海洋测量技术的产生和发展，首先源于人类海上活动的需求。早期的航海活动，对航线上的水深和影响航行的相关水文气象要素提出了迫切的需求，催生了海道测量萌芽。如1405—1433年，郑和七下西洋，依靠简单的测量器具，开始了上述要素的测量，结合对近岸陆地导航参照物和地形的写意式表示，编制了郑和航海图，基本保证了船队的海上出行需要。葡萄牙人于1487—1488年到达非洲最南端的好望角，西班牙人哥伦布于1492年跨越大西洋，踏上美洲的土地，麦哲伦在1519—1572年真正完成了环球航行。这一系列标志性的古代航海活动不断强化着对相关地理和海洋要素的需求，也通过开展零星的海上测量和调查活动，推动着海洋测量技术的发展。对海洋测量发展进步起到最大推动作用的是英国的海洋考察活动。1768—1779年，在Cook船长的带领下，英国科考队进行了三次远洋考察。1768年的第一次考察，船队到达了新西兰和澳大利亚，测量了新西兰沿岸的水深，发现了澳大利亚东部的大堡礁；1778—1779年的第三次科考，在太平洋海域发现诸多岛礁。此后，主要的海洋强国相继组织了海上考察，设计和制造了各种观测和分析的仪器。1925—1927年，德国科考船“流星”号在南大西洋测量和记录了海底地形。

水下地形测量技术发展至今，出现了船载、机载、星载等多种平台下的现代化技术手段，但不管采用何种技术手段，水下地形测量的内容主要包括定位测量、水深测量和水位控制三部分。

1.定位测量

所谓定位测量是指测深过程中对载体瞬时位置的确定，对于目前常用的船载测量方式，水上定位就是实时获取测船的平面位置。

早期载体的定位手段主要有光学定位和陆基无线电定位，存在精度差、操作繁琐等问题，难以满足现代工程实际需求，大部分方法几乎停用。近年来，随着技术的革新与飞速发展，特别是GNSS技术的突飞猛进与水声定位技术的发展，海洋定位技术取得了突破性的进展，测量载体也不再是单一的测量船，新增了飞机、无人机和水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等。目前广泛使用的定位技术有GNSS差分定位、精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）和水声定位等。下面简要介绍各种海洋定位导航手段与方法。

海上光学定位与陆上定位的原理和方法相同，以交会法为主，即通常所用的前方交会法、后方交会法等，在20世纪六七十年代广泛应用。

无线电定位包括陆基无线电定位和空基无线电定位两种。陆基无线电定位由20世纪初发展起来，系统的主要部分是地面导航台，该方法具有作用距离远和全天候连续定位等特点，作用距离可由几十千米到上千千米，其基本原理主要是测量距离定位和测量距离差定位，通过在陆上设立若干个无线电发（反）射台（称为岸台），测量无线电波传播的距离或距离差来确定运动的船台相对于岸台的位置。如海用微波测距仪是沿岸海区海上定位的主要仪器之一，作用距离为几十公里，测距精度为1～2m；更远距离的定位则采用各种不同原理的无线电定位系统，其精度也有所不同，如罗兰C、奥米加等（梁开龙，1995）。

卫星导航定位技术是空基无线电定位最具代表性的技术之一，兴起于20世纪70年代，是目前海上定位使用最广泛、最有效的技术手段。GPS单点定位由于受到的影响因素众多，如卫星星历误差、电离层折射误差和多路径效应等，其定位精度在5～20m，不适合高精度定位导航需求，因此GPS差分技术应运而生，并在实际工程中广泛应用。我国沿海早期GPS差分形式有信标差分和GPS RTK技术。信标差分是指我国的沿海无线电指向标——差分全球定位系统（Radio Beacon-Differential Global Position System，RBNDGPS），是中国海事局于1995—2000年组织建立的覆盖我国沿海海域并由20个航海无线电指向标构成的助航系统，其原理本质上是利用无线电信标播发伪距差分（RTD）改正信息从而实现实时动态差分定位，其定位精度在1m左右。GPS RTK称为载波相位实时动态差分定位技术，定位精度在厘米级，但这种技术的作用距离有限，一般为15km左右，故常用于近岸水下地形测量作业中。卫星导航技术发展的广度和深度均在增加，目前全球除GPS外，还有中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略等卫星导航系统，由一支独大的GPS发展成为群星璀璨的GNSS，差分技术也由单基站差分发展到网络RTK技术，单点定位技术也出现了精密单点定位技术。网络RTK技术是利用多个基准站构成一个基准站网，然后借助广域差分GNSS和具有多个基准站的局域差分GNSS中的基本原理和方法来消除或减弱各种GNSS测量误差对流动站的影响，从而达到增加流动站与基准站间的距离和提高定位精度的目的。与常规RTK相比，该方法具有覆盖面广、定位精度高、可靠性强、可实时提供厘米级定位等优点；而精密单点定位技术则利用精密卫星轨道和卫星钟差数据，对单台GNSS接收机所采集的相位观测值进行定位解算，其实时定位精度可达到分米甚至厘米级（李征航等，2005）。由于其不受基准站距离的限制，在海洋测绘中有巨大的应用潜力。

水声定位也是一种在海洋测量中常见的定位技术。18世纪初，法国及瑞士科学家首次精确地测量了水中声速，使得水声定位技术开始应用。在第一次世界大战中，水声定位技术在军事领域崭露头角。第二次世界大战及战后年代，水声定位技术作为重要的军事定位手段受到了各国的重视并得以全面发展，各项理论和技术逐渐成熟。其基本原理是利用声学信号的发射和接收进行测距或测向来确定水下声标（或应答器）与固定在船体下或水中载体中的换能器之间的相对位置关系，确定其中任意一项（换能器或应答器）的绝对位置后，即可获取另一项的绝对坐标。常见的水声定位技术有长基线（Long Baseline，LBL）、短基线（Short Baseline，SBL）和超短基线（Ultra Short Baseline，USBL）定位技术。通常采用GNSS与水声定位的组合方式为水下目标进行定位，例如潜水员水下作业和水下考古，ROV（水下遥控机器人）和AUV（水下自治机器人）水下定位导航。

2.水深测量

水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的。早期测深是靠测深杆和测深锤（图1-1）完成的，效率低下。1913年，美国科学家R.A.Fessenden发明了回声测深仪，其探测距离可达3.7km；1918年，法国物理学家Paul Langevin利用压电效应原理发明了夹心式发射换能器，它由晶体和钢组成，实现了对水下远距离目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学并发明了声呐。进入20世纪70年代，多波束测深系统兴起，并随着数字化计算机技术的飞速发展，逐渐出现了高精度、高效率、自动化、数字化的现代多波束测深系统，测深模式实现了从点到线、从线到面的飞跃。下面简要介绍各种测深的手段和方法。

图1-1　测深杆与测深锤

单波束测深属于“线”状测量。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的剖面线（即地形断面）。根据频段个数，单波束测深仪分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频段的信号，仪器轻便，而双频测深仪可发射高频、低频信号，利用其特点可测量出水面至水底表面与硬地层面的距离差，从而获得水底淤泥层的厚度（图1-2）。

就单频单波束测深而言，假设换能器吃水为d，声波在水中的传播速度为c、传播时间为t，则测得的水深值为：

同理，通过双频测深仪测得的两个水深值H和D便可求出淤泥等软质层的厚度：

多波束测深属于“面”状测量。它能一次给出与航迹线相垂直的平面内成百上千个测深点的水深值，所以它能准确、高效地测量出沿航迹线一定宽度（3～12倍水深）内水下目标的大小、形状和高低变化（赵建虎，2007）。与单波束相比，其系统组成和水深数据处理过程更为复杂。除多波束测深仪本身外，还需外部辅助设备包括姿态仪、电罗经、表层声速仪、声速剖面仪和GNSS定位仪等（图1-3）来提供瞬时的位置、姿态、航向、声速等信息。

(www.daowen.com)

图1-2　双频单波束测深原理图

侧扫声呐常用于水下地貌的调查，提供水底表面声学图像，一般不提供水深测量的功能。但近年来，出现了一种高分辨率测深侧扫声呐，在得到水底地貌图像的同时，也可得到水深信息（赵建虎，2007）。

此外，机载激光测深系统也可用于水下地形测量，具有低成本、高效率的特点。机载激光测深是机载激光雷达测量技术在海洋测绘方面的应用之一，其基本原理是利用红绿激光在海水中的传播特性来计算海水的深度（图1-4）。该技术兴起于20世纪80年代，以美国和德国为首，1993年德国研制出首个商用机载雷达测深系统TopScan，推动了机载雷达测量技术在各行业的普及与应用。机载激光测深技术对大范围、沿岸岛礁海区、不可进入地区、水草覆盖区域地形的快速获取具有明显优势，缺陷在于对水质要求较高，且探测深度有限。目前，该系统常用于浅海海底地形的探测或海岸侵蚀的动态监测（张小红，2003）。

3.水位控制

瞬时水深受水位变化的影响，必须移除其影响以得到稳态的水深。水位控制就是通过在测区周围布设合适的水位站，采用满足精度要求的技术手段观测水位的变化（沿海称为验潮），采用合适的水位改正（或潮位改正、潮汐改正）模型计算每个点测深瞬间的水位值。沿海通常建有长期验潮站，根据工程需要，还可自行建立短期水位站或临时水位站。水位站布设的密度应能控制全测区的水位变化。常用的水位观测方法主要有自动观测、人工观测和GNSS测高确定水面高程等方法。

图1-3　多波束测深系统组成示意图（多波束技术组，1999）

图1-4　机载激光测深示意图

自动观测指采用仪器自动记录水位数据，这样的仪器一般称为验潮仪或水位计，长期验潮站通常采用自动观测的模式。考虑到成本问题，且工程上对验潮时间需求比较短的特点，实际测量时可选择人工观测，采用设立水尺或标尺进行人工读数的方式。GNSS测高确定水面高程是一种精度高、效率快的方法，也归属于自动观测，其利用了GNSS高精度测量的优势，如GPS RTK技术实现近岸厘米级水面高程数据的获取。

水深测量是一个过程，对水深数据在不同垂直基准面上的归化可得到不同的产品，以满足不同部门的需要，主要有水下地形图、海图两种表达方式。水下地形图的形式一般要求测点归化到高程基准上，而海图通常要求测点归化到深度基准面上。深度基准面的确定既要考虑船舶航行的安全，又要考虑航道或水域水深资源的利用效率。不同的国家或地区根据其海洋潮汐性质或者习惯采用不同的深度基准面确定方法，甚至同一国家的不同历史时期都可能采用不同的算法来计算和维持深度基准面的数值。深度基准面只有标定到平均海面或其他固定参考系才有意义。一般来说，潮差越大，深度基准面与平均海面的差距值越大，其位置越低。国际上常用的深度基准面有最低天文潮面、平均大潮低潮面、最低大潮低潮面、平均低潮面、理论最低潮面等，我国则采用理论最低潮面作为深度基准面。通过确定陆地高程基准和深度基准面的高度差，就可实现测深数据在不同基准之间的转换，海洋测深基本空间结构如图1-5所示。

图1-5　海洋测深基本空间结构示意图（刘雁春，2003）

水下地形测量作为人类开发和利用海洋、江河、湖泊的“先头兵”，是一项基础而又极其重要的工作，其作用也非常广泛：

（1）为研究地球的形状、水下地质构造、大洋勘探等地球科学的研究提供基础信息；

（2）为各种不同的海洋工程开发提供服务，如港口建设、海洋资源勘探与开发、海底管道、航运与航道、渔业捕捞、水下考古等；

（3）为编制海图、绘制水下地形图以及构建水下三维可视化模型提供基础数据；

（4）为建设海洋强国和加强国防建设提供重要保障。