DGPS技术在海域使用现状调查中的应用研究

汤三钦福建省水产研究所，福建厦门 361013

DGPS技术在海域使用现状调查中的应用研究

汤三钦
福建省水产研究所，福建厦门 361013

海域使用现状反映了海域使用的权属、位置、类型、使用金征缴等基础信息，对指导制定海域使用规划和制度，保护与合理开发利用海域资源与环境，强化海洋综合管理具有重要的现实和历史意义。本文介绍DGPS技术的原理及发展趋势，结合福建省908专项诏安湾海域使用现状调查实施，分析研究了DGPS技术在海域使用现状测量定位实施中的方法与步骤，总结归纳了其在海上测量定位的方式方法及应注意的问题，提出DGPS技术在今后海域使用管理中的应用前景。

海域使用现状；DGPS；海上定位

1 DGPS技术的原理及发展趋势

海洋测绘是研究海洋定位，测定海洋大地水准面和平均面、海底和海面地形、海洋重力、磁力、海洋环境等自然和社会信息的地理分布及编制各种海图的理论和技术。随着测绘科学与测绘新技术的发展，海洋测绘的技术水平也得到迅速的提高，进入了以数字式测量为主体、以计算机技术为支撑、以3S技术为代表的现代海洋测绘新阶段。GPS具有全球覆盖、全天候、实时、高精度提供定位服务的特点，极大地提高了海洋测量中各种测量载体和遥测设备的定位精度和工作效率，特别是适用于不同范围的单基准站常规差分GPS（DGPS）站、多基准站的无线电差分GPS（RBN/DGPS）网以及广域差分GPS（WAFGPS）网的建立，将使在江河湖海中航行或进行水域测量的任何船只都能实时获得米级甚至亚米级的定位精度。GPS RTK技术的应用更是为滨海断面测量、滩涂测量和水下地形测量提供了极为有效的定位方法和厘米级的精度。

GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。随着GSP技术的逐步发展和完善，GPS在测量领域中的应用从最初的静态观测模式，逐步拓展到GPS的实时差分模式（Real-time kine-matic Global Position System，简称DGPS），实现了实时、快速获取点位坐标。由于DGPS系统具有高精度、高效率、全天候、成本低和高度灵活性等优势，正发展成为一种常规的测量手段，成为海洋测绘的主要测量生产技术。根据DGPS系统基准站传送差分信息的内容和方式的不同，可分为坐标差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、准载波相位差分和载波相位差分等五类。

伪距差分DGPS定位法是目前应用最广的一种差分定位法。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机。用户DGPS接收机则利用该改正数改正由于SA政策、星历误差及其电离层折射等误差所造成的影响。伪距改正数、伪距变化率改正数以及基准站的DGPS有关参数信息构成RTCM（无线电技术海事服务委员会）格式，通过无线电通讯（数据通讯）方式发送并被DGPS用户所接收。DGPS用户则利用该改正数修正误差以提高定位精度，这种差分，能得到亚米级定位精度。伪距差分又可分为自设基准站的短距离无线电SR-DGPS（Short Rang DGPS）、沿海无线电指向标站RBN-DGPS（Radio Beacon Navi-gation DGPS）、广域差分WADGPS（WideArea DGPS）系统等[1]。

图1 伪距差分DGPS技术原理图

伪距差分的优点：一是伪距改正数是直接在WGS-84坐标系上进行，无须坐标转换，就能达到很高的精度。二是改正数能提供伪距改正值及伪距变率，使得在未得到改正数的空隙内，继续进行精度定位，达到了RTCM- 0104 所制定的标准。三是能提供所有卫星的改正数，用户可允许接收任意4颗卫星进行改正，不必担心所要求两者卫星完全相同（见图1）。其缺点是随着用户到信标台站距离的增加而出现系统误差，即用户和信标台站的距离对精度具有决定性影响。

2 DGPS技术在海域使用现状调查中的应用

福建省908专项海域使用现状调查是福建省908专项四大调查之一，旨在查清福建省海域使用现状，掌握海域使用权属、位置、类型、使用金征缴等基础信息，建立完整的海籍台帐体系，为有关部门提供完整的福建省海域使用现状基础信息。DGPS技术广泛应用于908专项海域使用现状调查项目用海界址的测量定位，是其海上定位不可缺少的手段。

908 专项海域使用现状调查的测量采用解析法，即根据实测数据解算出界址点的点位坐标和用海面积。一般采用GPS定位法、交会法和测距仪、经纬仪或全站仪极坐标定位法进行施测；标称准确度要求达到亚米级。由于GPS的特点和优势，在908专项实施过程主要采用伪距差分GPS定位法（简称DGPS）或载波相位差分定位法（简称RTK）。在精度满足《海域使用现状调查技术规程》[2]要求的条件下，因DGPS操作较RTK简单、方便，DGPS应用较为广泛，而RTK只有在精度要求较高，或海域使用权属存在争议的情况下测量才应用。海域使用现状调查的内容主要为宗海的位置、界址、权属、面积、用途、用海年限等基本情况、海域使用与海洋功能区划的一致性以及海域使用金征收情况等。除了按测量规范规定方法执行外，海域使用宗海的位置、界址和面积的确定还需根据不同用海类型、用海方式界定。海域使用现状调查定位测量作业系统主要由DGPS、计算机及相关软件等组成，该测量作业分四步进行，现结合福建省908专项诏安湾海域使用现状调查的实施，对DGPS技术在海上测量定位中的应用做分析与研究。

2.1 测前的准备

2.1.1 资料准备

调查测量前，主要搜集调查海域相关的基础资料，包括：已有的大比例尺地形图、海图及最近2年内分辨率不低于1m或2.5m的卫星影像资料；经过初审的海域使用申报材料；现有的海域使用海籍资料；当地海洋功能区划和海域使用规划；测绘控制点资料等相关资料。搜集资料应尽量齐全、有效，特别要注意搜集能反映用海项目位置、边界的坐标文件或文字说明。通过资料搜集与准备，从而制定测量总体方案，确定测量对象、范围、方位等。

2.1.2 仪器准备

为保证调查数据的准确性和可靠性，DGPS等测量仪器应具有有效的《制造计量器具许可证》，设备的检定校准证书应在有效期内。在调查航次出发前，应将拟用仪器同测绘控制点或标准仪器进行航次比对，计算比对结果和精度，填写比对登记表。比对结果不符合精度要求的仪器，不允许携带到现场开展外业调查。

开展诏安湾调查的仪器主要是美国Trimble系列的Geo XT DGPS，均具有有效的《制造计量器具许可证》，检定校准证书在有效期内。该仪器在实时差分情况下均能到达亚米级，满足“所测海域离岸20km以内，测量误差优于±1m”的测量要求。Geo XT DGPS机型为较新机型，体积较小，使用及携带均较为方便，整合了SBAS和EVEREST多路径技术，在需要与Beacon连接达到亚米级要求时，可采用无线蓝牙技术，省去电缆线的不便。该机的测量软件Terrastync为固化在手持机中，出现意外重置后不必重新安装外业测量软件。

2.1.3 人员准备

海域使用调查工作环节多，情况复杂，因此要求各类人员配备齐全且分工明确。在908海域使用现状调查过程中，每个调查小组每个一般由4个人组成，具体包括有：指界1人、测量1人、填表及记录1人、司机1人。调查测量人员必须持证上岗，掌握测绘和海域使用调查相关知识。一般情况下测量单位对当地海域情况了解不全面，需要当地海洋行政主管部门和熟悉当地海况的群众配合完成。

2.1.4 其它准备

海上测量定位受海洋潮汐的影响十分明显，故应根据测量实施方案做好出海前的后勤保障、安全防卫等准备工作，如测量船只租用、了解当地海洋天气预报、掌握海湾的潮汐规律等工作。特别强调的是，如果进行滩涂或底播养殖用海测量，应事先做好用海拐点处的插杆工作，等涨潮海水环境允许情况下乘船测量。

2.2 现场调查测量

2.2.1 宗海平面和垂向界址界定原则

在应用DGPS进行实地测量时，应根据本宗海使用现状资料、最终设计方案、相邻宗海的权属与界址资料以及所在海域的基础地理信息，按照有关规定，确定宗海界址界定的事实依据。对于界线模糊且不能提供确切设计方案的开放式用海，按相关设计标准的要求确定其界址的界定依据。同时，按照海域使用分类相关规定，确定本宗海的海域使用一级和二级类型，判定宗海内部存在的用海方式。

对于一般性平面用海，应综合宗海内部各单元所占的范围，以全部用海的最外围界线确定宗海的平面界址；底播养殖等用海，应根据项目用海占用水面、水体、海床和底土的实际情况，界定宗海的垂向使用范围。

2.2.2 中央子午线和坐标系的选择

在掌上电脑中新建文件时，要注意中央子午线的选择设置，应根据诏安湾地理位置选择当地适合的117度中央子午线。DGPS直接测量的坐标属于WGS-84世界大地坐标系，符合《海域使用现状调查技术规程》[2]的要求。但目前海洋功能区划、一些工程用海普遍采用1954北京坐标系或1980西安坐标系，因此在数据处理与成果绘制的时候存在不同坐标系转换的问题。

2.2.3 海岸线的界定与测量

多数情况下宗海可能会占用一定的海岸线，因此在现场测量中要对宗海使用的海岸线进行界定。2006年5月26日福建省人大通过的<<福建省海域使用管理条例>>规定：“海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线”。2008年福建省在大规模修测的基础上，重新确定了海岸线及其长度。但是海岸线的特征多样、性质复杂，加之受比例尺大小、测量仪器准确性、测量方法和环境的影响，福建省公布的海岸线与实际使用的海岸线有所差异。因此在海域使用现状调查需要进行实地的海岸线修测，并将修测的结果与诏安湾原有的岸线进行比对与修正。

2.2.4 界址线和界址点的认定

界址线原则上必须由本宗海或海域使用人及相邻宗海或海域使用人到现场共同指界。法人代表或户主不能亲自出席指界的，可以委托代理人指界，并出具本人和代理人的身份证明及委托书；某宗由两个以上海域使用者共同使用的海，应共同委托代表指界，并出具委托书及身份证明；经双方认定的界址，必须由双方指界人在海籍普查表上签字盖章；宗海有两个以上海域使用者时，要查清各自使用部分和共同使用部分的界线；所有界址要按规定在宗海草图上标明，界址点应按海籍图图幅统一编号[2]。

2.2.5 界址点的测量

界址点测量是指对宗海或海域使用位置、界线和面积等进行的勘测工作；是在海域使用权人现场指界的基础上，依据海域使用类型界址线界定标准，准确界定用海项目实际界址（走向、拐点位置等）的前提下，采用DGPS定位的方法进行界址点测量，并现场将界址点和界址线准确标绘到调查底图上，进行海域使用权人、图斑编号等有关内容的注记。

界址测量的具体实施应按《海域使用面积测量规范》（HY070-2003）[3]执行；测量结果应在现场记录于海域使用界址点测量记录表上。

2.3 测量数据处理与面积计算

2.3.1 测量数据处理

按有关规范、技术设计及时对测量数据资料进行全面检查、审核。分析界址点数据质量是否符合要求；分析拐点数、测量船航迹是否与布设方案一致，其偏离程序是否在允许范围之内。检验原始数据，剔除粗大误差；数据编辑、合成和分解；形成拐点数据文件，由软件自动连接成界址链。未按施测方案进行测量，造成缺测、漏测；或观测数据不符合有关规定的，应及时补测或重测。对需补测或重测的点或段，应分析具体原因，避免重蹈覆辙。

2.3.2 不同坐标的转换

由于现场实测数据与海洋行政主管部门提供的海籍资料、卫星遥感数据及其它资料存在不同的坐标系统，在数据处理中经常要进行坐标转换，包括坐标系转换和基准转换。所谓坐标系转换就是在相同参考基准下不同的坐标表达形式之间的转换，基准转换是指在不同的参考基准（包括参考椭球的参数椭球在空间的定位定向等）之间的转换。

在海域使用测量实务中，相同参考基准的坐标系转换常用COORD等软件进行。在相同的椭球基准下，大地坐标与平面直角坐标的转换采用投影变换的方法。我国通常采用高斯投影，同时必须指定中央子午线进行展开。不同的参考椭球参数和不同的定位定向方法构成不同的参考坐标系，不同基准下的坐标转换方法很多，最常见的模型是布尔沙模型，常用的七参数和三参数法转换法。

2.3.3 海域使用面积计算

对于近岸的某宗用海，通过DGPS测量获得以m为单位的每一个界址点的x，y坐标，则用坐标解析法计算宗海面积，对于有n点界址点的一宗海，面积计算公式为：

式中：

S为宗海面积（m2）；

xi，yi为第i个界址点坐标（m）。

解析法计算面积必须独立两次计算进行检核。采用计算机辅助成图时，可直接用软件中的面积与长度量算功能计算面积与岸线长度，填写面积与长度量算成果表。[2]

根据数据信息统计，应用此方法进行计算，结果表明：诏安湾已利用海域733宗、面积9 668.65hm2，占诏安湾海域总面积211.28km2[4]的45.76%。其一级用海类型有渔业用海、交通运输用海、工矿用海、特殊用海与其他用海等5种。其中，渔业用海680宗、面积7 537.05hm2，占已利用海域面积的77.95%；工矿用海39宗、面积2 044.95hm2，占21.15%；交通运输用海、特殊用海和其他用海规模很小，所占比例很少（表1）。

表1 诏安湾各种用海类型海域使用面积表

2.4 成果绘制

2.4.1 地理底图

诏安湾海域使用现状调查的工作底图以最新地形图或海图，结合漳州市最新修订的大比例尺海洋功能区划图进行经技术处理，其中海岸线采用908专项最新修测的大陆和海岛海岸线。

2.4.2 比例尺及分幅

诏安湾海域使用现状调查图的比例尺1：25000，图幅采用自由分幅。

2.4.3 图式图例

图式图例依据《海域使用现状调查技术规程》和《我国近海海洋综合调查要素分类代码和图例图式标准》执行，符号库采用国家海洋信息中心统一编制ARCMAP制图符图符号库插件。

2.4.4 成果图件格式

采用计算机制图，在ARCGIS9.3平台运行与制作，数据格式采用ArcGIS shapfile格式。

2.4.5 坐标系与高程基准

坐标系采用WGS84，高程基准采用85国家高程基准，投影采用高斯-克吕格投影，深度基准采用理论深度基准面。

2.4.6 绘制海域使用现状图

在经历测前的准备、现场调查测量、测量数据处理与面积计算的基础上，根据以上的要求，在计算机辅助制图平台下绘制出福建省诏安湾海域使用现状图（图2）。

图2 福建省诏安湾海域使用现状图

3 应用总结

1 ）海上测量与陆域测量不同，海上测量更多地受当时环境的影响，例如受潮、汐、风、浪、船只横摇摆角度等影响。在进行海上测量时，海上风力一般不大于5级风，海浪一般不大于中浪，测量船只的横摇摆角度应小于10°。在海上测量之前，应特别关注施测海域的潮汐规律和海洋天气预报，以保证测量人员和仪器的安全，提高界址定位的准确度，保障整个测量方案的顺利进行；

2 ）现场界址点的测量和界定，应先根据已审批的宗海图、搜集的海籍资料、遥感影像图及实际情况制定测量方案与计划，然后进行实地考察和测量定位。对于无法直接测量获得的界址点坐标，应注意标注，并进行外业估测和内业推算，在海域使用现状测量中标志点是很重要的；

3 ）各地海域使用情况复杂，存在界址不清、权属不明、互相插花的海域。因此对于重点海域应采用资料搜集与现场调查相结合、大面与重点区域相结合、地面调查与遥感调查相结合的方法，本着“尊重历史，注重现实” 和“复杂问题简单化、简单问题细致化”的原则进行界定。同时，可利用高分辨率的遥感影像，经过严格的几何校正到与DGPS测量结果相同的坐标系，将实际测量成果与遥感影像进行校核，对海域使用现状进行完善，提高工作效率，避免漏测与重测；

4 ）已确权并进行核查的用海项目的底图应以已审批的宗海图作为工作底图，实际测量采用的坐标系及采用的已知点坐标系需与宗海图一致，若不一至，应通过坐标转换将实际测量资料与宗海图坐标系统一，以便于对测量结果的判定。测量结果重点应核实项目用海界址是否变动以及是否按批准用海范围建设，并将实际用海与批准用海界址和面积比较分析；

5 ）进行测量时，DGPS开机后应检查有关指示灯与仪表显示，正常后方可进行自测试并输入各种控制信息，接收机开始记录数据后，测量人员可使用专用功能键和选择菜单，查看测区信息、接收卫星数、各通道信噪比。接收天线应加设在测量船只的靠宗海一侧，若接收机收到的信号不佳，调整天线高度和方位，直至接收信号良好。测量期间测量人员应细心操作，防止接收设备震动和移位；工作人员或其他物体不得碰动天线或阻挡信号。当所规定的作业项目全部完成，记录资料完整、无误，并符合技术设计有关内容要求时，方可结束作业。

4 结论

通过开展海域使用现状调查，掌握海域使用权属、位置、类型、使用金征缴等基础信息，建立完整的海籍台帐体系，对指导制定海域使用规划和制度，保护与合理开发利用海域资源，强化海洋综合管理具有重要的意义。海域使用是一种动态变化的行为，时效性强，精度要求高，要准确及时满足海洋管理及科研者对海域使用现状数据资料的各种需求，必须进行海域使用现状数据的更新换代。因此，建议相关部门开展类似于人口普查的常年抽查、每十年一次全面普查的海域使用现状调查工作机制，充分应用DGPS技术手段，建立健全海域使用动态监视监测管理系统。

[1]韦友源.信标差分RBN DGPS 技术在海洋测绘中的应用[J].沿海企业与科技，2009(9)：44-46.

[2]国家海洋局908专项办公室.海域使用现状调查技术规程[M].北京：海洋出版社，2005：1-10.

[3]国家海洋局.海域使用测量规范(HY070-2003)[M].北京：中国标准出版社，2003：78-115.

[4]杨顺良等.福建省海湾围填海规划环境影响预测性评价[M].北京：科学出版社，2008：14.

Application of DGPS Technology in the Investigation of Seas Utilization

TANG San-qin
Fisheries Research Institute of Fujian Province， Xiamen 361013，China

seas utilization reflects the information of the seas， such as the ownership， the location， the used type and the collection of fee，etc.， which has important practical and historical significance to guide the development of seas utilization planning and systems， protection and exploitation of sea resources rationally and strengthen comprehensive marine management. This article describes the basic principles and trend of DGPS technology. Combining with the Special Program 908 investigation of seas utilization in Zhaoan Bay of Fujian Province， it analyzes the application model of DGPS with measurement and position in seas utilization briefly， and then conclude the problems and means which should be paid attention to in its position and measurement on sea.At last， this article outlooks the application of DGPS in management of seas utilization.

Seas utilization; DGPS; Position on sea

P229

A

1674-6708（2012）59-0154-04

福建省908专项海域使用现状调查（FJ908-01-04）

汤三钦，测绘工程师，主要从事海洋测绘、海域使用论证、海域环境与资源调查等研究工作