日本海道测量发展历程.docx

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日本海道测量发展历程

2021年是日本海上保安厅海洋信息部（原水路部）成立150周年。

现在的海道测量作业，从水深数据的采集到测量原图的绘制完成都离不开计算机。

本文旨在对日本海上保安厅所开展的海道测量作业的计算机化进行介绍（主要围绕管区本部的测量活动），同时还将对相关的新型测量仪器进行简要说明。

1、计算机的广泛发展

回顾近二十年海道测量技术的发展，可以说最大的变化是调查数据的大容量化与作业的计算机化并行发展。

两者的关系如同一枚硬币的两面，缺少任何一面都无法说清楚当前的海道测量技术。

随着多波束测深仪的出现，海道测量由此前仅能测定正下方水深发展为条带测深，测量作业情况发生了巨大变化（如图1），相比以前可以获取100倍以上的数据。

而调查数据大幅增加的同时，也产生了必须修正由船舶摇摆造成的声波束方向变化的需要。

由于数据量达到了从前的100倍，噪音也变成了100倍，相应的数据处理工作量也随之大幅增加了，而这些大容量数据的处理工作通过人工作业来完成显然是不可能的。

此外，通过计算机化可以在船上直接将调查结果转化为图，并且可以实时掌握未测水域和浅水域的情况，调查效率也大大提高了。

图1测深仪的变迁

2、先进测量船

1983年，为配合测量船“拓洋”号的重新建造，第一次在测量船上搭载了深海用多波束测深仪（MBES）（美国通用仪器公司（现德州仪器）制造SEABEAM），实现了海道测量由线到面的发展。

由该测深仪和复合测距装置（台卡导航系统、罗兰C以及美国海军导航卫星系统NNSS）的位置数据计算出最适合的位置，将数据输出装置（日本S-VANS公司制造）与摇摆修正装置进行组装，对水深数据进行数字化处理，这样就由过去从记录纸中读取水深再记入到图中的手工作业时代，迈入了从水深数据采集到制图全部实现计算机化的时代。

此后，1986年在测量船“天洋”号（取代旧“天洋”和“平洋”）上搭载了浅海用MBES（美国通用仪器公司（现德州仪器）制造HYDROCHART），1990年在测量船“明洋”号（取代旧“明洋”）上配备了深海用MBES（美国通用仪器公司（现德州仪器）制造SEABEAM2000），1993年在“海洋”号测量船（取代旧“海洋”）上装备了深海用MBES（美国SEABEAM公司制造SEABEAM2000），1997年在“昭洋”号测量船（取代旧“昭洋”）上搭载了深海用MBES（美国SEABEAM公司制造SEABEAM2112），并且该型号的MBES之后在各测量船上广泛应用（测量船搭载MBES情况如表1所示）。

如果要描述计算机化的流程，应该是首先将由MBES采集到的水深数据通过安装在复合测距装置中的解析处理软件（由原水路部研发）进行处理，将其与位置数据进行匹配，同时消除噪音数据，再将这些数据作为网格数据通过绘图仪编制生成水深原始图（只标记水深的图）。

此外，“天洋”号测量船等中型船的搭载艇上搭载有水深测量自动采集处理装置（英国RACAL公司制造system900）（如图2和图3所示），通过与4通道回声测深仪（日本千本电机制造PDR501）、数字深度集成装置（日本千本电机制造DDR101）、数据采集部分以及海上高精度定位系统（美国DelNorte公司制造TRISPONDER）（如图4所示）等进行组合，可以与母船同样实现从水深数据采集到水深原始图绘制全部过程的计算机处理。

<第一代多波束回声测深仪>

型号

SEABEAM

Hydrochart

SEABEAM2000

SEABEAM2112

引进时间

拓洋（1983年建造）

天洋（1986年建造）

明洋（1990年建造）

海洋（1993年建造）

拓洋（1999年建造）

昭洋（1997年建造）

频率

12kHz

36kHz

12kHz

波束角

（2.67）°×（2.67）°

（5）°×（3.5~6.5）°

2°×2°

波束数

121

151

最大测量水深

11,000m

1,000m

11,000m

波束全角

42.6°

103°

120°

150°

覆盖区域（正下方）水深3.000m

约140m×140m

—————

约100m×100m

覆盖区域（正下方）水深300m

—————

约26m×18m

—————

表1MBES参数

图2搭载艇上的采集装置

图3母船上的处理装置

图4TRISPONDER

3、本部海道测量

如上所述，虽然海上保安厅的测量船从1983年开始逐步推动计算机化进程，但管区本部（日本海上保安厅将所辖水域划分为十一个海上保安管区，管区本部是各管区的机关部门）所属的测量船还是由各管区来制定相应的计算机化方案。

下面以笔者在第三管区的经验为主线来展开介绍。

1991年4月，第三管区海上保安本部水路部（现第三管区海上保安本部海洋信息部，下同）开始了沿岸防灾信息图的测量工作。

这项工作的目的是为了编制沿岸防灾信息图（描绘水深、地图数据、避难路径等防灾信息数据的图）（如图5和图6所示），该信息图需要包含地震灾害发生时始自海上的救援或是由陆地向海上进行避难所必需的信息。

但最初第三管区海上保安本部水路部仅知道是由水路部单独作业，在3处地点（每处地点两周时间）实施沿岸防灾信息图测量，并制作2幅沿岸防灾信息图（印刷外包），至于测量的方法以及图的比例尺、图幅等需要由第三管区海上保安本部水路部来考虑决定。

因此，水路部对该信息图所涵盖的区域、比例尺、纸张大小、图幅以及需要包含的信息类型等进行了认真研究，并针对这些内容向由外部专家等组成的委员会进行咨询，之后确定了最终方案（之后成为各管区沿岸防灾信息图绘制的样本）。

虽然一般的海图绘制工程是按照水深原始图、测量原图、编辑图（描绘了水深、海岸线等的手绘图）、海图原图这样的顺序依次进行的，但由于管区并没有足够的作业人员和时间，因此在考虑本次沿岸防灾信息图从水深测量到制图的整个工程时，决定以水深原始图为基础绘制编辑图，沿岸防灾信息图原稿制作及印刷进行外包这样一种方式。

这样，水深采集到水深原始图全部采用计算机化，剩下的手工作业仅是编辑图的绘制，大大提高了工作效率。

图5沿岸防灾信息图

图6防灾信息

为配合这一工作，1991年3月第三管区海上保安本部配备了新型20m型测量船“滨潮”。

该船船长21m，总重27吨，船速15节，是在以往15m型测量船的基础上进行大型化、高速化设计的成果。

船载测量仪器包括回声扫海仪（日本千本电机制造PDR601）（可输出数字水深值）、海上高精度定位系统（美国DelNorte公司制造TRISPONDER542）、水深自动采集处理装置（三洋海道测量公司制造DHS905）（如图7、图8和表2、表3所示）、超声波流速计（ADCP）等。

该测量船最大的特点是在船底装备了回声扫海仪4通道的声波收发器以及ADCP的声波收发器，海上高精度定位系统的主站天线平常就设置在桅杆上。

因此，在进行测深作业时测量仪器不需要再安装索具，同时由于船舶舷侧没有了振荡器（在管中安装声波收发器），测深作业时的船速将进一步提高，测深作业时间也得到大幅增加。

此外，测量船搭载的汽艇上装备有4通道声波扫海仪（日本千本电机制造PDR601）、数字深度集成装置（日本千本电机制造DDR101）、测深数据采集计算机、引导用监视器、海上高精度定位系统主站以及发电机，可以与母船同样实现计算机化。

这样从水深的采集到水深图的绘制完成，都可以在计算机上进行作业，对于管区的测量业务来说具有划时代的意义。

但是，新型测量船由于测深仪的收发器安装在船底也产生了一些问题，那就是用来校正声速的Bar-Check无法正常工作了。

以往是在管子的前端安装声波收发器，并装在船舶舷侧，这样就可以将Bar下放到声波收发器的正下方，现在收发器安装在船底，因此即便是从船舷处放下Bar如果水深不达到5m以上记录纸上便不会出现Bar的记录。

由于这个原因，管区本部决定利用管区内配布的声速计（外国制品）来进行声速校正，但由于内置电池老化，已经无法正常使用。

管区也曾经考虑更换电池，但由于必须送往外国更换，因此也放弃了这一想法。

这样，就由STD（测定盐分、水温及深度，CTD测定电气传导度、水温及深度）测定的数据来计算声速，进而用于水深修正。

此外，利用水深自动采集处理装置进行数据处理作业时，由于处理装置只有一台，所以还存在只能由一个人来进行数据处理的问题。

图7船上装置

图8陆上装置

另外，测距要求海上高精度定位系统的从站点沿着海岸线布局，这就需要利用经纬仪及光波测距仪通过前方交会或导线测量来确定从站的位置。

但在伊豆半岛，海岸会突然变成陡峭的崖壁，因此从站的位置确定作业非常困难。

经过一年多的辛苦作业后，在1991年末，海上保安厅水路部（现海上保安厅海洋信息部）引入了用于基准点测量的GPS（美国Trimble公司制造4000SE-K），从站位置确定作业便迅速借用了该仪器，这使相关作业变得轻松了许多。

但当时的卫星数量还比较少，日本附近达到足够的卫星数能够进行测距的时间段经常是在夜间，因此要在傍晚设置好相关仪器，到第二天早上收回，之后通过GPS测量计算专用的PC/AT互换机（日本NEC的PC-9801系列占主流）或是被称为DOS/V机的计算机进行计算，最后确定从站位置。

此后，上述方式与管区海道测量自动化系统（海上保安厅水路部将各管区水路部制定的各种计划和方案汇总并进行体系化，形成一个系统）被称为计算机化。

<软件参数>

输入功能：

位置信息●通过测距仪以1秒为间隔进行输入

水深●通过数字测深仪以1秒为间隔进行输入

方位●通过罗经以1秒为间隔进行输入

显示功能：

引导●可以显示航向引导以使测量船按照预定的测线航行

操作●可以通过触摸面板进行功能选择、设定值变更等操作

采集功能：

●所有信息存储在3.5英寸软盘、盒式磁盘等存储器中

输出功能：

位置数据的输出●在航行过程中通过绘图仪绘制航迹图

水深数据的输出●扫海过程中通过绘图仪绘制水深图

固定线信息输出●通过打印机打印出定期或任意固定线位置的各种信息

开发语言：

C语言、汇编语言

<硬件参数>

■计算机：

FC-9801A（80386+8038716MHz）

内存：

ROM1MBRAM4MB

■磁盘：

3.5英寸软盘×1

40M盒式磁盘×2

■显示器：

14英寸彩色高解析度（640×400）

触摸面板×1

■打印机：

用纸幅面10英寸

■绘图仪：

A1幅面笔式绘图仪

■输入数据：

机器名称

测距：

TRISPONDER（DDMU542）

水深：

PDR-601（千本电机4通道）

方位：

罗经

表2船上采集单元参数

<软件参数>

输入功能：

测量数据●测量船采集的数据通过3.5英寸软盘、盒式磁盘等传送至硬盘

潮位数据●通过键盘、软盘等输入

地图数据●通过数字化仪、软盘等输入

计算功能：

水深数据●计算声速、潮位、吃水修正

●计算求出位置信息相应的等深线

●进行水深图所需要的水深选择处理

编辑功能：

测量数据●利用鼠标、键盘对需要在显示器上显示平面图、断面图的地点信息进行编辑

线段数据●在显示器上利用鼠标对地图数据、等深线等进行更改、删除、追加等操作

输出功能：

地图数据●通过绘图仪制作航迹图、水深图

各种数据●通过打印机以表格形式输出

开发语言：

C语言、汇编语言

<硬件参数>

■计算机：

HP-9000345CH（6803050MHz）

内存：

16MB

■磁盘：

332MB硬盘×1

3.5英寸软盘×2

40M盒式磁盘×2

■磁带装置：

1/4英寸盒带

■显示器：

19英寸彩色高解析度1280×1024256色

■打印机：

用纸幅面15英寸

■绘图仪：

A1幅面笔式绘图仪

■数字化仪：

A0尺寸

表3陆上处理单元参数

4、通用软件的应用

20年前（1992年），日本海上保安厅水路部（现在的海洋信息部）普遍使用的计算机是NEC的PC9801系列，因此业务软件也大都是水路部利用同系列编程语言N88-Basic编绘的软件。

但之后IBM的PC/AT搭载了微软的Windows操作系统，从这开始日本国内的PC/AT数量急増，市面上基于Windows操作系统的软件也逐渐增多了。

1996年，为绘制测量原图（如图9）水路部引入了GIS（地理信息系统）软件（美国MicroImages公司TNTmips），并在所有管区推广应用该软件。

这一软件基于微软Windows操作系统，在计算机上将陆上数据（利用纸海图扫描的栅格数据或是由电子海图数据得到的矢量数据）、海上数据（灯浮标等）以及水深数据（测深数据编辑后得到的水深值）叠加后形成图层结构（如图10），制作成电子测量原图（通过GIS软件制成的测量原图称为电子测量原图）。

此外，水路部还于1997年引入了美国OceanographicTechnology公司的海道测量数据采集解析软件（HYPACK），同样在各管区推广使用。

该软件也是基于微软Windows操作系统，可以在测量作业过程中进行数据采集、解析（消除测深数据中的噪声等）并生成水深图（只表示水深值的图）。

引入时，利用计算机上的HYPACK软件对4通道单波束测深仪（回声扫海仪）及海上高精度定位系统的数字数据（水深数据及位置数据）进行处理。

图9电子测量原图制作流程

图10图层示意图

图11电子测量原图

这样，水路部利用1996、1997年引入的两个软件，于1998年开始试行电子测量原图制图作业，并于1999年修订了海道测量相关规则，此后便实现了从测深作业到电子测量原图绘制整个过程的计算机化（参见图12）。

图12由海道测量到电子海图的流程示意

5、与海道测量计算机化相对应的测量仪器

1994年引入浅海用多波束测深仪（美国RESON公司SEABAT9001型）（如图13-16，表4）。

这是一种小型轻便的多波束测深仪（MBES），可以利用小型船舶对浅水域进行测深作业。

但是，小型船舶还必须搭载测深声纳单元（台式计算机与声波收发器）、数据采集处理单元（台式计算机）、船舶摇晃传感器（对船体的上下摇、横摇和纵摇进行监测与计算，用于之后的水深修正）、磁罗经（可以读出测量船的航向）以及DGPS高精度定位仪（将基准站的GPS修正数据与测距用的电波信号重叠后传送至测量船，这种情况下不进行距离测定）等，从劳动量与收效之比来看并不一定是一种好的做法。

并且，使用的数据采集处理软件与HYPACK也不相对应，只能使用RESON公司的专用软件，用于比较验证的回声扫海仪的数据由HYPACK来采集，采集和解析需要使用不同的软件来完成。

图13MBES测深示意图

图14小型测量船上的仪器构成图

○主要参数

测深声纳SEABAT9001

·工作频率：

455KHz

·波束数：

60（1.5°×1.5°）

·发射波束幅度：

水平=100°、垂直1.5°

·接收波束幅度：

水平=1.5°、垂直15°

·测深幅度：

水深的2倍

·测深范围：

2.5～200m

·更新比率：

2～15次/秒（取决于测深范围）

·电源：

115/230VAC、50/60Hz、200W

数据采集处理SEABAT6042

·CPU：

486DX266MHz

·RAM：

16MBRAM

·HDD：

800MB

·扩展板：

1msec定时器板

RS232多串口卡

·电源：

115/230VAC、50/60Hz、200W

摇晃传感器TSS335B

·范围：

上下摇=±10m

横摇/纵摇=±50°

·分解力：

上下摇=1m

横摇/纵摇=±0.01°

·精度：

上下摇=5cm与5%中较大的一方

横摇/纵摇=±1°

·更新比率：

21次/秒

·电源：

20-30VDC、20W

磁罗经KVH103S

·精度：

±5°

·更新比率：

2～10次/秒

·电源：

12VDC、100mA

表4主要参数

图15测深声纳部分

图16数据采集处理部分

根据1998年度的补充预算案，第四、七、十一管区海上保安本部水路部（现海洋信息部）配备了20m型测量船，装备有以下测量数据采集装置：

·浅海用MBES：

美国RESON公司的SEABAT8101型，声波收发器安装在船底（如图17）。

·数据采集处理装置：

安装了海道测量数据采集解析软件（美国CoastalOceanographics公司HYPACK）的台式计算机。

·测量用DGPS接收机：

海上保安厅自1997年3月开始提供剑埼站和大王埼站两个GPS基准站的修正信息（通过中波无线电台发送），1999年4月开始提供来自全国27个台站、覆盖日本周边的修正信息。

因此，没有必要在地面设立用来引导测量船的基准点。

·船舶摇晃传感器、回声扫海仪：

为了与MBES数据进行比较、验证，而在船底安装声波收发器。

如上所述，通过将各种测量仪器固定设置在测量船上，可以大幅提高海道测量作业的效率。

此后，各种装备的配置情况如表5所示。

图17浅海用MBES声波收发器

表5浅海用MBES的配备情况

<浅海用多波束回声测深仪1>

型号

SEABAT9001

SEABAT8101

SEABAT8125

引进时间

保安厅（1994年）

昭洋机动测量艇（1997年）

第四、七、十一管区测量船

（1998年）

第三、五、十管区测量船

（1999年）

测量船JINBEI

频率

455kHz

240kHz

455kHz

波束角

1.5°×1.5°

0.5°×1.0°

波束数

101

240

最大测量水深

120m

450m

120m

波束全角

90°

150°

120°

覆盖区域（正下方）水深10m

0.25m×0.25m

0.1m×0.18m

<浅海用多波束回声测深仪2>

型号

SEABAT8101

SEABAT7101

EM3002S

引进时间

第六管区测量船（2002年）

第四、五、七、

十一管区测量船（2008年）

第三、十管区测量船（2009年）

频率

240kHz

293、300、307kHz

波束角

1.5°×1.5°

1.5°×1.8°

1.5°×1.5°

波束数

101

160

最大测量水深

450m

300m

波束全角

150°

130°

覆盖区域（正下方）水深10m

0.25m×0.25m

同样在1998年，还引入了GPS陀螺仪（法国Sercel公司NR230mkⅡ）。

在需要从罗经（导航仪）中获得测量船船首真方位数据，而又无法应对船首方位的突然变动时，就使用响应速度较快的GPS陀螺仪来代替罗经。

1999年，引入惯性GPS陀螺仪（英国TSS公司POS/MV型）。

该陀螺仪在GPS陀螺仪的基础上增加了惯性机能，一台这种陀螺仪集中了罗经、船舶摇晃传感器以及DGPS接收机等功能，依次搭载在装备有浅海用MBES的测量船上，截至目前（2012年3月），一直都在不断进行更新并继续使用。

1999年，第三、五、十管区海上保安本部水路部（现海洋信息部）的20m型测量船新配备了浅海用MBES（美国RESON公司SEABAT8101型：

表5）和惯性GPS陀螺仪（英国TSS公司POS/MV型），数据采集处理软件装备的是美国CoastalOceanographics（现HYPACK公司）生产的HYPACK。

2002年，第六管区海上保安本部海洋信息部为替代15m型测量船而配备了20m型测量船，装备了浅海用MBES（美国RESON公司SEABAT8101型）（如表2）和惯性GPS陀螺仪（英国ApplanixLLC公司POS/MV320型）。

此外，数据采集处理软件方面安装了美国CoastalOceanographics的HYPACK软件。

同年，第六管区海上保安本部海洋信息部引入了航空激光测深仪（加拿大Optech公司SHOLS-1000：

图18），并在广岛航空基地所属的中型飞机MA870“AKITAKA”上（图19）展开应用。

该航空激光测深仪利用海面反射近红外脉冲的激光与海底反射绿光脉冲的激光，由两者之间的时间差求出水深数据（如图20）。

另外，测量的水深可达到约40m（视海水的透明度而定）的位置，数据采集处理方面要利用专用的软件来处理。

航空激光测深的特点是可以获取陆地到海上的无缝数据。

图18航空激光测深仪

图19MA870“AKITAKA”

图20航空激光测深示意图

2007年，保安厅海洋信息部所属的中型测量船“海洋”和“明洋”的深海用MBES（SEABEAM2000型）更换成中深海用MBES（挪威KongesbergMaritime公司EM302型）（参照表6）。

之前保安厅的测量船也是利用不同的装置对位置、摇晃修正及船首方向进行测定，2007年也同管区测量船一样更换成GPS陀螺仪（挪威KongesbergSeatex公司Seapath200型）。

数据采集软件使用的是挪威KongesbergMaritime公司的SIS，处理软件是日本海洋先进技术研究所的MarineDiscovery以及美国HYPACK公司的HYPACK。

2008年，第四、五、七、十一管区海上保安本部海洋信息部20m型测量船的浅海用MBES（SEABAT8101型）更换成美国RESON公司的SEABAT8101（参照表5），惯性GPS陀螺仪也由英国TSS公司的POS/MV更新为加拿大Applanix公司的POS/MVWaveMaster。

数据采集处理软件使用的是美国HYPACK公司的HYPACK。

2009年，第三、十管区海上保安本部海洋信息部的20m型测量船使用的浅海用MBES（SEABAT8101型）更换成挪威KongesbergMaritime公司的EM3002S（参照表5），惯性GPS陀螺仪也由英国TSS公司的POS/MV型更换成挪威KongesbergSeatex公司的Seapath200型。

数据采集处理软件使用了美国HYPACK公司的HYPACK。

2010年，保安厅海洋信息部所属的大型测量船“拓洋”使用的深海用MBES（SEABEAM2112型）更换成挪威KongesbergMaritime公司的EM122（参照表6），同时为了满足浅海域的需求，还配备了同一公司的EM710S（参照表6）。

惯性GPS陀螺仪采用的是挪威KongesbergSeatex公司的Seapath200。

此外，数据采集软件使用的是挪威KongesbergMaritime公司的SIS，处理软件装载的是日本海洋先进技术研究所的MarineDiscovery。

以上围绕测深仪介绍了相关设备的引入情况，今后还计划对保安厅海洋信息部所属测量船“昭洋”、“天洋”及第六管区海上保安本部海洋信息部所属测量船“来岛”搭载的MBES进行更新。

表6保安厅所属测量船的第二代MBES

<第二代多波束回声测深仪>

型号

SEABEAM1180

EM302

EM122

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