海岛礁测绘技术.pdf

海岛 礁 测绘技术海岛 礁 测绘技术 国家测绘国家测绘地理信息地理信息局重点实验室局重点实验室 科技发展科技发展 2013 年度年度综述综述 一 所属学科及研究领域发展概述一 所属学科及研究领域发展概述 我国拥有多达 18000 千米的海岸线 广阔的大陆架和 300 多万平 方千米的海洋疆土 合理开发和利用海洋资源 科学保护海洋环境是 实现我国经济可持续发展战略的重要基础 我国已经制定并逐步实施 蓝色经济战略 沿海各省市区也加大海洋投入 也是经济转型的重要 一环 海岛 礁 测绘不仅统一陆海测绘基准 为陆海地理信息共享 和应用奠定基础 而且开展海岛 礁 基础测绘工作 提供海岛 礁 位臵 地形地貌等基础地理信息 这对海岛 礁 开发利用 海洋经 济发展 国防建设等具有举足轻重的作用 随着 3S GNSS RS 和 GIS 技术 卫星通讯技术 信息技术 数 据处理技术 地球科学等领域的发展 包括海岛 礁 的海洋测绘逐 步进入以数字式测量为主体 以信息化技术为支撑 以智能化技术为 代表的现代海洋测绘的新阶段 二 国内外发展现状及趋势二 国内外发展现状及趋势 1 海洋测绘基准研究 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 而且包括数据采集的方法和数据处理与分析 建立无缝 海洋测绘基准 实现陆海基准统一 提供不同基准之间的转换和传递 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 我国于 2011 年 8 月发射了首颗测高卫星 HY 2A 已经采集了丰富 的海洋数据 其研究主要集中在 1 HY 2A 卫星精密定轨 集成星 载 GPS DORIS 和 SLR 等技术实现了厘米量级的精密径向轨道 2 对 0 级数据进行处理 获得了高精度的 GDR 数据 构建了我国 HY 2A 测高数据的精确处理系统 3 建立了 HY 2A 校标系统 初步形成了 我国的卫星测高检校技术 4 开展了我国 HY 2A 数据在物理海洋等 领域的应用 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 2013年2月 印度与法国合作发射了SARAL 测高卫星 2 海底探测 由于海底范围广袤 依靠水下摄影 拖网 抓斗取样等方式获得 大面积的海底底质和地层结构分布情况 效率极低 借助声学调查手 段实现海底参数反演和自动分类是目前国际上最为有效的方法 重磁震等地球物理勘探成果的联合反演是解决复杂地质问题所用 的综合地球物理解释方法 是目前可信的定量的综合地球物理解释技 术 自上世纪 80 年代以来 地球物理场联合反演技术已经取得了长 足发展 发展了两两地球物理参数之间互为约束的反演技术及更高精 度的联合反演计算方法 随着重磁三维技术的发展 现已发展到三维 基础上的联合反演综合研究 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 近十多年以来 多波束声纳技术得到迅速发展 设备波束数已达 到上千个 测深精度和成像分辨率逐渐提高 硬件体积逐渐减小 浅 水多波束已推出便携式产品 已逐渐成为大范围海底地形地貌 底质 分类 目标探测广泛采用的声探测设备 3 GNSS 在海岛 礁 测绘中的应用 目前 GNSS 在海岛 礁 测绘方面的应用 主要体现于海岛 礁 区域的大地控制网布设 空间信息采集技术 海底地形信息采集的手 段 大地基准面的精化和深度基准的确定 目前 我国已经利用 GPS 基准站的观测数据建立了 CGCS2000 坐标 系 为海岛 礁 测绘提供了新的参考系统 已经建立了覆盖全国 80 海里以内的近海岛 礁 包括 770 个大地控制点的国家海岛 礁 大地控制网 以及 6400 个主要海岛 礁 精确定位等工作 下一步 GNSS 定位技术在此发挥更重要的作用 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 海岛 礁 测绘研究者先后利用 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 在利用 TDPEX 印 SEIDON 卫星测高数据研究中国海域及太平洋西北部海域海面地形方 面 我国也取得较大进展 4 遥感在海岛 礁 测绘中的应用 我国拥有面积大于 500 平方米的海岛 6500 多个 无人岛多 有人 岛少 近岸岛多 远岸岛少 由此 遥感技术以其优势成为海岛保护 与规划利用的主要技术手段 尤其是高空间分辨率的影像在海岛自然 资源 环境方面的监测 已趋常态化 2013 年 月 20 日国土资源部 20 日公布 2012 年中国国土资源公报 称 中国已建立以航空监测 为主要手段 卫星 无人机 船舶巡航等作为辅助的国家海岛监视监 测体系 完成 4406 个海岛的航空遥感监测 基于 World View2 数据 对海南蜈支洲岛进行光谱分析与信息提 取 利用多时相遥感资料 叠合海图 集成遥感和地理信息技术 实 现海岛礁动态变化检测 例如江苏东沙的动态变化 长江口冲积沙岛 的冲淤变化 江苏西太阳沙长期的稳定性及其演变规律 上海九段沙 的岸线变迁过程及其变化趋势 罗斗沙岛的动态变化等 利用遥感影像也可以实现海岛礁土地利用分类 集成人工智能 地理信息技术和光谱特征 实现高精度的海岛礁土地利用及其变化检 测 如西门岛土地利用分类 镆铘岛土地利用分类 广东省海岛海岸 带土地利用变化及其驱动因子 浙江洞头县海岛岸线及填海造地的土 地类型变化监测等 集成多源遥感数据研究海岛礁生态环境 开展海岛礁灾害评估 中国复旦大学赵斌等人应用三套陆地卫星 LANDSET TM 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 近年来 开始有学者结合遥感及景观生态对海岛生态系统健康进行评价 林明 太等 2010 在 RS 和 GIS 技术支持下 利用 1993 和 2005 年遥感资料 选取景观斑块数 多样性指数 均匀度 优势度 分维数 破碎度等 反映景观空间格局的指数 对福建省旅游型海岛典型代表湄洲岛的 景观格局变化进行了分析 辛红梅等 2012 利用 spot5 卫星影像提 取了山东省长山岛生境类型 分析了海岛景观格局与海岛风险程度的 关系 提出了基于景观格局的海岛自然灾害风险评价方法 国外遥感技术在海岛礁方面的研究主要集中在珊瑚岛群落及其生 态环境方面 Kelly L Lucas 等 2008 利用高光谱遥感数据估测 Horn 岛维管束植物物种丰富度 J Scope litis 等 2009 利用 航空影像及两景快鸟影像分析了珊瑚礁群落圣列伊礁 印度 1973 和 2007 年之间的变化 Mauricio Almeida Noernberg 等 2010 利 用航空影像和激光雷达数字高程模型估算 Sabellaria Alveolata 虫 礁的体积 S Hamylton 等 2012 利用航空和卫星影像对西印度洋 Amirantes群岛 塞舌尔 珊瑚礁地貌和生物栖息地地图信息内容进行 比较 以监测海岛礁栖息地的丰富度 生物多样性等 5 摄影测量在海岛礁测绘中的应用 在利用航空航天摄影测量进行海岛礁地形测绘方面 如何在稀疏 海岛影像中实现高精度的空三加密是一个关键问题 国内许多科研人 员在这方面进行了相关研究 方明等利用 ADS40 线阵数字相机获取的 影像 分析了海岛区域 ADS40 影像的空中三角测量精度 分别采用基 站差分无控制点参与平差计算 基站差分有控制点参与平差计算 精 密单点定位无控制点参与平差计算和精密单点定位有控制点参与平 差计算四种方案进行试验和精度分析 王林建等针对线阵 CCD 航空影 像在海岛 礁 测绘生产中遇到的问题 结合实际作业 重点分析了线 阵影像的海岛 礁 空中三角测量 提出了解决办法 郭海涛等针对海 岸带和海岛礁稀少控制区域摄影测量定位问题 将水边线等高约束条 件应用于区域网平差中 提出了一种海岸带水边线等高条件控制下的 光束法区域网空中三角测量方法 精确确定摄影时影像的空间方位 进而提高海岸带和海岛礁稀少控制区域测图的几何定位精度 目前在航空摄影测量中 数字航摄仪得到了普遍应用 航空摄影 测量仍然是进行大范围海岛 礁 地形图测绘的首选技术手段 杨天 克等利用 ADS40 相机进行航空摄影 对海岛 礁 区域 1 2000 比例尺 成图精度进行了分析 比较了差分 GPS 与精密单点定位技术应用于 ADS40 航摄的精度 试验结果表明 ADS40 相机可满足海岛 礁 大 比例尺成图航摄的精度要求 缩短成图周期 精密单点定位技术的平 面精度与差分 GPS 方法相当 高空间分辨率卫星遥感数据已经成为摄影测量的重要数据源 GeoEye 1 WorldView I II 等高分辨率影像进入世界遥感影像数据 市场 2013 年 国产高分辨率卫星高分一号 GF 1 发射升空 大 大缩小了卫星影像与航空影像之间的空间分辨率的差距 打破了较大 比例尺地形图测绘只能依赖航空摄影的局面 开创了快速 持续 大 范围卫星测图的新时代 高分辨率遥感影像初步被用于海岛礁的地形 测绘方面 目前研究较多的还是利用高分辨率遥感影像来提取高精度 的海岛岸线信息 比如 刘勇等基于 Quickbird SPOT5 Landsat 等 多源遥感影像提取石臼陀岛海岸线 构建了基于像元数的精度评价模 型 刘善伟等基于 Access 构建了海岸线类型数据库和解译标志数据 库 实现了现场照片 解译标志图片 文字等信息的统一存储 并充 分顾及海岸线判绘与提取工作特点进行系统设计 开发了数据库管理 海岸线判绘 海岸线提取和制图表达等 4 个子系统 实现了海岸线的 流程化提取与制图 如何根据高分辨率的卫星影像进行海岛礁地形测绘是另一个研究 的重点 在这方面 王龙强等根据 WorldView 卫星影像的特点 分析 其原始定位精度 并结合海岛测区的地形地貌特点 应用稀少控制卫 星影像航天摄影测量平差方法 合理地进行控制点布设 同时有效控 制外推岛屿的定位精度 对于独立海岛进行无控自由网平差 并量测 一定数量的海岸水位点作为高程点 进行模型臵平作业 通过比对实 测瞬时水涯线 检查 检测其海岸线高程精度 最终保证数字空中三 角测量的成果满足海岛 礁 测图卫星影像成图区的成果精度要求 雷达干涉测量技术 InSAR 雷达立体测量技术等将快速高效地 提供高精度的海岛礁的数字高程模型 海岛岸线 海岛地形等 王志 勇等针对海岛 礁 地形测绘面临的困难 应用雷达干涉测量 InSAR 技术提取了海岛 礁 数字高程模型及海岛岸线 利用厦门地区的 ERS 1 2 串联飞行的雷达数据 进行了相关实验 提取了某海岛的数 字高程模型 提出了一种基于 InSAR 相干图的海岛岸线自动提取方法 该方法主要通过对 InSAR 技术生成的相干图进行自适应阈值分割 边 缘检测等处理 自动获取海岛岸线信息 目前 海岸带航空摄影测量大多是基于载人飞行平台进行航测作 业 无人机航测完善了海岸带地形测绘的手段 目前国内主要的省测 绘局等单位都已经装备了无人机航测系统 下一步无人机航测系统将 在我国的地形测绘 海岛礁测量方面发挥重要作用 王芳等探讨了无 人机技术如何与海洋调查等相关业务相结合 同时对无人机技术在海 洋相关领域中的应用前景进行了探索和展望 6 地理信息系统在海岛 礁 测绘中的应用 海岛 礁 GIS 主要包括 海岛 礁 数据集成与管理 海岛 礁 信息管理和服务平台 海岛 礁 三维可视化等方面 随着国内海岛 礁 测绘工程的开展 获取的海岛 礁 相关数 据不断增多 包括基本覆盖了全国 80 海里以内的近海岛 礁 建立 起了包括 770 个大地控制点的国家海岛 礁 大地控制网 以及 6400 个主要海岛 礁 精确定位 6 万平方千米的数字航空影像 180 万 平方千米中高分辨率卫星影像等 对多源异构海岛 礁 数据进行集 成和管理成为急需解决的问题 相关科研单位开展了针对海岛 礁 测绘数据集成和管理方面的研究工作 国家海洋局信息中心建成国家海洋局共享子系统应用软件系统 此系统是国家海岛 礁 数据系统与基础地理信息服务系统建设工程 的重要组成部分 旨在联合利用各共建单位的资源和基础设施优势 面向政府决策和国防安全建成国家海岛 礁 基础地理信息系统 中 国科学院海洋研究所孔梅等探讨了 ArcEngine 平台和 ArcSDE 数据 引擎的原理 构建了海岛管理信息系统 北京超图公司夏媛等以 SuperMap 软件为平台 在研究海域海岛 GIS 管理系统的功能架构的 基础上 建立了基于 GIS 的海域海岛管理信息系统 海岛 礁 三维可视化方面是海岛 礁 GIS 中研究最多的方向 武汉大学对海岛礁及周边复杂环境动态三维建模进行了研究和探索 对海岛礁及周边包括海浪 潮汐 潮流 温度等在内的复杂环境要素 及其特点进行了分析 以舟山群岛附近海域为例 对海岛礁及周边复 杂环境进行了动态三维建模 并在 Geoglobe 等平台上进行了验证 该模型对海岛礁及周边复杂环境建模有较好的实用性 首都师范大学 刘建伟基于 GIS 技术 集成多种数据源 建立海岛三维模型 周爱华 等介绍了在 ArcSence 中 利用虚拟三维技术与地理信息技术建立三 维海岛的一种方法 深圳亿成安科技有限公司提出 海岛 群岛 无 人岛屿 高清透雾远距离昼夜监控系统 解决方案 7 三维可视化研究状况 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 近年来 随着三维空间技术的快速发展 许多国外科研机构和企 业进行了跨学科 跨领域合作研究和三维技术攻关 在海洋三维可视 化方面提供了良好的技术和平台支撑 Google 公司在 2005 年推出了 Google Earth 三维可视化地球 并于 2009 年在 Google Earth 的基 础上增加了海洋信息内容 推出了 Google Ocean Skyline 公司开发 的三维可视化系列软件也可以为海洋信息三维可视化提供成熟的解 决方案 作为GIS行业的引领软件ArcGIS系列软件 特别是ArcGlobe ArcScene 等软件为海洋三维可视化与海洋多源多维信息的集成表达 提供平台 除了商业软件之外 开源软件已经成为研究海洋三维可视 化的主要趋势之一 核心的原因之一是开源软件使得开发者具有更多 的灵活性和创造性 不再受制于商业软件当前提供的功能 著名的三 维开源软件如 NASA 开发的开源 World Wind 为全球尺度下进行海洋 各种环境信息的预报 展示提供了专业级的解决方案与技术支撑 而 OSG 提供的 VPB osgOcean osgEarth 等模块也为海洋环境的三维可 视化提供了良好支持 当然 开源代码的稳定性 效率以及技术支持 方面都要逊色于商业软件 国内方面 更多地从应用的角度进行了海洋三维可视化的研究和 实践 随着国家 927 工程 908 专项等项目的展开 许多海洋三维可 视化方面的成果呈现出来 数字海洋 信息基础框架构建项目于2007 年全面启动 至 2011 年 12 月全面完成 搭建了覆盖 11 个沿海省 自 治区 直辖市 和国家海洋管理 科研 业务等 18 个节点单位的数 字海洋主干网和远程视频会商系统 完成了数字海洋主中心和 23 个 分中心建设 有效整合了 908 专项获取的海洋数据资料和历史海洋信 息资源 建成了覆盖我国海域数据类型最全面 信息内容最丰富的第 一个大型海洋信息基础平台 除数字海洋三维可视化原型系统外 该 项目还开发 iOcean 中国数字海洋公众版和基于智能手机的数字海洋 移动服务平台 iOcean touch 实现了海洋信息移动式服务 另外 北京国遥新天地推出的 Ev Globe 软件在海面模拟 海洋信息可视化 方面作了一些尝试 三 国内外发展状况比较三 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 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 集成 GNSS 声学 重力 验潮和卫星技术等 统一测绘基准 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 海洋测量基础理论和应用研究方面还有许多规律等我们 去揭示 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