深海“慧眼”如何看穿海底？上海海洋大学沈蔚教授揭秘海洋测绘的现状与未来

深海探索，不仅需要向下钻探的这种触角，也需要看清海底模样的眼睛。钻探是探取深部的实践样本，精准测绘可以绘制广袤海底的一个空间的地图。

1月31日，我们邀请到沈蔚教授，带领我们走进海洋测绘的世界。沈教授是上海海洋大学教授，博士生导师，同时担任上海河口海洋测绘工程技术研究中心常务副主任等职务，他长期专注于海洋测绘领域，主要研究方向包括水下地形地貌探测，海洋遥感与水声探测等，在国内海洋测绘领域具有较高声誉。近年来，沈教授主持了多项重大海洋调查和工程勘测项目，发表了SCI论文二十余篇，并取得了一系列专利与软件著作权等成果。本文根据讲座内容整理而成。

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海洋测绘背景

谈及海洋，人们往往首先想到的是其辽阔无垠的海面与繁多的海洋生物。然而，海洋的吸引力远不止于此。在海洋的深处，隐藏着深不可测的海沟、绵延起伏的海岭、平坦广阔的海底平原、曲折蜿蜒的海底峡谷，甚至还有喷涌着岩浆的火山。沈教授的工作主要就是对这样的丰富的海底地形和地貌进行精准的探测。

我们首先明确一个概念：海底地形是海水覆盖下的固体地球表面形态总称，分为大陆边缘，大洋中脊和大洋盆地三大单元，简单来说地形是海底高低的起伏。那么海底的地貌是什么？它有泥、土、石和藻类等等。三个大类的单元下分了许多二级单元，狭长且陡峭、深度极大的沟槽被称为海沟，而绵延起伏的海底高地则被命名为海岭，平坦且开阔的海底区域，则被统称为海底平原。总的来说，整个大海底的地形和地貌是很复杂的，海底的地形高低起伏，随便拉一个断面就能看出水深从几米可能迅速降到几千米。

我们通常需要使用测绘的手段来获取地形。测绘是海洋的测量和制图的总称，包括对数据的获取和对数据的展示。其任务是对海洋、江河湖泊及临近的陆地进行测量和调查，获取海洋的基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设，海洋开发和海洋研究服务。从概念看出海洋测绘包括了内陆江河湖泊的水深测量，两个方向都包括在海洋测绘里，我们国家并没有把内陆和海洋区分出来。

海洋测绘的工作内容包括定位、大地测量、水深地形测绘、海底的地貌底质、海洋工程和重力磁力等，其中重点的是水深和地形。地形测量是通过水深测量来实现的，船只在水面上测大量的水深点就可以把一个海底的起伏形态表达出来。它的意义体现在许多方面，在经济活动方面中，大量的海底数据可以支撑海上的交通和海上的工程施工；在政治军事活动中，如东海的划界和第一第二岛链的突破；比如在海底的科学研究里，也需要大量这样的数据进行海洋基础学科的研究。

地形决定了海洋研究的一个边界，如果连边界条件都不知道的话是无法开展工作的。所谓海洋科学的研究，无论是海底的地质研究，还是物理海洋的风浪流，它都有一个边界条件就是海底的地形。海洋测绘是一项重要的基础性的先行的战略性的工作，任何的海上活动都离不开测绘信息的支持，它是国家经济社会发展和国防建设的一个基石。

那怎么去获取数据？首先是航空航天的平台例如天上的卫星和飞机；水面的舰船比如大型的远洋科考船、近海的小船、包括现在普遍使用的无人船和水下有各种潜器（包括无人和载人）。

在目前获取庞大的海洋数据方面，我们遇到了很多问题，比如有测不了的问题。到目前为止，通过我们这种实测的手段测得的数据不到30%，可能只有27%。大量的海底地形没有实测是因为难度太大和效率太低。第二个问题是测不准，一万多米水深主要靠声学进行测量，声波在传递的过程中受到海洋的温度和盐度等各种因素的干扰，他的传播路径是弯曲的，在不同的水层有不同的表现，最终的结果就是测得不准。目前声学测量的规范要求精度是1%，也就是在一万米的时候测出来的精度是±100米的误差。此外，目前卫星的重力反演测量手段的精度可以达到5%，也就是一万米能做到500米的测量的精度。除此之外还有效率的问题，我们使用船的效率太低了，测得的数据太少（每小时船速通常18-20km），由此可以预见未来几十年也测不完。大量的声学数据或者遥感数据，比如声呐每秒钟就是几兆的信息传输，每天要测得几十G的数据。利用人工互动（传统手段）对信息进行处理的效率非常低，一天采集的数据要处理好几天。

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方法：以“淞航”号为例

今天我们以我校科考船淞航号为例给大家做一个分享。淞航号总长85米，型宽15米，型深8.7米，吃水深度5~6米，船大概有四五层，总吨位有3166吨，采用全回转的直叶桨电力推进，它的螺旋桨在尾部可以灵活的转动，并且有无限航区，巡航速度12节，最高速度15节，续航力是10000海里。自持力60天左右。如果一个航次超过60天，那么它中途需要补给一下。定员59人，里边配备了200多平米的实验室条件，分为干实验室和湿实验室。我们这是一条渔业调查能力很强的科考船，所以也兼具科考的任务，其中包含渔业科考的设施，也包括住舱，目前科考学生是双人间，老师或船员是单人间，伙食条件也很好。

整个科考的体系分了八大科考系统，第一个叫海底探测系统，是做地形的，是主要的一个系统，包括万米单波束，深水的多波束和万米的浅地层剖面仪等。除此之外还有关于地球物理的一些调查，包括重力仪，磁力仪等。还有专门做水体的调查，主要是CTD的采水器，声速剖面仪等。还有一些辅助的甲板设备系统、遥感大气和实验网络系统等等。

为了获得海底准确的地形数据，首先要准确定位。知道每时每刻船的位置不是一个简单的事情，全球建了大概有四个全球卫星定位系统，我们平时用到的美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略卫星导航系统等。我国的北斗卫星导航系统也已经投入到了一个实用阶段，技术上也非常领先。基于这样的一个卫星定位系统，科考船上的定位精度可以做到水平3厘米和垂直6厘米，同时包括对船的姿态的准确测量。由于船在三个轴上每时每刻都在晃动，所以需要实时收集数据进行精确地测算海底的地形和地貌。

最关键的是设备的安装，水下发声的设备我们称它为换能器，它可以把电能转换成声音，船底下安装了一个导流罩，导流罩里边装了很多声学的换能器。在示意图中可以看到多波束系统是一个7000米级的一个多波束，是康斯伯格（Kongsberg）旗下的EM302。它在导流罩里的位置，竖直方向是发射阵，垂直方向是接收阵，以及浅地层剖面仪的位置都在里面。

在导流罩里的换能器的尺寸很大，多波束的换能器是3米乘3米，但这是一个7千米量程的一个多波束。万米级的多波束尺寸基本上在5米乘5米，还有浅剖的一些基本的参数，包括用到的频率，生源级等。多波束和浅地层剖面仪的主机我们称为收发机。能准确地跟踪声线的传播需要测量声速抛面和表面声速，我们称之表面声速仪和声速剖面仪，有的时候我们还通过温盐深（CTD）测量来间接地获得声速的一个剖面数据。

声速剖面测量在大洋科考阶段不能停船开展，因为停船的时候，测一次几千米的深度方面要花好几个小时，效率太低会增多成本，所以我们会用到这种抛弃式的XCTD（抛弃式温盐深仪）来获得水面到水底的温盐深数据，并计算声线剖面数据。抛弃式的XCTD效率还可以，但是不安全，风浪很大的时候在甲板上抛就很危险，所以我们首创了自动式的抛投装置，像左轮手枪一样一次可以装12个弹，可以在指定时间和地点进行人工控制，人可以坐在舱里看着屏幕，摁一下按钮设备就可以自动抛下水。这种设备的使用频率很高，通常两个小时就要抛一次去测量声速剖面，整个过程基本上实现了全自动化的数据采集。所以在科考中的数据采集工作，基本上是坐在实验室里边，喝着茶，偶尔抬个头看一下屏幕就行了，有问题的时候它会报警告诉你有问题了再来处理。

我们获取的数据是海底的一个一个的点，颜色表示水深，红色代表浅，蓝色代表深，通过制图可以直观的看到哪里高、哪里低、哪里是火山、哪里是海沟等等。浅地层剖面仪的数据通过解译解算可以绘制成出地貌，它可以告诉你哪里是礁石、哪里是泥、哪里是沙等等。

除此之外我们还开展了地球物理的调查，利用重力和磁力等物理性质来开展地球一些关键参数的获取。国产的一个重力仪（ZL11-1A型）包括惯性测量单元和双轴的稳定平台，它可以被放在船上、飞机上、甚至放到卫星上。它获取了地球上某个区域的重力的异常值，重力的数据可以表达出地球内部的一些特性，像中医一样，可以间接地通过重力和磁力的测量来看地球内部的一些特性，这样我们可以直观地了解全球的重力分布或者重力异常，为找矿和轨道航行器提供服务。

此外，还有一个常见的测量是磁力的调查，通过磁力仪拖在船尾来获取航迹线上的磁场的强度值（异常值），它可以显示出什么东西有磁性。比如有很多金属的沉船在海底下，或金属的管道或者电缆都有很强的磁场信息，通过磁性的测量可以很容易的识别探测出沉船的位置、海底的埋藏的管道和电缆等等。同时，获取全球的磁场信息为我们的科学研究提供了基本的数据，例如拓老师提到大洋中脊年代比较新，通过磁场发现它的磁场强度强，而快消亡的地壳的磁场强度弱。

为了支撑这些科考工作，我们使用了很多辅助的设施，其中最典型的就是甲板的绞车，它可以吊放设施。尤其在风浪很大的时候，潜器的收放是很困难的一个事情，通过绞车就可以解决收放设备的问题。船上还有通讯的一些设施，在最早期时科考最苦恼的是上不了网，60天在船上不能上网是非常难受的事情，但现在的科考船能保证你24小时都有网络，随时可以和家人微信聊天和视频。

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挑战与创新

刚才我们讲的是传统的基于声学的手段来获取海底的地形地貌，由于效率比较低，船一个小时才开十几公里，一天也就开个三四百公里。目前国际上有一个叫“海床2030”的项目，它们计划在2030年把海底的地形都绘制出来，但是目前才测了27%，按照年增长2%左右那就是到2030年也就刚过30%，那其它还没测的地方怎么办？

目前对于这种没有实测的海底地形主要是基于卫星的重力测量来反演地形。早期是通过直接测重力，重力再反演地形，现在发明了高精度宽频带的测高卫星之后，目前主流的手段是基于卫星测高数据的海底地形反演来获得深海没有实测的地形。大概的原理是通过天上的卫星来获得海表面的高度，海表面的高度由重力决定，我们都知道水往低处流，如果重力值不等水会流动，水一旦静止下来说明它的重力是相等的，就可以通过水面高度的变化来推算出它的重力面在哪里。科学家们发现重力以及重力异常和海底的地形起伏是有关系的，海底的山川起伏又决定了重力的一些异常，进而把可以反演出海底的地形，这是目前全球测深的一个主要的补充手段。

在10年前卫星反演测深的精度很差，从最初的2千米到后来的1千米精度，现在可以做到500米。经常有新闻说，某科学家把海底的地形的探测精度提高到了很高的量级，原来只发现2万座海山但现在发现了4万座，然后有一次发现了10万座，这证明我们探测的精度在不断地提高，可以探测出以前未知的海山。船载的数据也会参与到卫星数据的解算，基于多元的数据来解算全球海底的一个地形，目前精度是5%左右，未来可以达到更高。

船离海底离得越远精度就会越低，离得近了之后的精度会提高。所以我们怎样才能抵近测量？这就需要各种平台载器，目前水下的运载器或水下机器人大体上分为有缆和无缆两种。有缆是后边跟着一根电缆，通讯供电都通过电缆传输，我们需要在六千米或者一万米拖一个缆下去，缆很长，一是可能很重占地很大，二是拖着它很难在水下进行运动，有可能会缠绕等，所以主流的都是无缆的潜器。无缆潜器目前比较多的AUV（无缆自制水下运载器），还有一种Glider滑翔机，滑翔机主要是实现从海面到海底全方位获取海洋的各种要素。

AUV是现在水下探测和测绘的主要手段，各国都在竞相发展。前几年马航370飞机失事后，当时国际上好多组织和国家在寻找但是都没有找到它，十年后这家公司（Ocean Infinity）又重启了探索计划，公司和马来西亚的交通部签了合同，他们约定找到再付钱，找不到不付钱，说明它有足够的信心能找到。公司拿出的一套解决方案就是用无人船配合水下的运载器来开展海底的目标的探测。

在未来，我们通过无人化智能化的平台开展海底的地形测绘肯定是主流的方式。因为靠人去探测的效率低，并且人的身体受不了高强度的工作。海量的数据需要很多智能的算法，我们的团队也一直在做数据处理的算法，通过大量点云的滤波算法来快速地获取海底的地形，因为获取的地形数据包括很多噪音，无论是水体里的鱼群的或者海底的一些植被都需要自动地把它给过滤掉，以此获得我们想要的海底地形数据。原来我们处理一天的采集数据可能需要三天，但是随着智能化程度的越来越高，几分钟的时间就可以初步地处理完，效率会大大提高。

最后，我展望一下未来发展的趋势，海底测绘的目标是从抽样的测绘到全球的覆盖，但现在只能做到局部的测量，或者以点带面并没有完全地覆盖。那未来我们的目标是要做到全球的覆盖，那它可能会出现一些革命性的方法，包括今天我们来到这研究院看到的量子探测技术在未来可能会解决这种快速高效的获取海底地形的工作。在模式方面，从有人主导的模式逐渐会过渡到无人智能的时代，海洋研究的劳动强度会大大降低。由人出海的话，一是危险，二是大家年轻人可能不愿意出海。那未来的这种调查以无人化智能化为主，大家还是挺轻松的，所以也不用惧怕海洋的风浪。在技术方面，从单一的传感器到多元融合的一个发展，我们单一的手段可能无法全面地准确地获取水下的信息，天上的卫星、飞机，水面的舰船，水下的潜器潜标等，还有各种数据包括几何或物理的数据可以融合在一起，可以提高探测的精度和效率。

最后我打一个广告，欢迎有兴趣的同学报考上海海洋大学，谢谢大家！

内容整理：卷毛