海島礁測繪的主要技術及方法

黃文騫

(海軍大連艦艇學院 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，既不同于傳統的陸地測繪，也有別于傳統的海洋測繪，其主要技術與方法不僅是兩者的有機統一，還有許多新的內涵和特點。近年來，隨著國家不斷加強維護海洋權益，積極拓展海洋資源開發利用，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，也是進行海島礁管理和經濟開發的重要基礎。因此，海島礁測繪正受到越來越多的重視，其主要內容包括：建立海島礁測繪基準，利用航空航天技術進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，生產海島礁矢量地形數據、數字高程模型、數字正射影像圖，編制海島礁地圖，實現海島礁地理環境動態表達與三維可視化等。

二、海島礁測繪基準

海島礁測繪基準包括大地基準、垂直基準(高程基準與深度基準)和重力基準。海島礁大地基準可分為與大陸一致的海島礁大地基準和海島礁獨立大地基準。前者是將大陸大地控制網向海島礁延伸，通過數據處理建立與大陸一致的海島礁大地基準，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，建成均勻覆蓋主要海域的海島礁大地控制網。為保證已有測繪成果的轉化與應用，在大地控制網建設過程中還需要聯測已有海島礁大地控制點(如天文大地控制網點)。大地基準建設需要充分考慮與2000國家大地坐標系(CGCS2000)大地基準的有效銜接，并通過聯測已有海島三角點，建立海島礁測繪基準與已有國家參心坐標系統的轉化關系。而海島礁獨立大地基準一般是受限于歷史條件或技術條件，無法實現大陸大地基準向海島礁傳遞，而引入的一種地方獨立大地基準。

海島礁垂直基準包括高程基準和深度基準。高程基準定義了陸地和海島礁高程測量的起算點。高程基準的建設包括高程基準點和高程框架的建立，高程基準的參考面為似大地水準面，主要采用物理大地測量方法，聯合多源重力場探測數據按Molodensky邊值方法計算。根據實現方式不同，高程系統主要分為正高系統和正常高系統兩大類。高程框架是高程系統的實現，我國水準高程框架由全國高精度水準控制網體現，以黃海高程基準為起算基準，以正常高高差為水準高程傳遞方式。通過精化似大地水準面的方法建立起來的高程框架稱為似大地水準面高程框架，是海洋、海島礁高程基準傳遞的主要表現形式。深度基淮定義了計算水體深度的起算面。深度基準的確定應遵循兩個原則：一要保證航行安全；二要充分利用航道。由于各地潮汐性質不同，存在海面地形，采用的計算方法不同，許多國家和地區的深度基準面也不相同。目前，深度基準面的實現只是驗潮站相對于當地多年平均海面的數值形式，數據處理過程對該基準面未進行嚴格的標定與維持，歷史數據和直接計算方法的差別，導致一些驗潮站的深度基準面存在偏差。因此，建立統一的深度基準已成為海岸帶、海洋、海島礁測繪急需解決的關鍵問題。

重力基準是標定一個國家或地區的(絕對)重力值和重力段差的標準，包括重力測量基準和地球重力場參考系統。重力測量基準是標定(絕對)重力值和相對重力尺度的標準，地球重力場參考系統規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的一種實現形式，由分布在各地的若干絕對重力點和相對重力點構成的重力控制網，以及用作相對重力尺度標準(重力段差)的若干條長短基線構成。目前，我國已先后建立了1957重力基本網、1985國家重力基本網和2000國家重力基本網。當前，急需進行海域多種重力數據融合，對收集到的陸地重力、船測重力、航空重力、衛星測高反演重力和衛星重力數據進行融合處理，形成重力異常成果數據集。

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或特征目標的客觀存在，再根據影像上目標的細微特征，識別這一實體的準確度，并歸為某一特定的海島礁類別，查明海島數量。精確定位是利用高精度的海洋潮汐預報與水位推算、高精度衛星靜態定位基線測量、衛星靜態定位、大范圍稀少控制的高精度高分辨率衛星遙感測圖等新技術，融合多種相對或絕對控制技術，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，實現海島礁遙感識別與精確定位。

海島礁識別不同于傳統的陸地測繪，它是利用航空航天遙感手段，根據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，實現對海島礁目標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、解譯標志、識別模型等技術內容。隨著遙感技術的發展，越來越多的遙感衛星升空，遙感數據采集手段的多樣性，觀測條件的可控性，確保了所獲得遙感數據的多源性，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據有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果的基礎上，對海島礁類型和是否存在作進一步的確認。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的判別分析，是對遙感影像的不同區域進行特征提取與分析，對其中所蘊含的各種用戶感興趣區域的目標地物進行分離，并采用計算方法對相應特征進行自動提取、分析與表達。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，通過對同一區域的目標影像作對比分析，同時結合移動船只的尾跡特征進行綜合判斷，可以確認檢測結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、控制點不易布設等困難，因而需要采用新的定位手段。主要的技術方法有：遙感衛星軌道與姿態參數精確外推技術、線陣CCD傳感器RFM通用成像模型參數估計理論與技術、稀少(無)控制點多源異構遙感數據幾何一體化定位與遙感控制傳遞處理技術。其中，遙感衛星軌道與姿態參數精確外推技術主要是研究遙感衛星軌道與姿態參數的精確反演與無控制點遙感影像精準定位技術；線陣CCD傳感器RFM通用成像模型參數估計理論與技術主要是指基于視線方向矢量的嚴格幾何成像模型構建、基于共線方程的高分辨率衛星影像嚴格幾何成像模型構建和有理函數模型(FRM)參數的穩健估計算法；稀少(無)控制點多源異構遙感數據幾何一體化定位與遙感控制傳遞處理技術主要是指控制點和遙感影像連接點的自動或半自動高精度量測算法、基于RFM模型的稀少(無)控制的區域網平差技術等。

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性地理信息，并進行海島礁數字線劃地形圖(DLG)、數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)等數字測圖產品的生產。由于海島礁普遍具有分布零散和遠離大陸的特點，使得采用傳統的全野外測圖方式，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，沒有相關的測圖產品。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與機載激光雷達技術，以及高分辨率光學、雷達衛星成像技術，可以對近海、遠海，以及不宜、不易到達的海島礁，存在爭議或他國非法侵占的海島礁進行高效率、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字攝影測量方法，并在灘涂區測圖采用LiDAR等手段進行輔助。

航空航天遙感測圖由外業和內業兩部分組成。外業包括控制點測量與地物調繪，內業包括空中三角測量與區域網平差、影像校正、地物要素采集等。其中，航空遙感測圖主要是運用GNSS/IMU航空攝影測量技術，利用航攝飛機按一定的航攝規格獲取海島礁航空遙感影像，通過少量的海島地面控制點布測，進行稀少(無)控制的空中三角測量，獲取每一影像的外方位元素，恢復航空遙感影像立體模型，實現海島礁DLG、DEM和DOM地形要素采集，并制作生成海島礁測圖產品。而航天遙感測圖主要是采用衛星立體影像，基于高精度的軌道和姿態參數，外推和反演出高精度遙感衛星數據處理和自動幾何定位所需的高頻度、高精度的軌道與姿態信息，結合瞬時海水水位、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合平差方法，進行海島礁測圖。

在海島礁的灘涂區，由于傳統的光學影像紋理及對比度較弱，直接影響其測圖精度，有時甚至無法進行測圖作業。LiDAR是海島礁測圖的新技術手段，它集激光測距技術、計算機技術、慣性測量單元(IMU)、差分定位技術(DGPS)等于一體，能夠彌補傳統攝影測量技術在灘涂區上測圖的不足，能夠快速、準確地獲取地表高精度、高密度的高程數據。也就是說，LiDAR測圖是通過海島礁激光點云數據獲取，再經過內業數據處理，實現海島礁的DLG、DEM、DOM等數字測圖產品的制作。

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容。海岸線一般被認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2 m，而大點的島嶼不同方向痕跡岸線的高程差可達3～5 m。因而，不論是采用現場測量還是遙感影像判繪方法，不同作業人員對痕跡岸線的判斷都會產生一定的差異。在同一段海岸，不同的作業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一步完善與規范。

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面，由潮汐調和常數計算和確定，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，存在定義及其實現在某種程度上的差別。將潮位(平均大潮高潮位)應用于岸線確定需要對潮汐信息作深入的挖掘，用相應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涉及海圖深度基準面、平均海面和國家高程基準面等。對于全野外數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國家高程基準表達，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，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和常數計算法(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技術實測的岸線，用大地高的形式測定高程，根據精化的大地水準面模型，確定實測岸線的1985高程，并與基準傳遞法的結果、水位傳遞法、平均大潮高潮特征潮位傳遞法的結果作比較。確定岸線的關鍵在于根據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，可根據潮汐模型計算的平均大潮高潮高度和痕跡線的修正數據，直接對該線狀要素賦高程信息，結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DEM模型計算岸線以下部分的坡段，并根據岸線高度和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，根據潮汐預報模型和水位推算結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行垂向定位，構建海島礁DEM，并逐網格點計算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、結束語

海島礁測繪是測繪科學與技術領域迫切需要發展的一個重要分支，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難題，其理論與技術方法急需進一步提高和完善。為此，本文著重介紹了海島礁測繪基準、海島礁識別定位、遙感測圖、潮位與岸線綜合判定等技術，并提出了解決各技術難點的方法。毫無疑問，航空航天遙感技術、計算機技術、信息處理技術的發展，必將帶動海島礁測繪不斷取得新進展、手段更豐富、技術方法更先進，從而為國家海洋權益維護和自然資源開發提供更加有力的技術支撐。

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