海底地貌的表示方法

1 ）符號法

2 ）深度注記法

3 ）等深線法

4 ）明暗等深線法

 5 ）分層設色法

6 ）暈渲法

 7 ）暈滃法

8 ）寫景法

 

 4 ．專題要素的表示方法

專題海圖上表示的專題要素方法主要有：

 

 5 ．海圖注記

 

 3.3.2 海圖制圖綜合

海圖內容的壓縮、化簡和圖形關系處理的制圖技術，稱為制圖綜合，其任務是在海圖用途比例尺、制圖資料和制圖區域地理特點等條件下，按照特定的原則和方法解決海圖內容的詳細性與清晰性、幾何精確性與地理適應性的對立統一問題，實現海圖符號和圖形的有效建立。制圖綜合的基本原則是表示主要的、典型的、本質的信息，舍去、縮小或不突出表示次要的信息。制圖綜合的方法，主要有選取、化簡、概括和移位，而對于實地制圖現象向圖形轉換，還包括對實地物標的分類分級、建立符號系統。

 1 ．內容的選取

 

 1 ）資格法

 2 ）定額法

 3 ）平方根定律法

2 ．形狀的化簡

3 ．數量特征的概括

4 ．質 量特征的概括

5 ．制圖物體的移位

按照大綱要求，要注意下四個部分內容：

第一部分：海洋測繪內容(1.根據工程要求按海洋測繪進行項目分類，依據項目分類，選擇測量方法，制定測量方案。)

第二部分：水下地形測量(2.依據海道測量定位、測深原理和使用儀器的實際情況，分析水深定位方法的可行性及其對水深測量成果的影響)。

第三部分：垂直基準問題(3.根據測區已有深度基準面資料情況，確定深度基準面聯測和傳遞方案;依據潮汐理論和測區潮汐變化情況，分析潮波傳播規律；分析各相關因素對數據采集質量的影響，分析數據處理和數據檢查方法對成果質量及判斷的影響。)

第四部分：成果呈現(4.根據實際情況，提出提供成果的形式和要求；按照制圖原理，結合海圖實際確定制圖原則。)

具體說明如下：

第一部分 海洋測繪的主要內容有： 

�海洋大地測量；

�海洋工程測量；

�水深測量及水下地形測量；

�障礙物探測；

�水文要素調查；

�海洋重力測量；

�海洋磁力測量；

�海洋專題測量和海區資料調查；

�各種海圖、海圖集、海洋資料的編制和出版；

�海洋地理信息的分析、處理及應用。

 

第二部分：水下地形測量，該部分包括如下內容：

一．定位原理及設備

二．測深原理及設備

三．水下地形測量

四．水下地形測量誤差源及精度評估

 

第三部分：垂直基準問題.該部分包括如下內容：

一．潮汐觀測

二．潮汐、潮流分析

三．垂直基準

四．基準傳遞與推估

五．影響成果質量的因素分析

 

第四部分：成果呈現 該部分包括如下內容：

一．海圖的內容、形式和類

二．海圖的數學基礎

三．海圖坐標系及分幅

四．海圖符號及要素表示

五．制圖綜合

六．海圖制作與生產