海洋測繪在南極科考中的作用及實踐

從1984年起，我國已經進行了30多次南極科學考察活動，開展了海洋、氣象、冰雪、空間、遙感、生物生態、地質、地球物理和測繪等學科的考察與研究，在一些重點領域取得了突破性進展。

我國的南極科學考察事業起步較晚，但起點較高，已先後建立了「長城」「中山」「崑崙」「泰山」等考察站，近階段計劃在羅斯海西岸的維多利亞地附近建立第5個考察站，第29次至第33次南極考察隊連續5年開展了現場選址勘察工作。

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1中國南極科考站分布

一、需求

極地考察需要大量的物資、能源支持。極地考察船是具有破冰能力的綜合測量考察船，隨船搭載有極地考察和建站必需的工程機械、運輸工具和各種考察設備。南極大陸與其他大陸不僅相距遙遠，而且周圍還被數公里乃至數百公里的冰架和浮冰所環繞，周圍海洋中還漂浮著數以萬計的巨大冰山，給海上航行帶來了極大的困難和危險。

鑒於南極大陸附近海域的特殊性，開展海洋測繪存在諸多困難。目前，環南極水下地形資料極度缺乏，在極地海域，全球範圍內只有小比例尺海圖，尤其是南極沿岸大比例海圖資料接近空白。海圖資料大部分年代久遠，其精度和時效性都難以滿足人類日益頻繁的南極科考之需。

由於缺乏精確的海圖資料，大型科考船在靠近南極大陸作業以及對科考站進行補給時無法找到合適的錨泊水域，只能漂航，不但存在安全隱患，同時也增加了對岸運輸補給的作業難度和成本。以往，科考船經常利用攜帶的工作艇對考察站附近海域進行單波束測量，但無法完整地獲取精確的水下地形地貌情況，資料可靠性、系統性、測量效率都存在問題。南極科考亟須海洋測繪的支持。

二、考察過程

我國第31次南極科考於2014年10月30日啟程，執行「一船三站」任務。考察期間，考察隊全面完成了包括新站區域地質勘查、難言島周邊海域水下地形測繪等工作，於2015年4月10日返回上海極地科考碼頭，全程163天，航程3萬海里。作者代表東海航海保障中心全程參與了此次科考行動，執行難言島附近海域水下地形測繪任務。

極地科考是一項系統工程，現場情況瞬息萬變。考察隊從作業安全、物資補給、測艇操控、工作安排、測區劃定等方面給予了大量支持，確保了海洋測繪工作的順利實施。

⒈陸上工作

2014年12月26日，「雪龍」號考察船到達羅斯海難言島附近，登島後，考察隊員在原生態的南極陸地上工作一周多，利用極晝的有利條件，全天作業，按照國際性作業、環保標準，順利完成全部考察任務。

陸上主要工作是完成定位基準站和自動驗潮站的架設以及水準聯測等測前準備工作。定位基準站採用Trimble公司SPS852大地型接收機，用於提高定位精度，這也是多波束測量數據條帶拼接所必需的，因為南極地區沒有設置好的各種地面差分站，衛星差分系統在高緯度地區也無法使用。

自動驗潮站使用瑞士Keller DCX-22自容式潮位儀，數據更新率為每5分鐘記錄一個水位，數據解析度1cm，從12月27日中午安裝至1月5日下午撤離為止，共收集了難言島連續9天的水位數據。該數據將用於新站高程基準的確定及測深的水位改正、潮汐分析。

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2考察隊員在難言島進行水準聯測

⒉水上測量

根據考察隊的統一安排，水下測量小組隊員於2015年1月1日上午乘坐「黃河」艇返回「雪龍」號。返程中，領隊關注到「黃河」艇船用測深儀上的水深數據，難言島附近海域可能存在合適錨地，指示考察隊員優先對該海域進行全覆蓋掃測。

隨後，考察隊員使用測量小艇在難言島東側海域開展水下地形測量工作，艇底固定安裝Kongsberg公司EM2040淺水多波束，採用200kHz工作頻率等距模式。考察隊採用IXBlue公司HYDRINS光纖羅經和慣性導航系統進行定位和姿態補償，該系統能提供高精度實時坐標、航向、姿態和速度等；採用Hypack海洋測量軟體進行導航，多波束數據採集使用Kongsberg公司sis軟體，最終完成了12平方公裏海域的全覆蓋掃測。

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3測量小艇在難言島附近海域開展海洋測繪

⒊數據處理

自動驗潮儀採集的水位數據（儀器零點）如圖4所示，潮汐類型為不規則全日潮，經數據分析最高和最低水位差0.87m。通過潮位數據計算平均海平面（當地驗潮期平均海平面），通過人工驗潮比對，確定BM點的平均海平面高程，並通過水準聯測反算得到難言島水準原點高程。

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4難言島水位（儀器零點，2014.12.27～2015.01.05）

由於未獲得足夠長序列的水位數據，無法通過計算確定當地理論最低潮面，現場採用最低水位以下0.5m作為假設理論最低潮面。經查詢羅斯海水位歷史資料，附近有特拉諾瓦灣(-74.75, 164)和羅伯茨角(-77.032, 163.163)兩處水位站，水位時間序列分別達到119天和365天，經准調和分析證明，假設理論最低潮面是安全的。

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5測量區域與難言島位置關係

表1特拉諾瓦灣和羅伯茨角歷史水位8調和常數

多波束數據使用Caris Hips軟體，經涌浪數據和定位數據檢查、潮位改正、聲速改正、條帶拼接檢查、子區拼接檢查，數據質量良好。經與ODOM CV200型單波束測量的水深檢查線互相校對，互差符合海道測量規範要求，數據質量穩定可靠。錨地水深圖以準確數據證實了考察隊領隊關於存在合適錨地的猜想，2015年1月5日下午，「雪龍」號科考船在該海域順利拋錨。

⒋取得成果

本次極地科考測量，是我國首次採用專業海洋測量船舶，使用多波束測深系統、側掃聲吶系統等精密海道測量裝備，按照IHO-SP44標準（國際海道測量組織海道測量規範特級標準）對南極重點水域進行全覆蓋精密掃測。我國首次在南極發現適合大型科考船錨泊的水域，為科考船的航行安全及今後新站建設物資的運輸補給提供了有力的保障。

錨地水域水深在20～50m之間，海底地形相對較平坦，大部分海域底質為砂石，錨地水域為全日潮，風向主要為西北風，夏季無冰或少冰，可供大型科考船錨泊、避風。該錨地距離海岸線僅900m左右，能有效縮短人員與貨物的過駁轉運時間，提升貨物裝卸效率。

水位控制不僅適用于海道測量過程中的水位改正，而且是確立新建科考站高程基準的基礎，更是新站卸貨碼頭及站上所有工程建設的基礎。由於極地長期被冰蓋覆蓋，同時海岸線附近地形極其複雜，因此要在極地區域獲取高精度的水位數據尤其困難。本地測量的難言島附近海域無任何水文歷史資料，潮汐性質、變化範圍等重要數據均為空白。在本次科考測量過程中，雖然受限於人員數量少、作業時間緊張等不利因素影響，但測量人員仍在沿岸基岩上架設了高精度壓力式自動水位計，使用無人值守的自動水位計採集了連續9天的水位數據，獲取了當地潮汐性質等關鍵要素。這些寶貴的水文數據為後期測量數據綜合分析及今後新站建設奠定了重要的基礎。

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6錨地水深成果

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7錨地水深矩陣色彩

三、總結

本次南極海洋測繪是東海航海保障中心、中國極地研究中心聯合實施的《極地綜合航海保障研究與應用》項目的重要組成部分，針對新站建設選址附近海域水下地形有針對性地開展全覆蓋掃測。

若新站確定選址難言島，新錨地的發現將為新站的建設提供極大便利。即使新站選址附近其他位置，作為專業海洋測繪在南極開展工作的嘗試，本工程也能提供借鑒。

⑴極地事業是國家海洋事業的重要組成部分，加快我國極地考察能力建設對於落實海洋強國建設的戰略目標具有重大意義。伴隨全球氣候變化和國際政治經濟格局的新變化，南極戰略價值迅速上升，各國紛紛設立南極保護區，加緊南極立法，主張劃分外大陸架，強化對南極大陸和海洋的控制。我國亟須加強南極海域特別是建成站附近海域水下地形的測繪工作，獲取翔實的水下地形數據。

⑵極地特殊的氣候條件及後勤補給情況容易影響工作效率，所以在前期準備階段需全面考慮，關鍵設備需做好雙備份；開展工作期間的安全是重中之重，人員、船艇、環境、測量設備的安全，一旦發生意外難以施救，所以工作期間需要考察隊的氣象支持；南極沿海夏季（12月和1月）氣溫一般在-20℃～10℃，測量設備及電池等不需要特別考慮氣溫因素，但如果是長期觀測設備就必須考慮越冬期間極端氣溫的影響，還應考慮測量艇及設備的保存環境。

⑶南極大部分海域屬於高緯度地區，採用常規定位方式很難獲得高精度的定位數據，而多波束測量的水深數據質量高度依賴於高精度的定位數據，必須考慮RTK-DGPS模式；工作期間人員緊缺，現場氣候環境也不方便人工進行水位觀測，所以即使工作時間很短，自動驗潮儀也是最適當的工作模式；可先用單波束方式進行大範圍、低密度的測量，一旦發現有利水域，儘快開展多波束等方式的全覆蓋測量。

■作者/陳正偉 裴寧，來自東海航海保障中心上海海事測繪中心；文章來自《航海》（2018年第3期），參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有。

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