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海洋動態測量理論與方法 版權信息
- ISBN:9787030748706
- 條形碼:9787030748706 ; 978-7-03-074870-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
海洋動態測量理論與方法 本書特色
從測繪學科的視角,詳細地介紹有關海洋動態變化特征及其相關監測技術的*新研究成果和進展
海洋動態測量理論與方法 內容簡介
緊密圍繞海洋大地測量的任務和內容,系統全面地論述了現代海洋大地測量的新技術與數據處理方法。本書共9章,**章為緒論,介紹海洋基礎知識、海洋大地測量的發展史和基本內容;第二章介紹海洋大地測量的平面和垂直基準建立;第三章介紹衛星測高技術與海潮模型建立方法;第四~六章針對水深測量、水面和水下導航及海洋重力等問題,分別介紹了前沿觀測技術和數據處理方法;第七章介紹合成孔徑雷達內波測量;第八章介紹海洋GNSS氣象學;第九章介紹GNSS-R海洋遙感監測技術。
海洋動態測量理論與方法 目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 海洋動態變化特征 1
1.2 海洋動態測量內容 3
1.3 海洋動態測量方法 4
參考文獻 10
第2章 海洋空間基準 11
2.1 海洋空間基準研究概況 11
2.1.1 建立海洋空間基準的意義 11
2.1.2 海洋空間基準的研究現狀 14
2.2 海洋空間基準的定義 16
2.2.1 海洋動態大地測量基準的基本概念 16
2.2.2 海洋大地測量基準的研究內容 18
2.3 海洋空間基準的建立和維持 19
2.3.1 海洋測繪基準的現狀 19
2.3.2 深度基準面 20
2.3.3 確定深度基準面的準則 21
2.3.4 深度基準面的選擇 22
2.3.5 海圖基準面和要素高度(深度)的關系 26
2.3.6 海域無縫深度基準構建 26
2.4 陸;鶞式y一與轉換 29
2.4.1 局域似大地水準面構建 29
2.4.2 無縫深度基準與似大地水準面之間的統一與轉換 30
2.4.3 無縫深度基準與參考橢球基準之間的統一與轉換 32
2.4.4 海洋垂直基準間轉換的精度分析與評定 32
參考文獻 34
第3章 海洋導航定位 36
3.1 GNSS導航定位 36
3.1.1 GNSS導航定位基本原理 36
3.1.2 GNSS定位誤差分析 45
3.1.3 GNSS技術種類 53
3.1.4 GNSS海洋導航定位應用 56
3.2 水下聲學定位 60
3.2.1 水下聲學定位的基本原理和方法 60
3.2.2 水下聲學定位的誤差分析與精度評定 63
3.2.3 水下聲學定位的應用 65
3.3 慣性導航 68
3.3.1 慣性導航基本原理 68
3.3.2 捷聯式慣性導航系統的解算 69
3.3.3 捷聯式慣性導航系統誤差方程 72
參考文獻 75
第4章 機載激光測深技術 77
4.1 概述 77
4.2 機載激光測深技術現狀 78
4.3 機載激光測深技術基礎 81
4.3.1 機載激光測深系統 81
4.3.2 機載激光測深原理 84
4.4 機載激光測深數據處理 90
4.4.1 激光數據預處理 91
4.4.2 波形數據處理與目標探測 94
4.4.3 點云數據空間位置解算 109
4.4.4 機載藍綠激光水下地形探測實驗結果 115
4.5 機載激光測深技術展望 123
參考文獻 124
第5章 極化SAR技術及濱海濕地測量應用 127
5.1 極化SAR測量原理 127
5.1.1 極化數據的表征 127
5.1.2 目標散射特性的極化分解 133
5.1.3 極化SAR圖像相干斑濾波 146
5.2 多特征交叉迭代極化SAR相干斑雙邊濾波 154
5.2.1 交叉迭代雙邊濾波 154
5.2.2 多特征交叉迭代極化SAR雙邊濾波 156
5.2.3 濱海灘涂區域實驗結果與分析 159
5.3 面向對象RF-SFS算法的極化散射特征集優化與分類 168
5.3.1 隨機森林模型 168
5.3.2 基于RF-SFS的特征集優化 172
5.3.3 面向對象RF-SFS分類算法 174
5.3.4 濱海開發帶生態用地分類結果與分析 176
5.4 融合極化散射特征與光譜特征的濱海開發帶生態用地分類 183
5.4.1 特征參數提取 183
5.4.2 融合極化散射特征與光譜特征的分類方法 187
5.4.3 研究區概況及實驗數據 189
5.4.4 實驗結果與分析 192
參考文獻 202
第6章 海洋重力測量 206
6.1 引言 206
6.2 海洋重力測量方法 207
6.3 船載重力測量 211
6.4 航空重力測量 213
6.5 衛星重力測量 219
6.5.1 GRACE衛星重力測量 220
6.5.2 GOCE衛星重力測量 223
6.6 海洋重力數據處理及應用 227
6.6.1 海洋重力數據預處理 227
6.6.2 海洋重力異!229
6.6.3 海洋重力數據的應用 229
參考文獻 242
第7章 衛星測高技術與海潮模型的建立 246
7.1 概況 246
7.1.1 國內外研究現狀 246
7.1.2 衛星測高基本原理 249
7.2 衛星測高誤差改正 256
7.2.1 海況偏差改正 256
7.2.2 大氣傳播效應校正 258
7.3 海潮模型的確定 261
7.3.1 引言 261
7.3.2 海潮模型的建立 262
7.3.3 潮汐混疊 264
7.3.4 基于衛星測高技術的正壓海潮模型 265
7.3.5 斜壓潮 266
7.3.6 未來展望 268
參考文獻 270
第8章 GNSS監測海潮負荷位移 271
8.1 概述 271
8.2 負荷潮汐基本理論 272
8.2.1 SNREI地球運動方程 272
8.2.2 點質量負荷的邊界條件 273
8.2.3 Boussinesq平面負荷近似 274
8.2.4 海潮負荷效應計算方法 274
8.3 GNSS測量海潮負荷位移方法 277
8.3.1 靜態法測量海潮負荷位移 277
8.3.2 動態法測量海潮負荷位移 279
8.4 動態法測量海潮負荷位移的質量控制 280
8.4.1 GNSS數據處理策略 280
8.4.2 基于改進測站非線性運動模型的粗差剔除算法 281
8.4.3 先驗海潮負荷位移改正所處參考框架的影響 286
8.4.4 動態PPP過程噪聲優化 289
8.5 利用海潮負荷位移探測中國東海軟流層的滯彈性頻散效應 297
8.5.1 海潮負荷位移測定值與模型值的比較 298
8.5.2 海潮模型誤差對海潮負荷位移的影響 299
8.5.3 彈性負荷格林函數差異對海潮負荷位移的影響 301
8.5.4 中國東海軟流層的滯彈性頻散效應 302
參考文獻 304
第9章 GNSS-R海洋遙感監測技術 308
9.1 引言 308
9.2 GNSS-R海洋遙感原理 309
9.2.1 海面反射幾何關系 309
9.2.2 反射面反射點位置的估計 310
9.2.3 反射信號延遲和多普勒 311
9.2.4 雙基雷達散射 313
9.3 GNSS-R遙感監測平臺 315
9.3.1 地基GNSS-R 315
9.3.2 星基GNSS-R 316
9.4 GNSS-R海洋風場監測 322
9.5 GNSS-R海洋測高技術 324
9.5.1 地基GNSS雙天線海面測高 324
9.5.2 空基海面測高 328
9.5.3 星載海面測高 330
9.6 GNSS-IR近岸海洋遙感 332
9.6.1 GNSS-IR近海岸潮位監測原理 332
9.6.2 GNSS-IR近海岸潮位監測實例 335
參考文獻 341
海洋動態測量理論與方法 節選
第1章 緒論 1.1 海洋動態變化特征 海洋系統具有范圍廣、變化快、復雜度高的特點,這決定了海洋本身是一個多樣、動態且相互關聯的龐大體系。海洋動態變化特征主要包括:海面地形起伏變化、天體引力作用下的海水周期性變化、海水流速變化、氣候變化造成的海面風速變化、海流運動造成的海洋渦旋、風浪引起的海面粗糙度變化和全球海洋動力循環等海洋物理變化;氣候造成的海面溫鹽度變化和海洋酸度變化等海洋化學變化;海洋環境造成的海洋微生物變化、全球碳循環造成的海洋生物遷徙等海洋生態變化。這些海洋動態變化因素獨立存在卻又相互影響,彼此之間相互聯系,共同構成了海洋系統的變化特征。 海面地形起伏變化是*為直觀的海洋動態變化,海面起伏是海面地形的表現形式,海面地形是指平均海水面相對于大地水準面的傾斜,它是一個用來描述海面穩態動力起伏的概念。同時,平均海水面可視為無干擾的穩態海水面,平均海水面相對于大地水準面的起伏被稱為穩態海面地形,簡稱海面地形。海面地形資料不僅能用于研究海洋大地水準面,還能用于深海潮汐、洋流等動力學現象的研究。海面地形變化受多種因素的影響,例如,海洋水文因素、海水密度、大氣壓力等都會引起海面地形高程差異。其中,海水密度差異是造成海面地形高程差異的主要因素。 氣候變化和天體引力作用不僅會造成海面地形起伏變化和潮汐運動,還會引起海水非周期性流動。海流是海洋中發生的一種大范圍相對穩定速度的非周期性流動,“大范圍”是指海流的空間尺度大,可在幾千千米甚至全球范圍內流動。而“相對穩定”是指海流的路徑、速率和方向在季度、年際尺度甚至更長的時間內保持一致。海流可以分解為兩個主要成分:地轉流與非地轉流。受地球自轉偏向力作用而形成的表面海流稱為地轉流,這是一種*基本的海水流動形式,地轉流是海面地形壓強梯度力和科氏力平衡的產物;非地轉流主要來源于海水深層的摩擦效應,但地轉流一般是海流各個分量中的主要分量。同時,人們在研究海流的過程中,按照溫度特性,會將海流分為暖流和寒流。海流形成的原因有很多,主要可以歸納為風海流和密度流兩種主要類型。其中,風海流是指受風力驅動形成的海流,由于海水運動中黏滯性對動量的消耗,這種流動隨深度的增大而減弱,直至小到可以忽略,其所涉及的深度通常只有幾百米,相對于幾千米深的大洋而言只是一個薄層;密度流是指不同海域海水的不同溫度和鹽度使海水密度產生差異,從而引起海水水位的差異,在海水密度不同的兩個海域之間產生了海面的傾斜,造成海水流動,這樣形成的海流便稱為密度流。 在廣闊無垠的海洋中,除了大尺度洋流外,還存在著許多中尺度渦旋(又稱天氣式海洋渦旋)。中尺度渦旋是指海洋中直徑為100~300km、壽命為2~10個月的渦旋,相比于肉眼可見的渦旋,中尺度渦旋的直徑更大、壽命更長。中尺度渦旋在海洋動力學,以及海水熱、鹽、動量、水團及其他化學物質的輸送過程中起著重要的作用。大型中尺度渦旋在熱帶地區非常明顯,它們一般連續地在海洋中傳播。研究表明,它們主要是由平均環流不穩定性產生的。在渦流的生命周期中,它們表現出明顯的快速增長階段、穩定的成熟階段和快速的衰減階段,如果按其持續時間進行歸一化處理,這些階段具有明顯的穩定性和對稱性。 氣象環境的變化不僅會引起海水流速的動態變化,海面粗糙度在一定程度上也會受到其影響。海面粗糙度是反映海洋表面粗糙程度的物理量,它主要描述了微小尺度上的海面起伏情況。同時,海面粗糙度的變化在較大程度上表征了海洋與大氣之間的能量傳輸過程,因此海面粗糙度的提取對于物理海洋方面的研究具有非常重要的意義。海面粗糙度*開始被認為是依賴于風速的,通過量綱分析可以計算出海面粗糙度與風速之間的關系。近年來,大量實驗表明海面粗糙度與風浪的狀態有關,風吹過海面傳遞給海水動量從而產生波浪,而風浪又反過來影響大氣流動。不同發展程度的風浪具有不同的結構,這使得海面流場及動量交換產生顯著變化。目前,常用來表征海面粗糙度與風浪狀態之間關系的物理量有兩個:①風浪波齡。隨著風浪波齡增加,海面粗糙度降低。②風浪波陡。由于海面粗糙度與風浪波面特征量的關系,海面粗糙度與風浪波陡對數形式之間存在線性關系(葛蘇放等,2012)。 類似于海面粗糙度是描述海洋表面平整程度的物理量,海溫是反映海水熱狀況的物理量,也是表征海洋水文狀況的重要因素之一。作為一個多世紀以來海洋學家研究*為成熟的海洋物理因子,海溫與全球變暖之間存在*為直接的相互影響關系。全球變暖對于海洋的影響首先體現在海溫的升高;而由于海溫對全球變暖的敏感性,可以通過實時監測海溫的變化以及通過積累的歷史資料總結海溫變化的規律,進而科學地判斷全球變暖的發展趨勢。海水鹽度同樣在全球水循環和大洋環流中扮演重要角色,同時也是全球氣候變化的重要指標之一。海洋表面的降水、蒸發、河流徑流和海冰的形成與融化都會對海洋表面鹽度產生影響,這些鹽度變化通過海水垂直運動被傳輸至深海,通過對流和擴散影響到其他區域,繼而在不同水體之間產生溶鹽量差,*終影響海洋動力循環和全球氣候變化。目前利用ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)全球海洋觀測網可以獲取全球高精度的海溫、海鹽實測數據,而基于土壤水分和海洋鹽度(soil moisture and ocean salinity,SMOS)衛星等遙感衛星技術可以實現全球海洋無間斷全覆蓋的海洋鹽度觀測(張海峰,2014)。 除了上述動態變化特征以外,海洋系統還包括其他動態變化特征。例如,月球和太陽引力作用下所形成的潮汐現象、受海底地形影響的海面重力場變化、地球板殼運動所造成的海底地形的變化以及受海水光譜吸收和散射特征影響的海色變化等。 1.2 海洋動態測量內容 按照學科建設的目標任務,現代海洋測繪學通常圍繞以下幾個方面開展深入研究:①海洋測量基準。主要任務包括:建立高精度、連續、動態海洋大地(包括海底)、垂直重力、磁力等測量基準;建立與維持陸海統一的海洋(含海岸、海島礁與海底)大地控制網;構建海域重力異常模型,精化海洋大地水準面,建立海面地形、平均海面和深度基準面模型,并建立海陸無縫垂直基準。②海洋導航定位。主要任務包括:研制海岸、海面、水下等動態測量平臺;實現高精度無線電導航定位、衛星導航定位及長基線、短基線、超短基線聲學導航定位等。③海洋探測。主要任務包括:研究聲吶、激光、可見光、雷達等測量與成像技術;測量高分辨率海岸地形、海底地形地貌、地質構造、海洋重力磁力等要素;研究數據與圖像精細化處理理論和方法。④海洋測繪產品制作。主要任務包括:海圖等測繪系列產品設計和制作;海洋測繪信息化生產體系構建;數字海圖、電子航海圖技術與產品高性能按需快速服務;海洋測繪產品國家標準化、國際標準化。⑤海洋地理信息工程。主要任務包括:海洋測繪數據庫建立;多用途海洋地理信息系統研制、海洋測繪信息網絡化服務。⑥海洋測繪裝備。主要任務包括:星載、機載、船載、車載和水下有人/無人探測平臺、設備、測量系統及數據處理軟件研制;海洋測繪數據管理、制作分發與信息應用服務等軟硬件系統的研制和開發(趙建虎,2007;趙建虎等,2017a)。 在現有人力資源和技術力量的基礎上,我國以衛星遙感、航空遙感和地面監測為數據采集的主要手段,實現了對近岸及其他開發活動海域的實時監測;并建立了一個穩定、高效運行的國家海域動態監測管理系統,確保社會公眾能及時了解我國海域使用管理政策和海洋開發現狀,促進海洋開發的合理有序、海域資源的可持續利用和海洋經濟的健康發展(徐文斌,2009)。 (1)海洋大地測量。研究建立海洋大地控制網點、確定地球形狀和大小及其動態變化、研究海面地形與變化的理論與技術。海洋動態測量的基本任務包括:①建立海洋大地控制網,確定平面和垂直基準體系與維持框架,為實現高精度的海洋動態導航定位提供陸海統一的基準;②測定平均海面、海面地形和大地水準面等觀測要素,為船艦精確導航、海洋資源開發、海洋劃界、海洋工程設計施工以及研究海底、海面空間形態及其時空變化規律等研究領域提供基礎數據(申家雙等,2021;海軍海洋測繪研究所和中國海軍百科全書編審委員會,2014)。主要內容包括建立海洋大地控制網,實施控制測量(建立海洋測量平面與高程控制、加密?攸c),海洋(海岸、水面、水下)高精度定位,測定平均海面、海面地形和海洋大地水準面等,為海洋測量定位、艦船精確導航、海洋劃界、海洋工程設計與施工提供控制基礎,并為研究地球形狀提供基礎數據(測繪學名詞審定委員會,2020)。 (2)海洋控制測量。在海洋大地控制網(點)基礎上加密測定海洋控制點的平面位置和高程,以此為海岸地形、海底地形、助航標志測定以及海洋工程測量等提供平面控制和高程控制基礎。海洋控制點按照平面控制精度可分為一、二級控制點,其點位分布方式應滿足海岸帶、海底地形等專業測量要求。 (3)海面動態定位。通過光學定位、無線電定位、衛星定位和聲學定位等方法實現在近海岸區域確定水面載體的位置。而在離海岸較遠的區域則采用衛星定位、聲學定位和無線電定位系統來進行水面載體定位(徐衛明等,2014)。 (4)水下動態定位。主要通過船載慣性導航系統、水聲定位系統以及組合定位系統確定水下運載體的位置。 (5)平均海面的測定。一般在沿海設立驗潮站,測定該站每小時的水位,由此計算出日、月、年和多年平均海面。平均海面是利用某地一定時間內每小時的海面高度來求算術平均值,故又稱平均海水面。多年平均海水面的計算是通過18.6a(潮汐天文周期)或更長時間的連續觀測資料來計算的。 (6)海面地形的測定。近海岸海面地形通常是采用幾何水準法進行測定,深遠海海面地形則通常采用海洋水準測量法來測定。開闊海域的海面地形也可以通過衛星測高方法確定,該方法是利用多年衛星測高數據解算的平均海平面和大地水準面求解得到的。 (7)海洋大地水準面的測定。綜合利用地面和空間大地測量技術來確定海洋大地水準面。地面大地測量技術包括重力測量、天文大地測量、衛星導航定位、水準測量等測量技術。空間大地測量技術則包括衛星測高、衛星激光測距、衛星重力測量等技術手段。 1.3 海洋動態測量方法 海洋動態測量是人類認識海洋、了解海洋的重要手段,是進行海洋測繪信息獲取、處理和應用三元體系任務的前提。海洋動態測量的基本任務是獲取多要素、高精度、多時態的海洋基礎信息,并按照相關規范要求對數據進行質量控制與標準化處理,生成海洋測量成果(或圖件),為編制各類海圖、編寫航海資料提供基礎信息。同時,在此基礎上為海洋航行、海洋發展、海洋工程、海洋研究和海岸帶管理提供支撐服務(Bekiashev and Serebriakov,1981;申家雙等,2018)。 海洋動態測量是對海洋、江河湖泊以及與其毗鄰的陸地地理空間要素進行測定和描述的綜合型測量任務。同時,海洋測量學還與海洋學、航海學、地質學等多個學科存在聯系,特別是與海圖制圖學和海洋地理信息工程技術關系*為密切。按照海洋動態測量學科的定義,其測量對象包括海洋、江河湖泊及其毗鄰陸地,是各種自然要素、人工要素與人文要素等組成的綜合體。其中,自然要素通常包括海岸線、岸灘地形、海面地形、海底水深地形與底質類型、海洋重磁場、海洋潮汐、海水溫度、海水鹽度、海水密度、海洋洋流、海面波浪、海底泥沙、海水水色、海洋冰川、海水透明度等。人工要素包括在海洋中進行人工建設、人為設置或改造形成的要素,如海岸的港口設施、海洋中搭建的各種平臺、航行標志、人為設置的障礙物和專門設置的海洋界限(如禁航區、港界、行政界線)等。人文要素不僅包括海洋上的通信、交通、運輸、補給和一些社會情況,還包括海洋政治、海洋經濟、人口、民族、宗教、歷史、景觀等要素(翟國君和黃謨濤,2017;翟國君等,2012)。 海洋動態測量從傳統的海洋大地測量發展至今,除了進行基礎海洋信息獲取外也擴展出了更多種類的海上測量方式,如海洋重
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