海洋测绘中GPS技术的运用探索

李满富

(北海市海域使用动态监管中心(北海市海洋信息中心、北海市海洋环境监测预报中心) 广西北海 536008)

海洋测绘事业的发展具有重要意义，不仅可以促进我国在海洋石油勘探开发方面取得有效进展，同时也能促进我国海洋强国战略目标的实现。但目前实际情况来看，海洋测绘中GPS 技术的运用还存在一些不足，需要持续加强对其的研究，才能更好地发挥该技术在海洋测绘中的优势作用。

1 GPS技术与海洋测绘概述

1.1 GPS技术概念

GPS 技术又称卫星定位技术，实际上就是英文全球定位系统的简称，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，其主要功能包括提供导航、收集情报、监测核爆、应急通信等内容。美国率先于1994 年全面建成世界上第一套完整的卫星定位系统，由空间星座、地面控制、用户设备所组成，其独有的全天候、高精度、自动化特征，可以更为准确地提供精准的三维坐标，从而帮助人们解决各类问题。就实际情况来看，GPS 技术在各个行业领域中都有着非常突出的应用，不仅给人们的日常生活带来了诸多便利，更是在军事、民用交通导航、大地测量等领域中发挥着不可替代的重要作用。随着时代的不断发展，GPS 与现代通信技术的结合应用，也逐渐成为新时期的风向标，在现代通信技术的支持下，可以使数据处理更加实时化，同时在测量三维坐标时也变成了动态化，有效提高了GPS技术的应用广度和深度。

目前，全球正在运行的卫星定位系统有欧盟的伽利略（Galileo）GNSS 系统、俄罗斯的GLONASS 全球导航卫星系统和我国的“北斗”（BDS）导航卫星定位系统。随着2020年7月31日，我国北斗三号全球卫星导航系统正式开通，在进行各种海洋测绘时，精度和稳定性都将得到极大提高，对海洋测绘的研究价值相当有意义。

1.2 海洋测绘概况

海洋测绘简单来说就是指，对海洋的测量和海图编制工作，目的是对海洋底部的地球物理场性质加以测算，并将所得信息进行汇总，制成不同比例尺的海图，同时还涉及各种海洋专题图的编制工作。海洋测绘专业类别包括海岸地形测量、水深测量、水文观测、海洋工程测量、扫海测量、深度基准测量、海图编制、海洋测绘监理。通过相关资料分析可以看出，海洋测绘分为3个重要阶段：首先是1930—1950年这个时期，是人们最开始对海洋进行地球物理测量的阶段，主要利用回声探测数据进行海图绘制；其次是1967—1970年间，这个阶段实施了多个国际科学考察活动，为海底扩张说提供了依据；最后是20 世纪70 年代以后，海洋测绘的发展越来越先进，在电子技术和计算机技术的支持下，使测绘工作得以更好地开展[1]。

2 GPS技术在海洋测绘中的应用意义

2.1 提升测绘工作水平

GPS技术有全天候、全球覆盖、三维定速定时高精度、快速省时高效率等，这就使得该技术在海洋测绘中可以发挥非常大的作用。因为海洋测绘本身难度就很大，对数据的精准性要求十分高，采用计算机技术和电子技术虽然也可以满足测绘工作需求，但是相对来说GPS 技术的应用可以大大提高测绘工作的整体水平。具体来说，在GPS技术与卫星相连后，可以更迅速精准地获取到海洋底部的三维坐标位置，并对测绘信息进行整理与分析，从而帮助工作人员更好地落实各种海洋专题图的编制工作，而采用传统的测绘技术往往很难快速完成任务。所以，在海洋测绘中加强GPS 技术的应用，可以为测绘工作的开展提供强有力的支撑，并促进测绘水平的显著提高。

2.2 节省更多测量时间

如前文所述，GPS 技术具有快速省时高效率的特征，若将其应用到海洋测绘当中，则可以大大节约测量时间，提高测绘工作效率。具体来说，由于整个海洋测绘工作十分繁琐，涉及了非常多的测量内容，除了海道、地形等测量工作之外，还需要对测量数据进行各种海图的绘制，而传统的测绘技术耗时较长，且需要用到资源也比较多，如果将GPS技术应用到其中，则可以很好地避免上述问题[2]。在GPS技术的支持下，无论是数据信息的处理和计算，还是专题海图的编制，都能够发挥非常大的作用，从而促使测绘工作更加高质高效地完成，有效避免了资源浪费现象的发生。

2.3 促进海洋强国建设

在海洋测绘中应用GPS技术不仅是对这项工作本身有非常大的优势作用，更主要的是还有助于促进我国在海洋强国建设方面取得突破性的进展。众所周知，我国岛屿非常多，面积也比较大，深海探索、海洋产业发展、海洋经济区域发展是我国近几年非常重视的内容，各种深海探测技术水平也不断提高，这充分说明了我国对海洋强国建设的愿景十分强烈。在这样的背景下，将GPS技术应用到海洋测绘中就显得更有意义，利用GPS 技术的精准性与实时性优势，可以促使其在点位测量中发挥更大的作用，及时获取准确的数据信息[3]。举例来说，利用导航定位信号载波，可以实现厘米级的动态定位，从而大大提高测量的精准度，为海图的编制工作打下坚实的基础。

3 GPS技术在海洋测绘中的具体应用

3.1 GPS技术在海洋定位中的应用

3.1.1 GPS技术海上定位原理

GPS技术在海洋定位测绘中主要运用到两种不同的定位方式：一是静态定位，这种方式通常是利用卫星信号接收器接收数据，然后再借助相关技术进行其他位置坐标的测算，从而获取到具体的定位信息；二是动态定位，这种方式简单来说就是根据物体位置、速度等各项数据来获取准确的定位信息，通常具有实时性的特征。就实际情况而言，GPS 技术在海洋测绘中的应用并不是独立进行的，往往需要借助海上船只自身的导航设施与其相连，才能更好地发挥其优势作用，从而确保海洋测绘工作的高效开展。另外，在GPS 技术的应用下，海洋定位工作可以较快完成，且精度较高，尤其是将该技术与基准站技术相互配合，可以进一步提高海上定位的精准度。

3.1.2 差分GPS技术的应用

差分GPS 技术即差分技术，在海洋测绘中的作用也十分突出，其得出具体位置和伪距修正量的方法，就是借助了GPS基准台和三维坐标的结合应用。具体来说，根据实时GPS数据进行修正，通常可以将其划分成两种类型：一是位置差分，二是伪距差分，前者的应用原理较为简单，而后者的应用较为常见。就目前实际情况来看，差分GPS技术在海洋定位中的应用，可以提高定位精度并扩大测绘范围，比如：在海洋物探定位中，利用GPS 技术可以更好地将海洋地层的结构反馈出来，其中运用到的理论知识就是地震波的物探信号反馈。不仅如此，若探测出其中的储油构造，还能借助差分GPS 技术来进一步明确钻孔位置，从而为后续的钻井平台的建造打下坚实的基础。

3.2 GPS技术在水深测绘中的应用

通过对以往水深测量工作的相关研究分析可以发现，我国最常使用的水深测量工具就是测深仪，该设备主要分为四种不同的类型，其中以超声波测深仪、回声测深仪最为常见，前者主要是利用超声波能在不同介质中的反应来进行水深测量，后者则主要是借助换能器的声波发射与回传的时间来计算水域深度。将GPS技术应用到水深测量中，则可以大大提高测量工作效率，以回声测深仪为例，由于其主要是借助换能器的声波信号折返时间来测量水深，因此往往需要安排工作人员手动操作换能器，但是将GPS技术应用其中，则可以通过控制设备将指令发送出去，从而大大节省了操作时间，通过提高测深点测量点位精度的同时达到提高测深精度和准确度的目的。

近年来，机载激光测深系统发展较快，该技术通过无人机结合GPS 技术和惯性导航技术，再以激光主动探测为工具，达到了海洋水深测量作业的快速化、效率高和适用范围广的目的，是一项较为先进的设备，应用于生产实际具有重要意义。

3.3 GPS技术在海洋大地控制网布设中的应用

建立海洋大地控制网在海洋测绘工作中具有重要意义，将为海底地形地貌的测绘和海平面变化观测提供基准，为海洋工程的开发、海洋资源的开采以及海底地壳运动的观测等提供技术支撑。海洋大地控制网的建立，主要是由各个分布在岛屿、暗礁以及海底的控制点所组成，部分在海底的控制点则是由固定的标志和水声应答器组成。

对一些在岛屿和暗礁上的控制点，主要是利用GPS 接收机和卫星定位系统，结合海底水声应答器的同步测定，达到了对海洋控制点的精确测定[4]。

3.4 GPS技术在海洋灾害监测中的应用

我国是世界上遭受海洋灾害较为严重的国家之一，海洋灾害所带来的影响是非常巨大的，一旦发生海啸、赤潮、风暴潮等灾害，则会威胁到海上及海岸带上的人们的生命财产安全，给国家带来严重的经济损失。因此加强海洋灾害预测是非常重要的一项工作，而GPS 技术在海洋灾害监测中就可以发挥非常大的作用。具体来说，由于海洋灾害大都是由海底下陷或其他运动而形成的，如果能够提前掌握海底运动情况，就可以在一定程度上预测到灾害的形成时间，从而及时做出应对，减少人员伤亡。而GPS 技术可以有效满足这一条件，在该技术的支持下，海洋测绘工作将变得更加细致全面，利用海底地层布测、海洋大地控制网等方式，可以更精准地掌握海底模块运动情况，进而实现对海洋灾害的有效监测。

3.5 GPS技术在海岸地形测量中的应用

开展海洋海岸地形测量工作，能为海上的石油工作、渔业以及航运等提供强大保障。在传统的海洋海岸地形测量工作中，基于海底三维、平面坐标以及水声仪器的使用来获得数据信息。但是，该方法在实际测量期间，还无法获得准确数据。所以，渗透GPS 技术，基于水声仪，能更为详细地判断出位置。基于较大比例尺测量图和GPS 技术差分法的使用，也能获得更为准确的信息。同时，将GPS技术和计算机、绘图仪器相互结合，也会使海洋海岸地形测绘工作更为简单，特别是通过相关模型的构建，都会使海洋海岸地形数据充分获取。

伴随着我国海洋经济的不断拓展，海岸地形测量逐步成为水下工程、航海安全保障的重要基础工作，但以往使用大型船只进行海岸地形测量时，不能测量近岸区域的水下复杂地形，很难真正实现测量的全覆盖，而采用无人船结合GPS定位技术作为当前一种全新测量途径。无人船测量指的就是通过采用无人驾驶的水上遥控船，利用与船体相互连接的集成控制系统、卫星定位装置以及其他推进和探测系统，对水域开展相应测量工作，进而高效、精准地获取真实有效的测量数据，得以帮助测量工作人员对海岸地形情况进行准确的判定。

4 海洋测绘中GPS应用存在的问题及解决对策

4.1 位置测绘偏差及修正对策

一般情况来看，在海洋测绘工作中，GPS技术发挥的主要功能作用就是其精准的定位，可以充分满足测绘数据的要求。通过对测绘工作的全面分析可以看出，测绘海洋水下地形是其中非常重要的一项工作，主要是对海洋内部的深水岸线进行详细勘察，确保GPS技术定位中心与深度检测中心的点位一致[5]，这个时候测深仪的中心位置才能与传输无线呈九十度的态势，从而实现精准定位。如果两部分中心的相对位置差异较大，已经不在偏差值范围内，就需要及时进行修正，避免影响定位的精准度。要想解决这一问题，就需要加强GPS 技术的应用，比如：在进行填海造地工程中，经常会发生工程开展范围与海岸线范围重叠的情况，这个时候进行海洋数据测量就很难保证精准度，进而影响后续标图的绘制，因此必须要利用GPS 技术的定位功能来处理这一问题，避免填海区成为孤岛[6-7]。

4.2 数据采集延时及校正对策

通过对海洋深度测量的相关分析可以得知，想要更好地提高按测深与定位工作的整体效率与质量，往往需要加强对测深仪的改进与完善，而将GPS 技术融入到测深仪当中就是非常有效的创新手段，将两者有效结合，转变现有的连接方式，可以更好地解决数据采集延时的问题，确保各项测绘数据可以及时地传输出来，从而提高测深仪的整体运作效率。就目前实际情况来看，在进行海洋测绘数据采集时，考虑到测深仪与GPS 定位在具体运作时难以实现同步，导致最终获取的数据存在较大误差的这一情况，必须要及时进行修正，可以借助动态定位的方式进行数据测量，以保证测绘的真实准确，从而减少测绘地形地貌失真的情况发生，有效提高整体工作效率与质量。

4.3 坐标转换误差及校正对策

通常情况来看，在应用GPS 获取定位坐标的过程中，如果坐标转换模型出现问题，就有可能导致测绘数据的坐标形式与GPS 的定位存在较大差异，进而影响后续的海图绘制工作。因此，为了更好地完成海洋测绘，还必须要创新GPS 技术与坐标转变模型的融合机制，目前常见的坐标转换模型有两种类型，在具体的应用过程中需根据实际情况加以应用，比如：坐标转换时借助DGPS技术，可以更好地提升测绘水平，并实现坐标转换[8]。七参数模型的坐标转换表现出来的价值优势更为突出，其往往具有很高的精准性和严密性，能够大大提升海洋高程数据的精准度。但与此同时，在进行坐标转换的过程中，如果受到观测条件恶劣、观测时间不合理等的影响，也会导致坐标表现形式转换出现问题，因此必须加强重视坐标转变误差，及时采取有效措施进行控制，这样才能避免对海洋测绘数据的影响。

4.4 测量设备不足及解决对策

现阶段，GPS 技术与海洋测绘的结合离不开资金的支持，我国目前在海洋测量仪器设备的配置需取得了较大进步，但仍存在一定的不足，比如测量设备老旧、设施配置不全等，如果这些问题不加以有效处理，必然会影响GPS 技术的功能作用发挥，导致海洋测绘工作难以高效开展下去。因此，为了解决这一现状，务必要加大资金投入力度，根据海洋测绘需求进行测量设备的配置，积极引入先进的GPS测绘技术设备，不断提高海洋测绘工作的整体质量。

4.5 专业人才缺失及完善对策

海洋测绘工作由于其工作环境的特殊性，条件较为艰苦，各类大学在招生时较难招到比较优秀的学生进入测绘行业，很多本科甚至研究生院校的学生测绘专业基础不扎实，因坐标系的转换关系掌握不透彻，测量或放样时经常出现误差，比如：在建设新码头时进行填海造地，由于技术人员失误，颠倒了国家CGCS2000坐标系与当地80坐标系的转换关系，导致实际填海范围大大偏离了原批复海域，有些不得不进行拆除，造成了海洋资源的损失，极大地破坏了当地海洋环境。为了解决海洋测绘专业人才缺失的问题，一方面各高校注意人才的培养引导，另一方面必须注重生产与实践紧密结合，海洋管理部门可以尝试与高等院校在一些海洋测绘项目进行合作；除此之外，还需要不断完善测绘工作的相关制度条例，鼓励在岗人员积极学习新知识、了解新技术，努力提高自身的综合技能水平，这样才能更好地为海洋测绘工作贡献自身力量。

5 结语

总而言之，在新时期社会背景下，深入探讨海洋测绘中GPS 的运用现状与策略，具有非常深远的现实意义，尤其是对我国社会整体经济的发展有着极大的推动作用。因此，相关研究人员务必要提高重视，正确看待当前GPS 技术在海洋测绘中存在的问题，并积极采取有效措施加以改善，使该技术可以发挥更大的优势作用，提高海洋测绘工作水平，这样才能更好地为我国海洋强国建设奠定坚实基础。