淺談現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)與海洋研究
2014-03-11 19:45:45 來源: 百度文庫 作者：
淺談現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)與海洋研究
摘要：
人類對(duì)于海洋研究的歷史由來已久，但在18世紀(jì)之前的幾千年中收獲頗微。直到18世紀(jì)，隨著現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)等的發(fā)展并致力于海洋研究，才開啟了這一領(lǐng)域的新紀(jì)元。尤其是鑒于海域?qū)拸V，變化復(fù)雜頻繁，且相對(duì)于陸地?zé)o法或很難采用傳統(tǒng)測(cè)繪研究手段等原因，以3S技術(shù)為代表的現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)發(fā)揮了巨大作用，并有著更為長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：
現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù), 海洋研究, 海洋衛(wèi)星, 海洋測(cè)繪
Abstract:
There has been such a long time that human bagan marine research but got poor achievement till 1700s. Until the 18th century, with the development of science and commitment to modern surveying and mapping technology, the marine research came in a new era. Especially the 3S technology, which solves the preblom that waters wide, complex and frequently changing, and relative to land surveying and mapping can not or difficult to study using traditional methods and other reasons, played a big role, and has a more long-term development prospects.
Keywords:
scienvce and commitment to modern survying and mapping technology, marine reseach, sea sat, marine charting
一、引言
海洋覆蓋著地球表面積的71%，容納了全球97%的水量，為人類提供了豐富的資源和廣闊的活動(dòng)空間。隨著人口的增加和陸地非再生資源的大量消耗，開發(fā)利用海洋對(duì)人類與發(fā)展的意義日顯重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界海洋經(jīng)濟(jì)年總產(chǎn)值到1985年為3500億美元，如今已突破1萬億美元。隨著地球上化石燃料的瀕臨枯竭，尋找新的能源代替品成了關(guān)乎人類生存的迫切話題，而人們的目光則紛紛投向了廣袤的海洋。向海洋要空間，要資源已經(jīng)成了解決人類未來生存與發(fā)展問題的共識(shí)。然而與此同時(shí)，關(guān)乎人類明天的另一個(gè)問題——環(huán)境卻又在制約這人們對(duì)海洋無節(jié)制，不科學(xué)的開發(fā)利用。海洋對(duì)全球自然環(huán)境和自然災(zāi)害的發(fā)生起著舉足輕重的影響，而人類活動(dòng)又反作用于環(huán)境，倘若破壞了自然界的平衡，那么最后吃苦果的將不光是人類自己。
由此可見，海洋對(duì)人類非常重要，所以，國內(nèi)外多年來投入了大量的人力和物力，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以求全面而深入地認(rèn)識(shí)和了解海洋，指導(dǎo)人們科學(xué)合理地開發(fā)海洋，改善環(huán)境質(zhì)量，減少損失。然而，常規(guī)的海洋觀測(cè)手段時(shí)空尺度有局限性，因此不可能全面、深刻地認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，也不可能掌握洋盆尺度或全球大洋尺度的過程和變化規(guī)律。因此，利用現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)，尤其是3S技術(shù)研究海洋成為了關(guān)乎人類生存與發(fā)展的重大課題，也是時(shí)代進(jìn)程的必然產(chǎn)物。
二、海洋研究的歷史
人類研究海洋的歷史非常悠久，從海洋科學(xué)發(fā)展的歷程看，可以劃分為三個(gè)歷史時(shí)期。
從史前到18世紀(jì)末尾海洋學(xué)建立以前的時(shí)期，是海洋知識(shí)逐步獲取和積累的時(shí)期。這一時(shí)期經(jīng)歷了漫長的歲月，在其早期，中國和希臘的學(xué)者做出了一定貢獻(xiàn)；隨著十五世紀(jì)歐洲資本主義的產(chǎn)生和發(fā)展，刺激了海洋航海探險(xiǎn)活動(dòng)，在其后期的海洋探險(xiǎn)中，科學(xué)考察的成分逐漸增多。但直到英國的庫克四次塊余額大洋進(jìn)行海洋地理考察，在海上精確地測(cè)量經(jīng)緯度，取得了大量表層水溫，海流，大洋測(cè)深及珊瑚礁等科學(xué)考察資料后，才真正來開了海洋科學(xué)考察的序幕。
海洋學(xué)建立和發(fā)展時(shí)期（19~20世紀(jì)50年代），這個(gè)時(shí)期，世界性的海洋考察活動(dòng)日益增多，海洋學(xué)領(lǐng)域的研究在深度和廣度上都獲得了較大的發(fā)展，并獨(dú)立發(fā)展成為一門學(xué)科。這個(gè)時(shí)期可以分為兩個(gè)大的發(fā)展階段：“挑戰(zhàn)者”號(hào)階段和“流星”號(hào)階段。“挑戰(zhàn)者”號(hào)航行時(shí)間三年半，里程12萬多公里，在太平洋，大西洋，印度洋和南極還數(shù)百個(gè)站位進(jìn)行了測(cè)深，測(cè)溫，采水，取樣，拖網(wǎng)等，采集到大量海洋生物標(biāo)本，地質(zhì)標(biāo)本，海水樣品以及海洋測(cè)量數(shù)據(jù)，開創(chuàng)了海洋綜合調(diào)查的時(shí)代。1925~1927年，“流星“號(hào)考察船對(duì)南大西洋進(jìn)行了歷時(shí)兩年零三個(gè)月的調(diào)查，首次應(yīng)用電子回聲測(cè)深儀獲得了七萬個(gè)以上的海洋深度數(shù)據(jù)，首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的輪廓，揭示了海洋環(huán)流和大洋熱量、水量平衡的基本概況，也開啟了海洋測(cè)繪的歷史。【1】
現(xiàn)代海洋科學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)50年代以來），海洋調(diào)查研究工作進(jìn)入了一個(gè)全新的歷史時(shí)期。大量先進(jìn)的技術(shù)推動(dòng)了海洋研究的大力發(fā)展。其中，在60年代初，開始利用氣象衛(wèi)星開始從太空檢測(cè)海洋；1978年美國發(fā)射專用海洋衛(wèi)星，從空中對(duì)海洋資料的系統(tǒng)收集，遙感技術(shù)開始對(duì)海洋研究起到巨大的推動(dòng)作用。至如今，現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)已經(jīng)深入到海洋研究的多個(gè)領(lǐng)域，成為了最基礎(chǔ)最不可或缺的一部分，為海洋研究以及其背后更為廣泛的科學(xué)、生產(chǎn)提供了巨大幫助。
三、海洋衛(wèi)星
所謂海洋衛(wèi)星就是專門為觀測(cè)海洋、研究海洋，以及海洋環(huán)境調(diào)查和資源開發(fā)利用而設(shè)計(jì)發(fā)射的一種人造地球衛(wèi)星。
海洋衛(wèi)星有如下特點(diǎn)：（1） 海洋環(huán)境要素探測(cè)要求大面積、連續(xù)、同步或準(zhǔn)同步探測(cè)；（2） 海洋衛(wèi)星可見光傳感器要求波段多而窄，靈敏度和信噪比高（高出陸地衛(wèi)星一個(gè)數(shù)量級(jí)）；（3） 為與海洋環(huán)境要素變化周期相匹配，海洋衛(wèi)星的地面覆蓋周期要求2~3天，空間分辨率為250~1000m；（4） 由于水體的輻射強(qiáng)度微弱，而要使輻射強(qiáng)度均勻，具有可對(duì)比性，則要求水色衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)（發(fā)射窗口）選擇在正午前后；（5） 某些海洋要素的測(cè)量，例如海面粗糙的測(cè)量、海面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，除海洋衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)外，尚無其他辦法。
以下為一些主要的海洋衛(wèi)星：
1978年6月28日美國發(fā)射了世界第一科海洋衛(wèi)星Seasat 1，為觀察海況，研究海面形態(tài)、海面溫度、風(fēng)場(chǎng)、冰海、大氣含水量等開辟了新途徑。
2002年5月15日9時(shí)50分，海洋一號(hào)A衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，海洋一號(hào)A衛(wèi)星是我國的第一顆海洋衛(wèi)星。衛(wèi)星重368千克，運(yùn)行在高798千米的太陽同步近圓軌道，設(shè)計(jì)壽命2年，配置了十通道海洋水色掃描儀和四通道CCD成像儀，獲取1100米和250米多譜段成像數(shù)據(jù)。用于觀測(cè)海水光學(xué)特征、葉綠素濃度、海表溫度、懸浮泥沙含量、可溶有機(jī)物和海洋污染物質(zhì)，并兼顧觀測(cè)海水、淺海地形、海流特征和海面上大氣氣溶膠等要素，掌握海洋初級(jí)生產(chǎn)力分布、海洋漁業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)資源狀況和環(huán)境質(zhì)量，了解重點(diǎn)河口港灣的懸浮泥沙分布規(guī)律，為海洋生物資源合理開發(fā)利用、沿岸海洋工程、河口港灣治理、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)和執(zhí)法管理等提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
日本海洋觀測(cè)衛(wèi)星MOS-1號(hào)，于1978年2月在日本種子島用N一n火箭發(fā)射，重70公斤。該衛(wèi)星采用太陽同步準(zhǔn)回歸軌道,這是一種特殊的圓形軌道,距地面約900公里。設(shè)計(jì)壽命2年，攜帶三種傳感器,其中兩種是光學(xué)傳感器,即可見光與近紅外輻射計(jì)(MESsR)和可見光與熱紅外輻射。其目的是獲取大陸架淺海的海洋數(shù)據(jù)，為生物資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)提供海洋學(xué)方面的資料。
ERS-1 ERS-2 歐空局分別于1991年和1995年發(fā)射。攜帶有多種有效載荷，包括側(cè)視合成孔徑雷達(dá)（SAR）和風(fēng)向散射計(jì)等裝置）。采用全天候測(cè)量和成像的微波技術(shù)，提供全球重復(fù)性觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)領(lǐng)域包括海況、洋面風(fēng)、海洋循環(huán)及海洋、冰層等。衛(wèi)星參數(shù)：橢圓形太陽同步軌道；軌道高度：780公里；半長軸：7153.135公里；軌道傾角：98.52°；飛行周期：100.465分鐘；每天運(yùn)行軌道數(shù)：14 -1/3；降交點(diǎn)的當(dāng)?shù)靥枙r(shí)：10：30；空間分辨率：方位方向<30米；距離方向<26.3米；幅寬：100公里。
RADARSAT衛(wèi)星是加拿大于95年11月4日發(fā)射的，它具有7種模式、25種波束，不同入射角，因而具有多種分辨率、不同幅寬和多種信息特征。適用于全球環(huán)境和土地利用、自然資源監(jiān)測(cè)等。衛(wèi)星參數(shù)：太陽同步軌道（晨昏）；軌道高度：796公里；傾角：98.6°；運(yùn)行周期：100.7分鐘；重復(fù)周期：24天；每天軌道數(shù)：14；衛(wèi)星過境的當(dāng)?shù)貢r(shí)間約為早6點(diǎn)晚6點(diǎn)；重量：2750kg。
Nimbus-7（“雨云”7號(hào)衛(wèi)星），于1978年10月24日發(fā)射，為太陽同步極地軌道。雖為氣象衛(wèi)星，但在監(jiān)測(cè)大氣的同時(shí)帶有專測(cè)海洋信息的傳感器。攜帶有掃描多通道微波輻射儀、平流層和中層探測(cè)器、平流層臨邊紅外探測(cè)器、臭氧總含量探測(cè)儀、地球輻射平衡探測(cè)儀、海岸帶彩色掃描儀、平流層大氣微粒測(cè)量儀、溫濕紅外輻射儀。
四、遙感技術(shù)與海洋研究
海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)，是基于遙感技術(shù)對(duì)海洋進(jìn)行觀測(cè)研究。以其常規(guī)海洋調(diào)查手段所沒有的優(yōu)越性，從海洋狀態(tài)波譜分析到海洋現(xiàn)象判讀等一整套完整的理論與方法，在海洋研究中起著巨大的作用，也是現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)在海洋研究方面做出貢獻(xiàn)的體現(xiàn)。
目前常用的海洋衛(wèi)星遙感儀器主要有雷達(dá)散射計(jì)，星載雷達(dá)高度計(jì)，合成孔徑側(cè)視雷達(dá)(SAR)，微波輻射計(jì)及可見光/紅外輻射計(jì)、海洋水色掃描儀等。【2】
雷達(dá)散射計(jì)是一種主動(dòng)式斜視觀測(cè)微波的裝置，可以演算出海面風(fēng)速，風(fēng)向，風(fēng)應(yīng)力以及海面波浪場(chǎng)，用于研究海洋工程和預(yù)報(bào)海浪、風(fēng)暴。
星載雷達(dá)高度計(jì)也是一種主動(dòng)式微波傳感器，可用于測(cè)量大地水準(zhǔn)面、海冰、潮汐、水深、海面風(fēng)強(qiáng)度和有效波高、厄爾尼諾現(xiàn)象和海洋大中尺度環(huán)流。對(duì)地質(zhì)深測(cè)和海洋測(cè)繪，全球海平面和氣候變化研究，大洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等有著重大意義。
合成孔徑側(cè)視雷達(dá)（SAR），可以用于研究波浪譜及海表面波，影響國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事應(yīng)用；可以提取到海冰相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)海洋中較大面積的石油污染，還可進(jìn)行淺海水深和水下地形測(cè)繪，對(duì)環(huán)境監(jiān)控，海洋勘探開發(fā)，海上交通運(yùn)輸與軍事活動(dòng)等具有重大意義。
微波輻射計(jì)是被動(dòng)微波傳感器，根據(jù)海面發(fā)射的熱輻射溫度來遙感海面的溫度，而海面溫度則是海洋學(xué)研究必測(cè)的最基本參數(shù)之一，劃分水團(tuán)，分析海洋峰和流系，海水凝絮，沉積，熱污染等無一不和海面溫度息息相關(guān)。
可見光/近紅外波段中的多光譜掃描儀和海岸帶水色掃描儀均為被動(dòng)式傳感器，能測(cè)量海水水色，懸浮泥沙，水質(zhì)等，在海洋漁業(yè)，海洋污染檢測(cè)，海岸帶開發(fā)，全球尺度海洋科學(xué)研究等方面發(fā)揮重要作用。
五、GPS技術(shù)在海洋測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用
海洋測(cè)繪，測(cè)量海洋底部的地球物理場(chǎng)的性質(zhì)及其變化特征，繪制成不同比例尺的海圖和專題海圖。海洋測(cè)繪大致可分3個(gè)階段：①20世紀(jì)30～50年代中期，開始對(duì)海洋進(jìn)行地球物理測(cè)量，包括海洋地震測(cè)量、海洋重力測(cè)量等。這階段利用回聲探測(cè)數(shù)據(jù)繪制海底地形圖，揭示了海洋底部的地形地貌；利用雙折射地震法獲取大洋地殼的各種地球物理性質(zhì)，證明大洋地殼與大陸地殼有顯著的差異。②1957～1970年，實(shí)施了國際地球物理年（1957～1958）、國際印度洋考察（1959～1965）、上地幔計(jì)劃（1962～1970）等國際科學(xué)考察活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了大洋中條帶磁異常，為海底擴(kuò)張說提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，揭示了大洋地殼向大陸地殼下面俯沖的現(xiàn)象，觀測(cè)了島弧海溝系地震震源機(jī)制。③70年代以后，廣泛應(yīng)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于海洋測(cè)繪中。【3】
海洋測(cè)繪主要包括海上定位、海洋大地測(cè)量和水下地形測(cè)量。在海上定位和水下地形測(cè)量中都有GPS技術(shù)的應(yīng)用。船在航行時(shí)，通常將GPS接收機(jī)與船上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來以獲得較高的海上定位精度。如在GPS偽距法定位的同時(shí)，用船上的計(jì)程儀（或多普勒聲納），陀螺儀的觀測(cè)值聯(lián)合推求船位。對(duì)于近海海域，還可在岸上設(shè)立基準(zhǔn)站采用差分技術(shù)或動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行高精度海上定位。而在船上安裝差分GPS接收機(jī)和測(cè)深儀，按預(yù)定航線利用差分GPS導(dǎo)航和定位，測(cè)深儀按一定距離或一定時(shí)間按照事先設(shè)定自動(dòng)向海底發(fā)射超聲波并接受海底的反射波，同時(shí)記錄GPS的定位結(jié)果和測(cè)深數(shù)據(jù)。之后，就可以利用這些數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)，繪圖儀等組成系統(tǒng)測(cè)繪水深圖和水下地形圖等。【4】【5】
現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)在海洋研究方面的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，而因其自身的優(yōu)越性以及海洋研究的需要及發(fā)展趨勢(shì)，其在這一領(lǐng)域發(fā)揮的作用也必將與日俱增。
參考文獻(xiàn)
【1】 世界海洋研究史 百度文庫
【2】 攝影測(cè)量與遙感概論 李德仁 王樹根 周月琴 著 測(cè)繪出版社
【3】 海洋測(cè)繪 百度百科
【4】 淺析GPS測(cè)量的誤差及應(yīng)對(duì)措施 朱道璋 江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院
【5】 GPS RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用 謝榮安 廣東省地質(zhì)測(cè)繪院
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