上海海洋大學(xué)沈蔚教授揭秘海洋測(cè)繪的現(xiàn)狀與未來(lái)！

深海探索，不僅需要向下鉆探的這種觸角，也需要看清海底模樣的眼睛。鉆探是探取深部的實(shí)踐樣本，精準(zhǔn)測(cè)繪可以繪制廣袤海底的一個(gè)空間的地圖。

1月31日，我們邀請(qǐng)到沈蔚教授，帶領(lǐng)我們走進(jìn)海洋測(cè)繪的世界。沈教授是上海海洋大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，同時(shí)擔(dān)任上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任等職務(wù)，他長(zhǎng)期專(zhuān)注于海洋測(cè)繪領(lǐng)域，主要研究方向包括水下地形地貌探測(cè)，海洋遙感與水聲探測(cè)等，在國(guó)內(nèi)海洋測(cè)繪領(lǐng)域具有較高聲譽(yù)。近年來(lái)，沈教授主持了多項(xiàng)重大海洋調(diào)查和工程勘測(cè)項(xiàng)目，發(fā)表了SCI論文二十余篇，并取得了一系列專(zhuān)利與軟件著作權(quán)等成果。本文根據(jù)講座內(nèi)容整理而成。

1

海洋測(cè)繪背景

談及海洋，人們往往首先想到的是其遼闊無(wú)垠的海面與繁多的海洋生物。然而，海洋的吸引力遠(yuǎn)不止于此。在海洋的深處，隱藏著深不可測(cè)的海溝、綿延起伏的海嶺、平坦廣闊的海底平原、曲折蜿蜒的海底峽谷，甚至還有噴涌著巖漿的火山。沈教授的工作主要就是對(duì)這樣的豐富的海底地形和地貌進(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)。

我們首先明確一個(gè)概念：海底地形是海水覆蓋下的固體地球表面形態(tài)總稱(chēng)，分為大陸邊緣，大洋中脊和大洋盆地三大單元，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)地形是海底高低的起伏。那么海底的地貌是什么？它有泥、土、石和藻類(lèi)等等。三個(gè)大類(lèi)的單元下分了許多二級(jí)單元，狹長(zhǎng)且陡峭、深度極大的溝槽被稱(chēng)為海溝，而綿延起伏的海底高地則被命名為海嶺，平坦且開(kāi)闊的海底區(qū)域，則被統(tǒng)稱(chēng)為海底平原。總的來(lái)說(shuō)，整個(gè)大海底的地形和地貌是很復(fù)雜的，海底的地形高低起伏，隨便拉一個(gè)斷面就能看出水深從幾米可能迅速降到幾千米。

我們通常需要使用測(cè)繪的手段來(lái)獲取地形。測(cè)繪是海洋的測(cè)量和制圖的總稱(chēng)，包括對(duì)數(shù)據(jù)的獲取和對(duì)數(shù)據(jù)的展示。其任務(wù)是對(duì)海洋、江河湖泊及臨近的陸地進(jìn)行測(cè)量和調(diào)查，獲取海洋的基礎(chǔ)地理信息，編制各種海圖和航海資料，為航海、國(guó)防建設(shè)，海洋開(kāi)發(fā)和海洋研究服務(wù)。從概念看出海洋測(cè)繪包括了內(nèi)陸江河湖泊的水深測(cè)量，兩個(gè)方向都包括在海洋測(cè)繪里，我們國(guó)家并沒(méi)有把內(nèi)陸和海洋區(qū)分出來(lái)。

海洋測(cè)繪的工作內(nèi)容包括定位、大地測(cè)量、水深地形測(cè)繪、海底的地貌底質(zhì)、海洋工程和重力磁力等，其中重點(diǎn)的是水深和地形。地形測(cè)量是通過(guò)水深測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，船只在水面上測(cè)大量的水深點(diǎn)就可以把一個(gè)海底的起伏形態(tài)表達(dá)出來(lái)。它的意義體現(xiàn)在許多方面，在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方面中，大量的海底數(shù)據(jù)可以支撐海上的交通和海上的工程施工；在政治軍事活動(dòng)中，如東海的劃界和第一第二島鏈的突破；比如在海底的科學(xué)研究里，也需要大量這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋基礎(chǔ)學(xué)科的研究。

地形決定了海洋研究的一個(gè)邊界，如果連邊界條件都不知道的話是無(wú)法開(kāi)展工作的。所謂海洋科學(xué)的研究，無(wú)論是海底的地質(zhì)研究，還是物理海洋的風(fēng)浪流，它都有一個(gè)邊界條件就是海底的地形。海洋測(cè)繪是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性的先行的戰(zhàn)略性的工作，任何的海上活動(dòng)都離不開(kāi)測(cè)繪信息的支持，它是國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的一個(gè)基石。

那怎么去獲取數(shù)據(jù)？首先是航空航天的平臺(tái)例如天上的衛(wèi)星和飛機(jī)；水面的艦船比如大型的遠(yuǎn)洋科考船、近海的小船、包括現(xiàn)在普遍使用的無(wú)人船和水下有各種潛器（包括無(wú)人和載人）。

在目前獲取龐大的海洋數(shù)據(jù)方面，我們遇到了很多問(wèn)題，比如有測(cè)不了的問(wèn)題。到目前為止，通過(guò)我們這種實(shí)測(cè)的手段測(cè)得的數(shù)據(jù)不到30%，可能只有27%。大量的海底地形沒(méi)有實(shí)測(cè)是因?yàn)殡y度太大和效率太低。第二個(gè)問(wèn)題是測(cè)不準(zhǔn)，一萬(wàn)多米水深主要靠聲學(xué)進(jìn)行測(cè)量，聲波在傳遞的過(guò)程中受到海洋的溫度和鹽度等各種因素的干擾，他的傳播路徑是彎曲的，在不同的水層有不同的表現(xiàn)，最終的結(jié)果就是測(cè)得不準(zhǔn)。目前聲學(xué)測(cè)量的規(guī)范要求精度是1%，也就是在一萬(wàn)米的時(shí)候測(cè)出來(lái)的精度是±100米的誤差。此外，目前衛(wèi)星的重力反演測(cè)量手段的精度可以達(dá)到5%，也就是一萬(wàn)米能做到500米的測(cè)量的精度。除此之外還有效率的問(wèn)題，我們使用船的效率太低了，測(cè)得的數(shù)據(jù)太少（每小時(shí)船速通常18-20km），由此可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)幾十年也測(cè)不完。大量的聲學(xué)數(shù)據(jù)或者遙感數(shù)據(jù)，比如聲吶每秒鐘就是幾兆的信息傳輸，每天要測(cè)得幾十G的數(shù)據(jù)。利用人工互動(dòng)（傳統(tǒng)手段）對(duì)信息進(jìn)行處理的效率非常低，一天采集的數(shù)據(jù)要處理好幾天。

2

方法：以“淞航”號(hào)為例

今天我們以我校科考船淞航號(hào)為例給大家做一個(gè)分享。淞航號(hào)總長(zhǎng)85米，型寬15米，型深8.7米，吃水深度5~6米，船大概有四五層，總噸位有3166噸，采用全回轉(zhuǎn)的直葉槳電力推進(jìn)，它的螺旋槳在尾部可以靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且有無(wú)限航區(qū)，巡航速度12節(jié)，最高速度15節(jié)，續(xù)航力是10000海里。自持力60天左右。如果一個(gè)航次超過(guò)60天，那么它中途需要補(bǔ)給一下。定員59人，里邊配備了200多平米的實(shí)驗(yàn)室條件，分為干實(shí)驗(yàn)室和濕實(shí)驗(yàn)室。我們這是一條漁業(yè)調(diào)查能力很強(qiáng)的科考船，所以也兼具科考的任務(wù)，其中包含漁業(yè)科考的設(shè)施，也包括住艙，目前科考學(xué)生是雙人間，老師或船員是單人間，伙食條件也很好。

整個(gè)科考的體系分了八大科考系統(tǒng)，第一個(gè)叫海底探測(cè)系統(tǒng)，是做地形的，是主要的一個(gè)系統(tǒng)，包括萬(wàn)米單波束，深水的多波束和萬(wàn)米的淺地層剖面儀等。除此之外還有關(guān)于地球物理的一些調(diào)查，包括重力儀，磁力儀等。還有專(zhuān)門(mén)做水體的調(diào)查，主要是CTD的采水器，聲速剖面儀等。還有一些輔助的甲板設(shè)備系統(tǒng)、遙感大氣和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等等。

為了獲得海底準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，首先要準(zhǔn)確定位。知道每時(shí)每刻船的位置不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，全球建了大概有四個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，我們平時(shí)用到的美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)投入到了一個(gè)實(shí)用階段，技術(shù)上也非常領(lǐng)先。基于這樣的一個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，科考船上的定位精度可以做到水平3厘米和垂直6厘米，同時(shí)包括對(duì)船的姿態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量。由于船在三個(gè)軸上每時(shí)每刻都在晃動(dòng)，所以需要實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行精確地測(cè)算海底的地形和地貌。

最關(guān)鍵的是設(shè)備的安裝，水下發(fā)聲的設(shè)備我們稱(chēng)它為換能器，它可以把電能轉(zhuǎn)換成聲音，船底下安裝了一個(gè)導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩里邊裝了很多聲學(xué)的換能器。在示意圖中可以看到多波束系統(tǒng)是一個(gè)7000米級(jí)的一個(gè)多波束，是康斯伯格（Kongsberg）旗下的EM302。它在導(dǎo)流罩里的位置，豎直方向是發(fā)射陣，垂直方向是接收陣，以及淺地層剖面儀的位置都在里面。

在導(dǎo)流罩里的換能器的尺寸很大，多波束的換能器是3米乘3米，但這是一個(gè)7千米量程的一個(gè)多波束。萬(wàn)米級(jí)的多波束尺寸基本上在5米乘5米，還有淺剖的一些基本的參數(shù)，包括用到的頻率，生源級(jí)等。多波束和淺地層剖面儀的主機(jī)我們稱(chēng)為收發(fā)機(jī)。能準(zhǔn)確地跟蹤聲線的傳播需要測(cè)量聲速拋面和表面聲速，我們稱(chēng)之表面聲速儀和聲速剖面儀，有的時(shí)候我們還通過(guò)溫鹽深（CTD）測(cè)量來(lái)間接地獲得聲速的一個(gè)剖面數(shù)據(jù)。

聲速剖面測(cè)量在大洋科考階段不能停船開(kāi)展，因?yàn)橥４臅r(shí)候，測(cè)一次幾千米的深度方面要花好幾個(gè)小時(shí)，效率太低會(huì)增多成本，所以我們會(huì)用到這種拋棄式的XCTD（拋棄式溫鹽深儀）來(lái)獲得水面到水底的溫鹽深數(shù)據(jù)，并計(jì)算聲線剖面數(shù)據(jù)。拋棄式的XCTD效率還可以，但是不安全，風(fēng)浪很大的時(shí)候在甲板上拋就很危險(xiǎn)，所以我們首創(chuàng)了自動(dòng)式的拋投裝置，像左輪手槍一樣一次可以裝12個(gè)彈，可以在指定時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行人工控制，人可以坐在艙里看著屏幕，摁一下按鈕設(shè)備就可以自動(dòng)拋下水。這種設(shè)備的使用頻率很高，通常兩個(gè)小時(shí)就要拋一次去測(cè)量聲速剖面，整個(gè)過(guò)程基本上實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集。所以在科考中的數(shù)據(jù)采集工作，基本上是坐在實(shí)驗(yàn)室里邊，喝著茶，偶爾抬個(gè)頭看一下屏幕就行了，有問(wèn)題的時(shí)候它會(huì)報(bào)警告訴你有問(wèn)題了再來(lái)處理。

我們獲取的數(shù)據(jù)是海底的一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，顏色表示水深，紅色代表淺，藍(lán)色代表深，通過(guò)制圖可以直觀的看到哪里高、哪里低、哪里是火山、哪里是海溝等等。淺地層剖面儀的數(shù)據(jù)通過(guò)解譯解算可以繪制成出地貌，它可以告訴你哪里是礁石、哪里是泥、哪里是沙等等。

除此之外我們還開(kāi)展了地球物理的調(diào)查，利用重力和磁力等物理性質(zhì)來(lái)開(kāi)展地球一些關(guān)鍵參數(shù)的獲取。國(guó)產(chǎn)的一個(gè)重力儀（ZL11-1A型）包括慣性測(cè)量單元和雙軸的穩(wěn)定平臺(tái)，它可以被放在船上、飛機(jī)上、甚至放到衛(wèi)星上。它獲取了地球上某個(gè)區(qū)域的重力的異常值，重力的數(shù)據(jù)可以表達(dá)出地球內(nèi)部的一些特性，像中醫(yī)一樣，可以間接地通過(guò)重力和磁力的測(cè)量來(lái)看地球內(nèi)部的一些特性，這樣我們可以直觀地了解全球的重力分布或者重力異常，為找礦和軌道航行器提供服務(wù)。

此外，還有一個(gè)常見(jiàn)的測(cè)量是磁力的調(diào)查，通過(guò)磁力儀拖在船尾來(lái)獲取航跡線上的磁場(chǎng)的強(qiáng)度值（異常值），它可以顯示出什么東西有磁性。比如有很多金屬的沉船在海底下，或金屬的管道或者電纜都有很強(qiáng)的磁場(chǎng)信息，通過(guò)磁性的測(cè)量可以很容易的識(shí)別探測(cè)出沉船的位置、海底的埋藏的管道和電纜等等。同時(shí)，獲取全球的磁場(chǎng)信息為我們的科學(xué)研究提供了基本的數(shù)據(jù)，例如拓老師提到大洋中脊年代比較新，通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn)它的磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)，而快消亡的地殼的磁場(chǎng)強(qiáng)度弱。

為了支撐這些科考工作，我們使用了很多輔助的設(shè)施，其中最典型的就是甲板的絞車(chē)，它可以吊放設(shè)施。尤其在風(fēng)浪很大的時(shí)候，潛器的收放是很困難的一個(gè)事情，通過(guò)絞車(chē)就可以解決收放設(shè)備的問(wèn)題。船上還有通訊的一些設(shè)施，在最早期時(shí)科考最苦惱的是上不了網(wǎng)，60天在船上不能上網(wǎng)是非常難受的事情，但現(xiàn)在的科考船能保證你24小時(shí)都有網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)可以和家人微信聊天和視頻。

3

挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

剛才我們講的是傳統(tǒng)的基于聲學(xué)的手段來(lái)獲取海底的地形地貌，由于效率比較低，船一個(gè)小時(shí)才開(kāi)十幾公里，一天也就開(kāi)個(gè)三四百公里。目前國(guó)際上有一個(gè)叫“海床2030”的項(xiàng)目，它們計(jì)劃在2030年把海底的地形都繪制出來(lái)，但是目前才測(cè)了27%，按照年增長(zhǎng)2%左右那就是到2030年也就剛過(guò)30%，那其它還沒(méi)測(cè)的地方怎么辦？

目前對(duì)于這種沒(méi)有實(shí)測(cè)的海底地形主要是基于衛(wèi)星的重力測(cè)量來(lái)反演地形。早期是通過(guò)直接測(cè)重力，重力再反演地形，現(xiàn)在發(fā)明了高精度寬頻帶的測(cè)高衛(wèi)星之后，目前主流的手段是基于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的海底地形反演來(lái)獲得深海沒(méi)有實(shí)測(cè)的地形。大概的原理是通過(guò)天上的衛(wèi)星來(lái)獲得海表面的高度，海表面的高度由重力決定，我們都知道水往低處流，如果重力值不等水會(huì)流動(dòng)，水一旦靜止下來(lái)說(shuō)明它的重力是相等的，就可以通過(guò)水面高度的變化來(lái)推算出它的重力面在哪里。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)重力以及重力異常和海底的地形起伏是有關(guān)系的，海底的山川起伏又決定了重力的一些異常，進(jìn)而把可以反演出海底的地形，這是目前全球測(cè)深的一個(gè)主要的補(bǔ)充手段。

在10年前衛(wèi)星反演測(cè)深的精度很差，從最初的2千米到后來(lái)的1千米精度，現(xiàn)在可以做到500米。經(jīng)常有新聞?wù)f，某科學(xué)家把海底的地形的探測(cè)精度提高到了很高的量級(jí)，原來(lái)只發(fā)現(xiàn)2萬(wàn)座海山但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了4萬(wàn)座，然后有一次發(fā)現(xiàn)了10萬(wàn)座，這證明我們探測(cè)的精度在不斷地提高，可以探測(cè)出以前未知的海山。船載的數(shù)據(jù)也會(huì)參與到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解算，基于多元的數(shù)據(jù)來(lái)解算全球海底的一個(gè)地形，目前精度是5%左右，未來(lái)可以達(dá)到更高。

船離海底離得越遠(yuǎn)精度就會(huì)越低，離得近了之后的精度會(huì)提高。所以我們?cè)鯓硬拍艿纸鼫y(cè)量？這就需要各種平臺(tái)載器，目前水下的運(yùn)載器或水下機(jī)器人大體上分為有纜和無(wú)纜兩種。有纜是后邊跟著一根電纜，通訊供電都通過(guò)電纜傳輸，我們需要在六千米或者一萬(wàn)米拖一個(gè)纜下去，纜很長(zhǎng)，一是可能很重占地很大，二是拖著它很難在水下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有可能會(huì)纏繞等，所以主流的都是無(wú)纜的潛器。無(wú)纜潛器目前比較多的AUV（無(wú)纜自制水下運(yùn)載器），還有一種Glider滑翔機(jī)，滑翔機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)從海面到海底全方位獲取海洋的各種要素。

AUV是現(xiàn)在水下探測(cè)和測(cè)繪的主要手段，各國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展。前幾年馬航370飛機(jī)失事后，當(dāng)時(shí)國(guó)際上好多組織和國(guó)家在尋找但是都沒(méi)有找到它，十年后這家公司（Ocean Infinity）又重啟了探索計(jì)劃，公司和馬來(lái)西亞的交通部簽了合同，他們約定找到再付錢(qián)，找不到不付錢(qián)，說(shuō)明它有足夠的信心能找到。公司拿出的一套解決方案就是用無(wú)人船配合水下的運(yùn)載器來(lái)開(kāi)展海底的目標(biāo)的探測(cè)。

在未來(lái)，我們通過(guò)無(wú)人化智能化的平臺(tái)開(kāi)展海底的地形測(cè)繪肯定是主流的方式。因?yàn)榭咳巳ヌ綔y(cè)的效率低，并且人的身體受不了高強(qiáng)度的工作。海量的數(shù)據(jù)需要很多智能的算法，我們的團(tuán)隊(duì)也一直在做數(shù)據(jù)處理的算法，通過(guò)大量點(diǎn)云的濾波算法來(lái)快速地獲取海底的地形，因?yàn)楂@取的地形數(shù)據(jù)包括很多噪音，無(wú)論是水體里的魚(yú)群的或者海底的一些植被都需要自動(dòng)地把它給過(guò)濾掉，以此獲得我們想要的海底地形數(shù)據(jù)。原來(lái)我們處理一天的采集數(shù)據(jù)可能需要三天，但是隨著智能化程度的越來(lái)越高，幾分鐘的時(shí)間就可以初步地處理完，效率會(huì)大大提高。

最后，我展望一下未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，海底測(cè)繪的目標(biāo)是從抽樣的測(cè)繪到全球的覆蓋，但現(xiàn)在只能做到局部的測(cè)量，或者以點(diǎn)帶面并沒(méi)有完全地覆蓋。那未來(lái)我們的目標(biāo)是要做到全球的覆蓋，那它可能會(huì)出現(xiàn)一些革命性的方法，包括今天我們來(lái)到這研究院看到的量子探測(cè)技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)解決這種快速高效的獲取海底地形的工作。在模式方面，從有人主導(dǎo)的模式逐漸會(huì)過(guò)渡到無(wú)人智能的時(shí)代，海洋研究的勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)大大降低。由人出海的話，一是危險(xiǎn)，二是大家年輕人可能不愿意出海。那未來(lái)的這種調(diào)查以無(wú)人化智能化為主，大家還是挺輕松的，所以也不用懼怕海洋的風(fēng)浪。在技術(shù)方面，從單一的傳感器到多元融合的一個(gè)發(fā)展，我們單一的手段可能無(wú)法全面地準(zhǔn)確地獲取水下的信息，天上的衛(wèi)星、飛機(jī)，水面的艦船，水下的潛器潛標(biāo)等，還有各種數(shù)據(jù)包括幾何或物理的數(shù)據(jù)可以融合在一起，可以提高探測(cè)的精度和效率。

最后我打一個(gè)廣告，歡迎有興趣的同學(xué)報(bào)考上海海洋大學(xué)，謝謝大家！

內(nèi)容整理：卷毛

• 信息來(lái)源:墨子沙龍。

  轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明信息來(lái)源及海洋知圈編排。