DGPS技術在海域使用現狀調查中的應用研究

湯三欽福建省水產研究所，福建廈門 361013

DGPS技術在海域使用現狀調查中的應用研究

湯三欽
福建省水產研究所，福建廈門 361013

海域使用現狀反映了海域使用的權屬、位置、類型、使用金征繳等基礎信息，對指導制定海域使用規劃和制度，保護與合理開發利用海域資源與環境，強化海洋綜合管理具有重要的現實和歷史意義。本文介紹DGPS技術的原理及發展趨勢，結合福建省908專項詔安灣海域使用現狀調查實施，分析研究了DGPS技術在海域使用現狀測量定位實施中的方法與步驟，總結歸納了其在海上測量定位的方式方法及應注意的問題，提出DGPS技術在今后海域使用管理中的應用前景。

海域使用現狀；DGPS；海上定位

1 DGPS技術的原理及發展趨勢

海洋測繪是研究海洋定位，測定海洋大地水準面和平均面、海底和海面地形、海洋重力、磁力、海洋環境等自然和社會信息的地理分布及編制各種海圖的理論和技術。隨著測繪科學與測繪新技術的發展，海洋測繪的技術水平也得到迅速的提高，進入了以數字式測量為主體、以計算機技術為支撐、以3S技術為代表的現代海洋測繪新階段。GPS具有全球覆蓋、全天候、實時、高精度提供定位服務的特點，極大地提高了海洋測量中各種測量載體和遙測設備的定位精度和工作效率，特別是適用于不同范圍的單基準站常規差分GPS（DGPS）站、多基準站的無線電差分GPS（RBN/DGPS）網以及廣域差分GPS（WAFGPS）網的建立，將使在江河湖海中航行或進行水域測量的任何船只都能實時獲得米級甚至亞米級的定位精度。GPS RTK技術的應用更是為濱海斷面測量、灘涂測量和水下地形測量提供了極為有效的定位方法和厘米級的精度。

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，是美國建立的一個衛星導航定位系統，利用該系統，用戶可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速；另外利用該系統，用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。隨著GSP技術的逐步發展和完善，GPS在測量領域中的應用從最初的靜態觀測模式，逐步拓展到GPS的實時差分模式（Real-time kine-matic Global Position System，簡稱DGPS），實現了實時、快速獲取點位坐標。由于DGPS系統具有高精度、高效率、全天候、成本低和高度靈活性等優勢，正發展成為一種常規的測量手段，成為海洋測繪的主要測量生產技術。根據DGPS系統基準站傳送差分信息的內容和方式的不同，可分為坐標差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、準載波相位差分和載波相位差分等五類。

偽距差分DGPS定位法是目前應用最廣的一種差分定位法。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機。用戶DGPS接收機則利用該改正數改正由于SA政策、星歷誤差及其電離層折射等誤差所造成的影響。偽距改正數、偽距變化率改正數以及基準站的DGPS有關參數信息構成RTCM（無線電技術海事服務委員會）格式，通過無線電通訊（數據通訊）方式發送并被DGPS用戶所接收。DGPS用戶則利用該改正數修正誤差以提高定位精度，這種差分，能得到亞米級定位精度。偽距差分又可分為自設基準站的短距離無線電SR-DGPS（Short Rang DGPS）、沿海無線電指向標站RBN-DGPS（Radio Beacon Navi-gation DGPS）、廣域差分WADGPS（WideArea DGPS）系統等[1]。

圖1 偽距差分DGPS技術原理圖

偽距差分的優點：一是偽距改正數是直接在WGS-84坐標系上進行，無須坐標轉換，就能達到很高的精度。二是改正數能提供偽距改正值及偽距變率，使得在未得到改正數的空隙內，繼續進行精度定位，達到了RTCM- 0104 所制定的標準。三是能提供所有衛星的改正數，用戶可允許接收任意4顆衛星進行改正，不必擔心所要求兩者衛星完全相同（見圖1）。其缺點是隨著用戶到信標臺站距離的增加而出現系統誤差，即用戶和信標臺站的距離對精度具有決定性影響。

2 DGPS技術在海域使用現狀調查中的應用

福建省908專項海域使用現狀調查是福建省908專項四大調查之一，旨在查清福建省海域使用現狀，掌握海域使用權屬、位置、類型、使用金征繳等基礎信息，建立完整的海籍臺帳體系，為有關部門提供完整的福建省海域使用現狀基礎信息。DGPS技術廣泛應用于908專項海域使用現狀調查項目用海界址的測量定位，是其海上定位不可缺少的手段。

908 專項海域使用現狀調查的測量采用解析法，即根據實測數據解算出界址點的點位坐標和用海面積。一般采用GPS定位法、交會法和測距儀、經緯儀或全站儀極坐標定位法進行施測；標稱準確度要求達到亞米級。由于GPS的特點和優勢，在908專項實施過程主要采用偽距差分GPS定位法（簡稱DGPS）或載波相位差分定位法（簡稱RTK）。在精度滿足《海域使用現狀調查技術規程》[2]要求的條件下，因DGPS操作較RTK簡單、方便，DGPS應用較為廣泛，而RTK只有在精度要求較高，或海域使用權屬存在爭議的情況下測量才應用。海域使用現狀調查的內容主要為宗海的位置、界址、權屬、面積、用途、用海年限等基本情況、海域使用與海洋功能區劃的一致性以及海域使用金征收情況等。除了按測量規范規定方法執行外，海域使用宗海的位置、界址和面積的確定還需根據不同用海類型、用海方式界定。海域使用現狀調查定位測量作業系統主要由DGPS、計算機及相關軟件等組成，該測量作業分四步進行，現結合福建省908專項詔安灣海域使用現狀調查的實施，對DGPS技術在海上測量定位中的應用做分析與研究。

2.1 測前的準備

2.1.1 資料準備

調查測量前，主要搜集調查海域相關的基礎資料，包括：已有的大比例尺地形圖、海圖及最近2年內分辨率不低于1m或2.5m的衛星影像資料；經過初審的海域使用申報材料；現有的海域使用海籍資料；當地海洋功能區劃和海域使用規劃；測繪控制點資料等相關資料。搜集資料應盡量齊全、有效，特別要注意搜集能反映用海項目位置、邊界的坐標文件或文字說明。通過資料搜集與準備，從而制定測量總體方案，確定測量對象、范圍、方位等。

2.1.2 儀器準備

為保證調查數據的準確性和可靠性，DGPS等測量儀器應具有有效的《制造計量器具許可證》，設備的檢定校準證書應在有效期內。在調查航次出發前，應將擬用儀器同測繪控制點或標準儀器進行航次比對，計算比對結果和精度，填寫比對登記表。比對結果不符合精度要求的儀器，不允許攜帶到現場開展外業調查。

開展詔安灣調查的儀器主要是美國Trimble系列的Geo XT DGPS，均具有有效的《制造計量器具許可證》，檢定校準證書在有效期內。該儀器在實時差分情況下均能到達亞米級，滿足“所測海域離岸20km以內，測量誤差優于±1m”的測量要求。Geo XT DGPS機型為較新機型，體積較小，使用及攜帶均較為方便，整合了SBAS和EVEREST多路徑技術，在需要與Beacon連接達到亞米級要求時，可采用無線藍牙技術，省去電纜線的不便。該機的測量軟件Terrastync為固化在手持機中，出現意外重置后不必重新安裝外業測量軟件。

2.1.3 人員準備

海域使用調查工作環節多，情況復雜，因此要求各類人員配備齊全且分工明確。在908海域使用現狀調查過程中，每個調查小組每個一般由4個人組成，具體包括有：指界1人、測量1人、填表及記錄1人、司機1人。調查測量人員必須持證上崗，掌握測繪和海域使用調查相關知識。一般情況下測量單位對當地海域情況了解不全面，需要當地海洋行政主管部門和熟悉當地海況的群眾配合完成。

2.1.4 其它準備

海上測量定位受海洋潮汐的影響十分明顯，故應根據測量實施方案做好出海前的后勤保障、安全防衛等準備工作，如測量船只租用、了解當地海洋天氣預報、掌握海灣的潮汐規律等工作。特別強調的是，如果進行灘涂或底播養殖用海測量，應事先做好用海拐點處的插桿工作，等漲潮海水環境允許情況下乘船測量。

2.2 現場調查測量

2.2.1 宗海平面和垂向界址界定原則

在應用DGPS進行實地測量時，應根據本宗海使用現狀資料、最終設計方案、相鄰宗海的權屬與界址資料以及所在海域的基礎地理信息，按照有關規定，確定宗海界址界定的事實依據。對于界線模糊且不能提供確切設計方案的開放式用海，按相關設計標準的要求確定其界址的界定依據。同時，按照海域使用分類相關規定，確定本宗海的海域使用一級和二級類型，判定宗海內部存在的用海方式。

對于一般性平面用海，應綜合宗海內部各單元所占的范圍，以全部用海的最外圍界線確定宗海的平面界址；底播養殖等用海，應根據項目用海占用水面、水體、海床和底土的實際情況，界定宗海的垂向使用范圍。

2.2.2 中央子午線和坐標系的選擇

在掌上電腦中新建文件時，要注意中央子午線的選擇設置，應根據詔安灣地理位置選擇當地適合的117度中央子午線。DGPS直接測量的坐標屬于WGS-84世界大地坐標系，符合《海域使用現狀調查技術規程》[2]的要求。但目前海洋功能區劃、一些工程用海普遍采用1954北京坐標系或1980西安坐標系，因此在數據處理與成果繪制的時候存在不同坐標系轉換的問題。

2.2.3 海岸線的界定與測量

多數情況下宗?？赡軙加靡欢ǖ暮０毒€，因此在現場測量中要對宗海使用的海岸線進行界定。2006年5月26日福建省人大通過的<<福建省海域使用管理條例>>規定：“海岸線是指平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線”。2008年福建省在大規模修測的基礎上，重新確定了海岸線及其長度。但是海岸線的特征多樣、性質復雜，加之受比例尺大小、測量儀器準確性、測量方法和環境的影響，福建省公布的海岸線與實際使用的海岸線有所差異。因此在海域使用現狀調查需要進行實地的海岸線修測，并將修測的結果與詔安灣原有的岸線進行比對與修正。

2.2.4 界址線和界址點的認定

界址線原則上必須由本宗?；蚝Ｓ蚴褂萌思跋噜徸诤；蚝Ｓ蚴褂萌说浆F場共同指界。法人代表或戶主不能親自出席指界的，可以委托代理人指界，并出具本人和代理人的身份證明及委托書；某宗由兩個以上海域使用者共同使用的海，應共同委托代表指界，并出具委托書及身份證明；經雙方認定的界址，必須由雙方指界人在海籍普查表上簽字蓋章；宗海有兩個以上海域使用者時，要查清各自使用部分和共同使用部分的界線；所有界址要按規定在宗海草圖上標明，界址點應按海籍圖圖幅統一編號[2]。

2.2.5 界址點的測量

界址點測量是指對宗?；蚝Ｓ蚴褂梦恢?、界線和面積等進行的勘測工作；是在海域使用權人現場指界的基礎上，依據海域使用類型界址線界定標準，準確界定用海項目實際界址（走向、拐點位置等）的前提下，采用DGPS定位的方法進行界址點測量，并現場將界址點和界址線準確標繪到調查底圖上，進行海域使用權人、圖斑編號等有關內容的注記。

界址測量的具體實施應按《海域使用面積測量規范》（HY070-2003）[3]執行；測量結果應在現場記錄于海域使用界址點測量記錄表上。

2.3 測量數據處理與面積計算

2.3.1 測量數據處理

按有關規范、技術設計及時對測量數據資料進行全面檢查、審核。分析界址點數據質量是否符合要求；分析拐點數、測量船航跡是否與布設方案一致，其偏離程序是否在允許范圍之內。檢驗原始數據，剔除粗大誤差；數據編輯、合成和分解；形成拐點數據文件，由軟件自動連接成界址鏈。未按施測方案進行測量，造成缺測、漏測；或觀測數據不符合有關規定的，應及時補測或重測。對需補測或重測的點或段，應分析具體原因，避免重蹈覆轍。

2.3.2 不同坐標的轉換

由于現場實測數據與海洋行政主管部門提供的海籍資料、衛星遙感數據及其它資料存在不同的坐標系統，在數據處理中經常要進行坐標轉換，包括坐標系轉換和基準轉換。所謂坐標系轉換就是在相同參考基準下不同的坐標表達形式之間的轉換，基準轉換是指在不同的參考基準（包括參考橢球的參數橢球在空間的定位定向等）之間的轉換。

在海域使用測量實務中，相同參考基準的坐標系轉換常用COORD等軟件進行。在相同的橢球基準下，大地坐標與平面直角坐標的轉換采用投影變換的方法。我國通常采用高斯投影，同時必須指定中央子午線進行展開。不同的參考橢球參數和不同的定位定向方法構成不同的參考坐標系，不同基準下的坐標轉換方法很多，最常見的模型是布爾沙模型，常用的七參數和三參數法轉換法。

2.3.3 海域使用面積計算

對于近岸的某宗用海，通過DGPS測量獲得以m為單位的每一個界址點的x，y坐標，則用坐標解析法計算宗海面積，對于有n點界址點的一宗海，面積計算公式為：

式中：

S為宗海面積（m2）；

xi，yi為第i個界址點坐標（m）。

解析法計算面積必須獨立兩次計算進行檢核。采用計算機輔助成圖時，可直接用軟件中的面積與長度量算功能計算面積與岸線長度，填寫面積與長度量算成果表。[2]

根據數據信息統計，應用此方法進行計算，結果表明：詔安灣已利用海域733宗、面積9 668.65hm2，占詔安灣海域總面積211.28km2[4]的45.76%。其一級用海類型有漁業用海、交通運輸用海、工礦用海、特殊用海與其他用海等5種。其中，漁業用海680宗、面積7 537.05hm2，占已利用海域面積的77.95%；工礦用海39宗、面積2 044.95hm2，占21.15%；交通運輸用海、特殊用海和其他用海規模很小，所占比例很少（表1）。

表1 詔安灣各種用海類型海域使用面積表

2.4 成果繪制

2.4.1 地理底圖

詔安灣海域使用現狀調查的工作底圖以最新地形圖或海圖，結合漳州市最新修訂的大比例尺海洋功能區劃圖進行經技術處理，其中海岸線采用908專項最新修測的大陸和海島海岸線。

2.4.2 比例尺及分幅

詔安灣海域使用現狀調查圖的比例尺1：25000，圖幅采用自由分幅。

2.4.3 圖式圖例

圖式圖例依據《海域使用現狀調查技術規程》和《我國近海海洋綜合調查要素分類代碼和圖例圖式標準》執行，符號庫采用國家海洋信息中心統一編制ARCMAP制圖符圖符號庫插件。

2.4.4 成果圖件格式

采用計算機制圖，在ARCGIS9.3平臺運行與制作，數據格式采用ArcGIS shapfile格式。

2.4.5 坐標系與高程基準

坐標系采用WGS84，高程基準采用85國家高程基準，投影采用高斯-克呂格投影，深度基準采用理論深度基準面。

2.4.6 繪制海域使用現狀圖

在經歷測前的準備、現場調查測量、測量數據處理與面積計算的基礎上，根據以上的要求，在計算機輔助制圖平臺下繪制出福建省詔安灣海域使用現狀圖（圖2）。

圖2 福建省詔安灣海域使用現狀圖

3 應用總結

1 ）海上測量與陸域測量不同，海上測量更多地受當時環境的影響，例如受潮、汐、風、浪、船只橫搖擺角度等影響。在進行海上測量時，海上風力一般不大于5級風，海浪一般不大于中浪，測量船只的橫搖擺角度應小于10°。在海上測量之前，應特別關注施測海域的潮汐規律和海洋天氣預報，以保證測量人員和儀器的安全，提高界址定位的準確度，保障整個測量方案的順利進行；

2 ）現場界址點的測量和界定，應先根據已審批的宗海圖、搜集的海籍資料、遙感影像圖及實際情況制定測量方案與計劃，然后進行實地考察和測量定位。對于無法直接測量獲得的界址點坐標，應注意標注，并進行外業估測和內業推算，在海域使用現狀測量中標志點是很重要的；

3 ）各地海域使用情況復雜，存在界址不清、權屬不明、互相插花的海域。因此對于重點海域應采用資料搜集與現場調查相結合、大面與重點區域相結合、地面調查與遙感調查相結合的方法，本著“尊重歷史，注重現實” 和“復雜問題簡單化、簡單問題細致化”的原則進行界定。同時，可利用高分辨率的遙感影像，經過嚴格的幾何校正到與DGPS測量結果相同的坐標系，將實際測量成果與遙感影像進行校核，對海域使用現狀進行完善，提高工作效率，避免漏測與重測；

4 ）已確權并進行核查的用海項目的底圖應以已審批的宗海圖作為工作底圖，實際測量采用的坐標系及采用的已知點坐標系需與宗海圖一致，若不一至，應通過坐標轉換將實際測量資料與宗海圖坐標系統一，以便于對測量結果的判定。測量結果重點應核實項目用海界址是否變動以及是否按批準用海范圍建設，并將實際用海與批準用海界址和面積比較分析；

5 ）進行測量時，DGPS開機后應檢查有關指示燈與儀表顯示，正常后方可進行自測試并輸入各種控制信息，接收機開始記錄數據后，測量人員可使用專用功能鍵和選擇菜單，查看測區信息、接收衛星數、各通道信噪比。接收天線應加設在測量船只的靠宗海一側，若接收機收到的信號不佳，調整天線高度和方位，直至接收信號良好。測量期間測量人員應細心操作，防止接收設備震動和移位；工作人員或其他物體不得碰動天線或阻擋信號。當所規定的作業項目全部完成，記錄資料完整、無誤，并符合技術設計有關內容要求時，方可結束作業。

4 結論

通過開展海域使用現狀調查，掌握海域使用權屬、位置、類型、使用金征繳等基礎信息，建立完整的海籍臺帳體系，對指導制定海域使用規劃和制度，保護與合理開發利用海域資源，強化海洋綜合管理具有重要的意義。海域使用是一種動態變化的行為，時效性強，精度要求高，要準確及時滿足海洋管理及科研者對海域使用現狀數據資料的各種需求，必須進行海域使用現狀數據的更新換代。因此，建議相關部門開展類似于人口普查的常年抽查、每十年一次全面普查的海域使用現狀調查工作機制，充分應用DGPS技術手段，建立健全海域使用動態監視監測管理系統。

[1]韋友源.信標差分RBN DGPS 技術在海洋測繪中的應用[J].沿海企業與科技，2009(9)：44-46.

[2]國家海洋局908專項辦公室.海域使用現狀調查技術規程[M].北京：海洋出版社，2005：1-10.

[3]國家海洋局.海域使用測量規范(HY070-2003)[M].北京：中國標準出版社，2003：78-115.

[4]楊順良等.福建省海灣圍填海規劃環境影響預測性評價[M].北京：科學出版社，2008：14.

Application of DGPS Technology in the Investigation of Seas Utilization

TANG San-qin
Fisheries Research Institute of Fujian Province， Xiamen 361013，China

seas utilization reflects the information of the seas， such as the ownership， the location， the used type and the collection of fee，etc.， which has important practical and historical significance to guide the development of seas utilization planning and systems， protection and exploitation of sea resources rationally and strengthen comprehensive marine management. This article describes the basic principles and trend of DGPS technology. Combining with the Special Program 908 investigation of seas utilization in Zhaoan Bay of Fujian Province， it analyzes the application model of DGPS with measurement and position in seas utilization briefly， and then conclude the problems and means which should be paid attention to in its position and measurement on sea.At last， this article outlooks the application of DGPS in management of seas utilization.

Seas utilization; DGPS; Position on sea

P229

A

1674-6708（2012）59-0154-04

福建省908專項海域使用現狀調查（FJ908-01-04）

湯三欽，測繪工程師，主要從事海洋測繪、海域使用論證、海域環境與資源調查等研究工作