一、引言
海道测量是为保证航行安全而对海洋水体和水下地形进行测量和调查的工作，是各成员国履行国际公约主要的海上活动之一。国际海道测量组织(IHO)作为政府间技术咨询组织，主要宗旨是协调各成员国海道测量活动，促进全球范围内航海资料的统一，推广可靠、有效的海洋测绘方法，促进海洋测绘成果在航海中的应用。因此如何保证各国海道测量工作的规范统一，采集得到的海道测量数据满足精度要求，一方面对保证航海用户(商用、军用或游艇)的安全使用具有重要意义，同时也是IHO需要协调解决的主要问题。1957年第七届国际海道测量大会(IHC)开始正式讨论制定海道测量标准的问题，1968年1月IHO海道测量标准第1版出版，作为全球海道测量的基础标准，为海道测量等级分类与质量基准、水深测量技术要求以及其他测量标准等方面提供了技术依据。自此，国际海道测量组织一直致力于定期更新本标准，1982～2008年，先后发行更新至第5版(以下简称“IHOS－44(5th)”)，2020年9月第6版(以下简称“IHOS－44(6th)”)正式发布，版本的更新始终基于其最初的原则。2021年9月，中文版在国内正式出刊，为标准的推广研究奠定了基础。
本图来自网络
IHOS－44(6th)在测量等级划分及标准等方面有了诸多更新，对当前全球海道测量技术发展具有现势性指导意义。本文以«IHO海道测量标准(S－44)(6th)»为基础，以“航行安全测量最低水深标准”为研究点，拟对不同等级分类及其对应的不确定度、特征物探测及水深探测变化予以分析并对新要求进行分析与研究。
二、航行安全测量等级分类
根据水深、地球物理特性和预期船舶类型的不同，国际海道测量组织定义了不同的航行安全测量等级，以产生能使水面船舶安全航行的导航产品和服务。实施海道测量过程中应选择最适合的测量等级，以满足船舶在某一区域安全航行的要求。单一的测量等级可能不适合整个待测区域，在这种情况下，不同测量区域应明确规定不同的测量等级，因此IHOS－44(5th)根据不同水域船舶适航状况，规定了二等、一等b、一等a及特等4个等级。值得注意的是，作为特等测量等级的延伸，IHOS－44(6th)推出了更为严格的超等(exclu Siveorder)测量等级，并定义如下：超等海道测量具有最严格的不确定度要求和数据覆盖要求，其仅限于浅水区使用(港区、停泊区以及航道和海峡的关键区域)，这些区域富余深度非常小且海底要素对船舶有潜在的危险，在此区域使用水柱信息有卓越的、最佳的效果。超等测量要求200％的要素搜寻和200％的水深覆盖率，谨慎起见需要探测的要素尺寸比特等测量要求更高。
三、水深测量不确定度
IHOS－44(6th)标准在海道测量水深和定位精度的评估指标中仍沿用不确定度的概念。其要求测量系统的能力应通过不确定度计算来证明，其前提条件为假定测深数据服从正态分布，置信域为95％，因此，总不确定度(TPU)可用水平位置总不确定度(THU)和水深总不确定度(TVU)来表示。总水平不确定度(THU)即计算的总传播不确定度(TPU)在水平维度上的分量。THU是一个二维量，包括所有的水平测量不确定度。总垂直不确定度(TVU)即计算的总传播不确定度(TPU)在垂直维度上的分量。这些计算是预测性的，必须针对整个测量系统进行计算，包括所有仪器、测量和环境不确定度源。估算值应在测量期间更新，反映风、浪等环境条件的变化，以便对测量参数进行适当的更改。具体如式⑴、⑵。
THU＝2.45×σposition，⑴
TVU＝1.96×σdepth，⑵
式中，σposition为水平位置传播总误差；σdepth为水深传播总误差。
IHOS－44(6th)根据不同测量等级所需达到的精度要求，对不确定度进行了量化表达。并提出了水深总不确定度(TVU)最大限差计算公式，即：
TVUmax＝±(a2＋(b×d)2)-2，⑶
式中，a为固定因子，表示不确定度中不随深度变化的部分；b为变化因子；d为深度，单位为m；b×d为不确定度中随深度变化的部分。本文对各等级40m水深范围内(因2等和1b不涉及40m以下水深，在此不再计算)TVU统计计算见表1。
表1 各等级40m水深范围内TVU计算比对表
由表1可知，IHOS－44(6th)超等等级的不确定度要求进一步提高，总垂直不确定度(TVU)相比于特等测量均有所提高，如20m水深需满足±0.21m测深极限误差要求，40m水深也需要达到±0.34m，高于我国现行«海道测量规范»(GB12327—1998)测深极限误差要求，因此对测量仪器精度及测量作业过程控制提出了更高要求。
四、特征要素探测
特征要素的探测能力并非指对航行危险因素的测定。IHOS－44(6th)对各等级需探测空间特征物最低要求进行了规定，并指出在某些情况下，小于规定大小的显著特征要素仍可被归类为航行危险要素，如官方海道测量机构或主管当局也许认为有必要探测较小的重要要素，以便将未探测到的航行危险物危害降到最低。但是，没有一个单独的测量系统能够确保探测到了所有要素，如果担心海域内可能存在测量系统无法探测到的航行危险物，则应考虑使用其他测量系统。
IHOS－44(6th)超等测量空间特征物探测要求可以探测0.5m边长特征物。根据海道测量惯例，为避免由粗差造成的目标失真，在选取采样点时，一般认为应至少有3个以上来自同一目标物的回波信号，即为可识别目标。对于同一目标物而言，应从沿航迹方向、垂直航迹方向同时考虑，即可判定其目标分辨率。
沿航迹方向分辨率主要与波束的沿航迹方向波束角、航速、波束采样率和水深有关。事实上，波束采样率一经确定，通常不会改变。此时，测船船速成为影响沿航迹方向全覆盖的主要因素。因此，在已知航迹方向分辨率下，可建立船速与可探测深度关系，本文在此不再展开叙述。
影响垂直航迹方向分辨率的因素主要有：水深H、波束指向角θy、波束接收角θ0(垂直航迹)，也是认为其垂直航迹方向分辨率小于或等于该目标物长度，见图1。
图1 垂直航迹方向分辨率示意图
由图1几何关系可得：
Ly＝H[tan(θy＋θ0/2)－tan(θy－3θ0/2)]，⑷
由图中几何关系可知，在已知θ0和各等级所需达到的垂直分辨率Ly条件下，可求得波束指向角θy与H的线性关系。
本文以Sonic2024多波束测深系统为例，其系统技术指标见表2。
表2 Sonic2024型多波束系统技术指标
根据公式⑷计算得到在满足各等级空间特征物探测精度要求条件下，波束指向角与可探测深度线性统计关系见图2。
图2 波束指向角与可探测深度线性统计示意图
由图2可知，如进行超等测量，在满足垂直航迹方向可探测0.5m空间特征物要求下，可测量水域深度较为有限，如采用Sonic2024多波束探测系统，在波束指向角设置为40°时，浅于17m水深下可满足探测精度要求，如需探测区域水深较深，则应减小波束指向角θy，扫宽有效率将进一步降低。因此，特等测量等级即仅限于通航富余水深非常小且海底特性对船舶有潜在危险特别关键的浅水区区域(港口、停泊区以及航道和海峡的关键区域)。
五、水深探测覆盖率
IHOS－44(6th)引入了水深覆盖率的概念，水深探测要求由推荐测线间距单项标准更新为水深覆盖率及特征搜寻两项标准指征，深度测量得以独立存在。
⒈1a等级
IHOS－44(6th)标准正文中描述“对于1a级，100％的特征要素搜寻可以通过不测量深度的测量系统来实现。在这种情况下，任何搜寻到的重要特征要素都需要使用独立的测深系统进行最小深度值测量。如条件允许，建议进行100％的特征要素探测和100％的水深覆盖。”因此，1a等级在满足水深探测要求方面测量方式将更加灵活，对于自然水域可无需进行全覆盖水深探测即可满足要求。如可利用侧扫声纳＋单波束方式，以实现100％特征要素搜寻及水深覆盖率达到5％～100％之间的要求，而对新发现碍航物进行多波束全覆盖扫测，可满足特征物搜寻100％且得到最浅水深需求，因此，对于地势平坦，航行安全水域，IHOS－44(6th)将更利于资源的合理配置利用，提高工作效率。
⒉2等和1b等级
2等和1b等由3～4倍测线间距要求更新为5％的水深覆盖率。本文以波束开角为8°的单波束测深仪(常用单波束开角为8°～12°)，测线间距3倍水深，检查线测线间距10倍水深为例，计算水深覆盖率如下：
％覆盖率＝测量区域/总面积＝(脚印直径×线总长度)/总面积＝2×tan(8°/2)×(1/3＋1/(3×10))＝5.1％，⑸
因此，对于2等和1b等水深覆盖率要求，5％的水深覆盖率与3～4倍水深要求基本一致。«海道测量规范»(GB12327—1998)中规定：原则上主测深线间隔为图上1cm，对于需要详细探测的重要海区和海底地貌复杂的海区，测深线间隔应适当缩小，或进行放大比例尺测量。因此，在富余深度不是问题的海域，国内标准所规定测线间距随测量比例尺而改变，在满足图载水深密度要求下，较IHOS－44标准测量将更加高效。
⒊超等测量
IHOS－44(6th)标准中对超等测量给出了200％特征物搜寻及水深覆盖率要求，可以通过充分重叠的数据采集或在测量中获得多个独立数据集来完成，测量效率受到一定限制，因此其适用范围也如定义中所规定的只在港口、停泊区以及航道和海峡的关键区域。
六、结束语
本文从4个方面对IHOS－44(6th)最低水深标准展开分析研究，对其更新变化进行了重点分析讨论，为我国制定和更新海道测量国家标准提供了重要的基础文件及技术参考。其中超等测量作为目前要求最为严格的测量等级，仅限于浅水区使用，其测深极限误差远高于国内海道测量标准，0.5m边长立方体要素探测对测量仪器设备技术指标提出更高要求；水深覆盖率概念的引入较测线间距更为灵活可控，在1a等级测量中将更利于资源的合理配置利用及工作效率提高。后续将继续着眼于技术指标矩阵、元数据等主要变化点以进行进一步研究，以期指导国内海道测量技术发展。同时，将积极关注IHO下属海道测量工作组(HSWG)相关动态，以持续做好国际国内海道测量标准的研究和衔接。
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【作者简介】文/吕立蕾 缪锦根 董玉磊，来自交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心。第一作者吕立蕾，1985年出生，女，山东东营人，高级工程师，硕士，主要从事海洋测绘、摄影测量与遥感技术研究。文章来自《海洋测绘》（2022年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文转载已取得作者认可并授权。
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