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    淺談現代測繪科學技術與海洋研究

    2014-03-11 19:45:45 來源: 百度文庫 作者:
    聊聊
    淺談現代測繪科學技術與海洋研究
     
    摘要:
    人類對于海洋研究的歷史由來已久,但在18世紀之前的幾千年中收獲頗微。直到18世紀,隨著現代測繪科學技術等的發展并致力于海洋研究,才開啟了這一領域的新紀元。尤其是鑒于海域寬廣,變化復雜頻繁,且相對于陸地無法或很難采用傳統測繪研究手段等原因,以3S技術為代表的現代測繪科學技術發揮了巨大作用,并有著更為長遠的發展前景。
     
    關鍵詞:
    現代測繪科學技術,  海洋研究,  海洋衛星,  海洋測繪
     
    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空間。隨著人口的增加和陸地非再生資源的大量消耗,開發利用海洋對人類與發展的意義日顯重要。據統計,全世界海洋經濟年總產值到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,要資源已經成了解決人類未來生存與發展問題的共識。然而與此同時,關乎人類明天的另一個問題——環境卻又在制約這人們對海洋無節制,不科學的開發利用。海洋對全球自然環境和自然災害的發生起著舉足輕重的影響,而人類活動又反作用于環境,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,海洋對人類非常重要,所以,國內外多年來投入了大量的人力和物力,利用先進的科學技術以求全面而深入地認識和了解海洋,指導人們科學合理地開發海洋,改善環境質量,減少損失。然而,常規的海洋觀測手段時空尺度有局限性,因此不可能全面、深刻地認識海洋現象產生的原因,也不可能掌握洋盆尺度或全球大洋尺度的過程和變化規律。因此,利用現代測繪科學技術,尤其是3S技術研究海洋成為了關乎人類生存與發展的重大課題,也是時代進程的必然產物。
     
    二、海洋研究的歷史
    人類研究海洋的歷史非常悠久,從海洋科學發展的歷程看,可以劃分為三個歷史時期。
    從史前到18世紀末尾海洋學建立以前的時期,是海洋知識逐步獲取和積累的時期。這一時期經歷了漫長的歲月,在其早期,中國和希臘的學者做出了一定貢獻;隨著十五世紀歐洲資本主義的產生和發展,刺激了海洋航海探險活動,在其后期的海洋探險中,科學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行海洋地理考察,在海上精確地測量經緯度,取得了大量表層水溫,海流,大洋測深及珊瑚礁等科學考察資料后,才真正來開了海洋科學考察的序幕。
    海洋學建立和發展時期(19~20世紀50年代),這個時期,世界性的海洋考察活動日益增多,海洋學領域的研究在深度和廣度上都獲得了較大的發展,并獨立發展成為一門學科。這個時期可以分為兩個大的發展階段:“挑戰者”號階段和“流星”號階段。“挑戰者”號航行時間三年半,里程12萬多公里,在太平洋,大西洋,印度洋和南極還數百個站位進行了測深,測溫,采水,取樣,拖網等,采集到大量海洋生物標本,地質標本,海水樣品以及海洋測量數據,開創了海洋綜合調查的時代。1925~1927年,“流星“號考察船對南大西洋進行了歷時兩年零三個月的調查,首次應用電子回聲測深儀獲得了七萬個以上的海洋深度數據,首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的輪廓,揭示了海洋環流和大洋熱量、水量平衡的基本概況,也開啟了海洋測繪的歷史。【1】
    現代海洋科學時期(20世紀50年代以來),海洋調查研究工作進入了一個全新的歷史時期。大量先進的技術推動了海洋研究的大力發展。其中,在60年代初,開始利用氣象衛星開始從太空檢測海洋;1978年美國發射專用海洋衛星,從空中對海洋資料的系統收集,遙感技術開始對海洋研究起到巨大的推動作用。至如今,現代測繪科學技術已經深入到海洋研究的多個領域,成為了最基礎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、生產提供了巨大幫助。
     
    三、海洋衛星
    所謂海洋衛星就是專門為觀測海洋、研究海洋,以及海洋環境調查和資源開發利用而設計發射的一種人造地球衛星。
    海洋衛星有如下特點:(1) 海洋環境要素探測要求大面積、連續、同步或準同步探測;(2) 海洋衛星可見光傳感器要求波段多而窄,靈敏度和信噪比高(高出陸地衛星一個數量級);(3) 為與海洋環境要素變化周期相匹配,海洋衛星的地面覆蓋周期要求2~3天,空間分辨率為250~1000m;(4) 由于水體的輻射強度微弱,而要使輻射強度均勻,具有可對比性,則要求水色衛星的降交點地方時(發射窗口)選擇在正午前后;(5) 某些海洋要素的測量,例如海面粗糙的測量、海面風場的測量,除海洋衛星探測技術外,尚無其他辦法。
    以下為一些主要的海洋衛星:
    1978年6月28日美國發射了世界第一科海洋衛星Seasat 1,為觀察海況,研究海面形態、海面溫度、風場、冰海、大氣含水量等開辟了新途徑。
    2002年5月15日9時50分,海洋一號A衛星在太原衛星發射中心成功發射升空,海洋一號A衛星是我國的第一顆海洋衛星。衛星重368千克,運行在高798千米的太陽同步近圓軌道,設計壽命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米多譜段成像數據。用于觀測海水光學特征、葉綠素濃度、海表溫度、懸浮泥沙含量、可溶有機物和海洋污染物質,并兼顧觀測海水、淺海地形、海流特征和海面上大氣氣溶膠等要素,掌握海洋初級生產力分布、海洋漁業及養殖業資源狀況和環境質量,了解重點河口港灣的懸浮泥沙分布規律,為海洋生物資源合理開發利用、沿岸海洋工程、河口港灣治理、海洋環境監測、環境保護和執法管理等提供科學依據和基礎數據。 
    日本海洋觀測衛星MOS-1號,于1978年2月在日本種子島用N一n火箭發射,重70公斤。該衛星采用太陽同步準回歸軌道,這是一種特殊的圓形軌道,距地面約900公里。設計壽命2年,攜帶三種傳感器,其中兩種是光學傳感器,即可見光與近紅外輻射計(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據,為生物資源開發、海洋環境保護提供海洋學方面的資料。
    ERS-1 ERS-2 歐空局分別于1991年和1995年發射。攜帶有多種有效載荷,包括側視合成孔徑雷達(SAR)和風向散射計等裝置)。采用全天候測量和成像的微波技術,提供全球重復性觀測數據觀測領域包括海況、洋面風、海洋循環及海洋、冰層等。衛星參數: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;每天運行軌道數:14 -1/3;降交點的當地太陽時: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衛星是加拿大于95年11月4日發射的,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。適用于全球環境和土地利用、自然資源監測等。衛星參數:太陽同步軌道(晨昏);軌道高度:796公里;傾角:98.6°;運行周期:100.7分鐘;重復周期:24天;每天軌道數:14;衛星過境的當地時間約為早6點晚6點;重量:2750kg。
    Nimbus-7(雨云7號衛星),于1978年10月24日發射,為太陽同步極地軌道。雖為氣象衛星,但在監測大氣的同時帶有專測海洋信息的傳感器。攜帶有掃描多通道微波輻射儀、平流層和中層探測器、平流層臨邊紅外探測器、臭氧總含量探測儀、地球輻射平衡探測儀、海岸帶彩色掃描儀、平流層大氣微粒測量儀、溫濕紅外輻射儀。
     
    四、遙感技術與海洋研究
    海洋衛星遙感技術,是基于遙感技術對海洋進行觀測研究。以其常規海洋調查手段所沒有的優越性,從海洋狀態波譜分析到海洋現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,也是現代測繪科學技術在海洋研究方面做出貢獻的體現。
    目前常用的海洋衛星遙感儀器主要有雷達散射計,星載雷達高度計,合成孔徑側視雷達(SAR),微波輻射計及可見光/紅外輻射計、海洋水色掃描儀等。【2】
    雷達散射計是一種主動式斜視觀測微波的裝置,可以演算出海面風速,風向,風應力以及海面波浪場,用于研究海洋工程和預報海浪、風暴。
    星載雷達高度計也是一種主動式微波傳感器,可用于測量大地水準面、海冰、潮汐、水深、海面風強度和有效波高、厄爾尼諾現象和海洋大中尺度環流。對地質深測和海洋測繪,全球海平面和氣候變化研究,大洋環境監測等有著重大意義。
    合成孔徑側視雷達(SAR,可以用于研究波浪譜及海表面波,影響國民經濟建設和軍事應用;可以提取到海冰相關信息,發現海洋中較大面積的石油污染,還可進行淺海水深和水下地形測繪,對環境監控,海洋勘探開發,海上交通運輸與軍事活動等具有重大意義。
    微波輻射計是被動微波傳感器,根據海面發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研究必測的最基本參數之一,劃分水團,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。
    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式傳感器,能測量海水水色,懸浮泥沙,水質等,在海洋漁業,海洋污染檢測,海岸帶開發,全球尺度海洋科學研究等方面發揮重要作用。
     
    五、GPS技術在海洋測繪領域的應用
    海洋測繪測量海洋底部的地球物理場的性質及其變化特征,繪制成不同比例尺的海圖和專題海圖。海洋測繪大致可分3個階段:20世紀30~50年代中期,開始對海洋進行地球物理測量,包括海洋地震測量、海洋重力測量等。這階段利用回聲探測數據繪制海底地形圖,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,證明大洋地殼與大陸地殼有顯著的差異。1957~1970年,實施了國際地球物理年(1957~1958)、國際印度洋考察(1959~1965)、上地幔計劃(1962~1970)等國際科學考察活動,發現了大洋中條帶磁異常,為海底擴張說提供了強有力的證據,揭示了大洋地殼向大陸地殼下面俯沖的現象,觀測了島弧海溝系地震震源機制。70年代以后,廣泛應用電子技術和計算機技術于海洋測繪中。【3】
    海洋測繪主要包括海上定位、海洋大地測量和水下地形測量。在海上定位和水下地形測量中都有GPS技術的應用。船在航行時,通常將GPS接收機與船上的導航系統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,用船上的計程儀(或多普勒聲納),陀螺儀的觀測值聯合推求船位。對于近海海域,還可在岸上設立基準站采用差分技術或動態相對定位技術進行高精度海上定位。而在船上安裝差分GPS接收機和測深儀,按預定航線利用差分GPS導航和定位,測深儀按一定距離或一定時間按照事先設定自動向海底發射超聲波并接受海底的反射波,同時記錄GPS的定位結果和測深數據。之后,就可以利用這些數據和計算機,繪圖儀等組成系統測繪水深圖和水下地形圖等。【4】【5】
     
    現代測繪科學技術在海洋研究方面的應用遠不止這些,而因其自身的優越性以及海洋研究的需要及發展趨勢,其在這一領域發揮的作用也必將與日俱增。
     
    參考文獻
    【1】 世界海洋研究史  百度文庫
    【2】 攝影測量與遙感概論  李德仁 王樹根 周月琴 著  測繪出版社
    【3】 海洋測繪  百度百科
    【4】 淺析GPS測量的誤差及應對措施  朱道璋  江西省水利規劃設計院
    【5】 GPS RTK技術在海洋測繪中的應用  謝榮安  廣東省地質測繪院

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