深海“慧眼”如何看穿海底？丨科學講壇——沈蔚

深海探索，不僅需要向下鉆探的這種觸角，也需要看清海底模樣的眼睛。鉆探是探取深部的實踐樣本，精準測繪可以繪制廣袤海底的一個空間的地圖。

1月31日，我們邀請到沈蔚教授，帶領我們走進海洋測繪的世界。沈教授是上海海洋大學教授，博士生導師，同時擔任上海河口海洋測繪工程技術研究中心常務副主任等職務，他長期專注于海洋測繪領域，主要研究方向包括水下地形地貌探測，海洋遙感與水聲探測等，在國內海洋測繪領域具有較高聲譽。近年來，沈教授主持了多項重大海洋調查和工程勘測項目，發表了SCI論文二十余篇，并取得了一系列專利與軟件著作權等成果。本文根據講座內容整理而成。

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海洋測繪背景

談及海洋，人們往往首先想到的是其遼闊無垠的海面與繁多的海洋生物。然而，海洋的吸引力遠不止于此。在海洋的深處，隱藏著深不可測的海溝、綿延起伏的海嶺、平坦廣闊的海底平原、曲折蜿蜒的海底峽谷，甚至還有噴涌著巖漿的火山。沈教授的工作主要就是對這樣的豐富的海底地形和地貌進行精準的探測。

我們首先明確一個概念：海底地形是海水覆蓋下的固體地球表面形態總稱，分為大陸邊緣，大洋中脊和大洋盆地三大單元，簡單來說地形是海底高低的起伏。那么海底的地貌是什么？它有泥、土、石和藻類等等。三個大類的單元下分了許多二級單元，狹長且陡峭、深度極大的溝槽被稱為海溝，而綿延起伏的海底高地則被命名為海嶺，平坦且開闊的海底區域，則被統稱為海底平原?？偟膩碚f，整個大海底的地形和地貌是很復雜的，海底的地形高低起伏，隨便拉一個斷面就能看出水深從幾米可能迅速降到幾千米。

我們通常需要使用測繪的手段來獲取地形。測繪是海洋的測量和制圖的總稱，包括對數據的獲取和對數據的展示。其任務是對海洋、江河湖泊及臨近的陸地進行測量和調查，獲取海洋的基礎地理信息，編制各種海圖和航海資料，為航海、國防建設，海洋開發和海洋研究服務。從概念看出海洋測繪包括了內陸江河湖泊的水深測量，兩個方向都包括在海洋測繪里，我們國家并沒有把內陸和海洋區分出來。

海洋測繪的工作內容包括定位、大地測量、水深地形測繪、海底的地貌底質、海洋工程和重力磁力等，其中重點的是水深和地形。地形測量是通過水深測量來實現的，船只在水面上測大量的水深點就可以把一個海底的起伏形態表達出來。它的意義體現在許多方面，在經濟活動方面中，大量的海底數據可以支撐海上的交通和海上的工程施工；在政治軍事活動中，如東海的劃界和第一第二島鏈的突破；比如在海底的科學研究里，也需要大量這樣的數據進行海洋基礎學科的研究。

地形決定了海洋研究的一個邊界，如果連邊界條件都不知道的話是無法開展工作的。所謂海洋科學的研究，無論是海底的地質研究，還是物理海洋的風浪流，它都有一個邊界條件就是海底的地形。海洋測繪是一項重要的基礎性的先行的戰略性的工作，任何的海上活動都離不開測繪信息的支持，它是國家經濟社會發展和國防建設的一個基石。

那怎么去獲取數據？首先是航空航天的平臺例如天上的衛星和飛機；水面的艦船比如大型的遠洋科考船、近海的小船、包括現在普遍使用的無人船和水下有各種潛器（包括無人和載人）。

在目前獲取龐大的海洋數據方面，我們遇到了很多問題，比如有測不了的問題。到目前為止，通過我們這種實測的手段測得的數據不到30%，可能只有27%。大量的海底地形沒有實測是因為難度太大和效率太低。第二個問題是測不準，一萬多米水深主要靠聲學進行測量，聲波在傳遞的過程中受到海洋的溫度和鹽度等各種因素的干擾，他的傳播路徑是彎曲的，在不同的水層有不同的表現，最終的結果就是測得不準。目前聲學測量的規范要求精度是1%，也就是在一萬米的時候測出來的精度是±100米的誤差。此外，目前衛星的重力反演測量手段的精度可以達到5%，也就是一萬米能做到500米的測量的精度。除此之外還有效率的問題，我們使用船的效率太低了，測得的數據太少（每小時船速通常18-20km），由此可以預見未來幾十年也測不完。大量的聲學數據或者遙感數據，比如聲吶每秒鐘就是幾兆的信息傳輸，每天要測得幾十G的數據。利用人工互動（傳統手段）對信息進行處理的效率非常低，一天采集的數據要處理好幾天。

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方法：以“淞航”號為例

今天我們以我?？瓶即梁教枮槔o大家做一個分享。淞航號總長85米，型寬15米，型深8.7米，吃水深度5~6米，船大概有四五層，總噸位有3166噸，采用全回轉的直葉槳電力推進，它的螺旋槳在尾部可以靈活的轉動，并且有無限航區，巡航速度12節，最高速度15節，續航力是10000海里。自持力60天左右。如果一個航次超過60天，那么它中途需要補給一下。定員59人，里邊配備了200多平米的實驗室條件，分為干實驗室和濕實驗室。我們這是一條漁業調查能力很強的科考船，所以也兼具科考的任務，其中包含漁業科考的設施，也包括住艙，目前科考學生是雙人間，老師或船員是單人間，伙食條件也很好。

整個科考的體系分了八大科考系統，第一個叫海底探測系統，是做地形的，是主要的一個系統，包括萬米單波束，深水的多波束和萬米的淺地層剖面儀等。除此之外還有關于地球物理的一些調查，包括重力儀，磁力儀等。還有專門做水體的調查，主要是CTD的采水器，聲速剖面儀等。還有一些輔助的甲板設備系統、遙感大氣和實驗網絡系統等等。

為了獲得海底準確的地形數據，首先要準確定位。知道每時每刻船的位置不是一個簡單的事情，全球建了大概有四個全球衛星定位系統，我們平時用到的美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略衛星導航系統等。我國的北斗衛星導航系統也已經投入到了一個實用階段，技術上也非常領先?；谶@樣的一個衛星定位系統，科考船上的定位精度可以做到水平3厘米和垂直6厘米，同時包括對船的姿態的準確測量。由于船在三個軸上每時每刻都在晃動，所以需要實時收集數據進行精確地測算海底的地形和地貌。

最關鍵的是設備的安裝，水下發聲的設備我們稱它為換能器，它可以把電能轉換成聲音，船底下安裝了一個導流罩，導流罩里邊裝了很多聲學的換能器。在示意圖中可以看到多波束系統是一個7000米級的一個多波束，是康斯伯格（Kongsberg）旗下的EM302。它在導流罩里的位置，豎直方向是發射陣，垂直方向是接收陣，以及淺地層剖面儀的位置都在里面。

在導流罩里的換能器的尺寸很大，多波束的換能器是3米乘3米，但這是一個7千米量程的一個多波束。萬米級的多波束尺寸基本上在5米乘5米，還有淺剖的一些基本的參數，包括用到的頻率，生源級等。多波束和淺地層剖面儀的主機我們稱為收發機。能準確地跟蹤聲線的傳播需要測量聲速拋面和表面聲速，我們稱之表面聲速儀和聲速剖面儀，有的時候我們還通過溫鹽深（CTD）測量來間接地獲得聲速的一個剖面數據。

聲速剖面測量在大洋科考階段不能停船開展，因為停船的時候，測一次幾千米的深度方面要花好幾個小時，效率太低會增多成本，所以我們會用到這種拋棄式的XCTD（拋棄式溫鹽深儀）來獲得水面到水底的溫鹽深數據，并計算聲線剖面數據。拋棄式的XCTD效率還可以，但是不安全，風浪很大的時候在甲板上拋就很危險，所以我們首創了自動式的拋投裝置，像左輪手槍一樣一次可以裝12個彈，可以在指定時間和地點進行人工控制，人可以坐在艙里看著屏幕，摁一下按鈕設備就可以自動拋下水。這種設備的使用頻率很高，通常兩個小時就要拋一次去測量聲速剖面，整個過程基本上實現了全自動化的數據采集。所以在科考中的數據采集工作，基本上是坐在實驗室里邊，喝著茶，偶爾抬個頭看一下屏幕就行了，有問題的時候它會報警告訴你有問題了再來處理。

我們獲取的數據是海底的一個一個的點，顏色表示水深，紅色代表淺，藍色代表深，通過制圖可以直觀的看到哪里高、哪里低、哪里是火山、哪里是海溝等等。淺地層剖面儀的數據通過解譯解算可以繪制成出地貌，它可以告訴你哪里是礁石、哪里是泥、哪里是沙等等。

除此之外我們還開展了地球物理的調查，利用重力和磁力等物理性質來開展地球一些關鍵參數的獲取。國產的一個重力儀（ZL11-1A型）包括慣性測量單元和雙軸的穩定平臺，它可以被放在船上、飛機上、甚至放到衛星上。它獲取了地球上某個區域的重力的異常值，重力的數據可以表達出地球內部的一些特性，像中醫一樣，可以間接地通過重力和磁力的測量來看地球內部的一些特性，這樣我們可以直觀地了解全球的重力分布或者重力異常，為找礦和軌道航行器提供服務。

此外，還有一個常見的測量是磁力的調查，通過磁力儀拖在船尾來獲取航跡線上的磁場的強度值（異常值），它可以顯示出什么東西有磁性。比如有很多金屬的沉船在海底下，或金屬的管道或者電纜都有很強的磁場信息，通過磁性的測量可以很容易的識別探測出沉船的位置、海底的埋藏的管道和電纜等等。同時，獲取全球的磁場信息為我們的科學研究提供了基本的數據，例如拓老師提到大洋中脊年代比較新，通過磁場發現它的磁場強度強，而快消亡的地殼的磁場強度弱。

為了支撐這些科考工作，我們使用了很多輔助的設施，其中最典型的就是甲板的絞車，它可以吊放設施。尤其在風浪很大的時候，潛器的收放是很困難的一個事情，通過絞車就可以解決收放設備的問題。船上還有通訊的一些設施，在最早期時科考最苦惱的是上不了網，60天在船上不能上網是非常難受的事情，但現在的科考船能保證你24小時都有網絡，隨時可以和家人微信聊天和視頻。

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挑戰與創新

剛才我們講的是傳統的基于聲學的手段來獲取海底的地形地貌，由于效率比較低，船一個小時才開十幾公里，一天也就開個三四百公里。目前國際上有一個叫“海床2030”的項目，它們計劃在2030年把海底的地形都繪制出來，但是目前才測了27%，按照年增長2%左右那就是到2030年也就剛過30%，那其它還沒測的地方怎么辦？

目前對于這種沒有實測的海底地形主要是基于衛星的重力測量來反演地形。早期是通過直接測重力，重力再反演地形，現在發明了高精度寬頻帶的測高衛星之后，目前主流的手段是基于衛星測高數據的海底地形反演來獲得深海沒有實測的地形。大概的原理是通過天上的衛星來獲得海表面的高度，海表面的高度由重力決定，我們都知道水往低處流，如果重力值不等水會流動，水一旦靜止下來說明它的重力是相等的，就可以通過水面高度的變化來推算出它的重力面在哪里?？茖W家們發現重力以及重力異常和海底的地形起伏是有關系的，海底的山川起伏又決定了重力的一些異常，進而把可以反演出海底的地形，這是目前全球測深的一個主要的補充手段。

在10年前衛星反演測深的精度很差，從最初的2千米到后來的1千米精度，現在可以做到500米。經常有新聞說，某科學家把海底的地形的探測精度提高到了很高的量級，原來只發現2萬座海山但現在發現了4萬座，然后有一次發現了10萬座，這證明我們探測的精度在不斷地提高，可以探測出以前未知的海山。船載的數據也會參與到衛星數據的解算，基于多元的數據來解算全球海底的一個地形，目前精度是5%左右，未來可以達到更高。

船離海底離得越遠精度就會越低，離得近了之后的精度會提高。所以我們怎樣才能抵近測量？這就需要各種平臺載器，目前水下的運載器或水下機器人大體上分為有纜和無纜兩種。有纜是后邊跟著一根電纜，通訊供電都通過電纜傳輸，我們需要在六千米或者一萬米拖一個纜下去，纜很長，一是可能很重占地很大，二是拖著它很難在水下進行運動，有可能會纏繞等，所以主流的都是無纜的潛器。無纜潛器目前比較多的AUV（無纜自制水下運載器），還有一種Glider滑翔機，滑翔機主要是實現從海面到海底全方位獲取海洋的各種要素。

AUV是現在水下探測和測繪的主要手段，各國都在競相發展。前幾年馬航370飛機失事后，當時國際上好多組織和國家在尋找但是都沒有找到它，十年后這家公司（Ocean Infinity）又重啟了探索計劃，公司和馬來西亞的交通部簽了合同，他們約定找到再付錢，找不到不付錢，說明它有足夠的信心能找到。公司拿出的一套解決方案就是用無人船配合水下的運載器來開展海底的目標的探測。

在未來，我們通過無人化智能化的平臺開展海底的地形測繪肯定是主流的方式。因為靠人去探測的效率低，并且人的身體受不了高強度的工作。海量的數據需要很多智能的算法，我們的團隊也一直在做數據處理的算法，通過大量點云的濾波算法來快速地獲取海底的地形，因為獲取的地形數據包括很多噪音，無論是水體里的魚群的或者海底的一些植被都需要自動地把它給過濾掉，以此獲得我們想要的海底地形數據。原來我們處理一天的采集數據可能需要三天，但是隨著智能化程度的越來越高，幾分鐘的時間就可以初步地處理完，效率會大大提高。

最后，我展望一下未來發展的趨勢，海底測繪的目標是從抽樣的測繪到全球的覆蓋，但現在只能做到局部的測量，或者以點帶面并沒有完全地覆蓋。那未來我們的目標是要做到全球的覆蓋，那它可能會出現一些革命性的方法，包括今天我們來到這研究院看到的量子探測技術在未來可能會解決這種快速高效的獲取海底地形的工作。在模式方面，從有人主導的模式逐漸會過渡到無人智能的時代，海洋研究的勞動強度會大大降低。由人出海的話，一是危險，二是大家年輕人可能不愿意出海。那未來的這種調查以無人化智能化為主，大家還是挺輕松的，所以也不用懼怕海洋的風浪。在技術方面，從單一的傳感器到多元融合的一個發展，我們單一的手段可能無法全面地準確地獲取水下的信息，天上的衛星、飛機，水面的艦船，水下的潛器潛標等，還有各種數據包括幾何或物理的數據可以融合在一起，可以提高探測的精度和效率。

最后我打一個廣告，歡迎有興趣的同學報考上海海洋大學，謝謝大家！

內容整理：卷毛

文章轉載自“墨子沙龍”公眾號