论文专区▏海道测量规范与IHO标准的比较研究
一、引言
传统意义上的海道测量，就是为了保证航行安全而进行的水深测量和海岸地形测量，其目的是获取海底地貌、底质情况和航行障碍物等资料，为编绘航海图提供数据，以保证船舶航行安全。国际海道测量组织（IHO）对海道测量的定义如下：海道测量（Hydrographic Survey）是测定与水体相关的数据为主要目的的测量。海道测量的主要观测数据有：水深、底质、潮流、潮汐以及满足测量和导航需要的沿岸地形要素和固定物标位置[1]。IHO为此制定了海道测量的的最低标准S-44，现行的国际海道测量标准是IHO于2008年发布的第五版（以下称“S-44（5th）”[2]）。我国由国家质量技术监督局于1990年发布了《海道测量规范》GB12327-1990[3]，作为指导我国各种海道测量作业的国家标准,对规范我国海道测量作业方法、指导作业流程、保证成果质量起到了积极作用。现行版本为1998年修订形成的《海道测量规范》GB12327-1998（以下称“GB12327-1998”[4]）。后随着多波束等海道测量设备和技术的发展，国内相关行业也相继出台了一些新的测量规范和技术规定，如2004年海司航保部发布了《多波束水深测量作业技术标准》[5]，2010年至2014年交通运输部先后发布了《多波束测深系统测量技术要求》JT/T790-2010[6]、《水运工程测量规范》JTS131-2012[7]和《沿海港口航道测量技术要求》JT/T 954-2014[8]等行业标准。殷晓冬、陈跃等在《国际海道测量标准比较研究》[9]一文中对国内外测量规范进行了全面的比较，翟国君，欧阳永忠等在《<海道测量规范>修订的若干问题》[10]中对GB12327-1998存在的问题和下一步的改进给出了具体的建议，本文将现行国际海道测量标准与我国海道测量规范在测深、定位、障碍物、潮位、潮流和底质等6个方面的测量技术要求进行了比较，指出了两者要求上区别和宽严之处，旨在提请国内测量单位在执行海道测量规范时要注意国内外的异同，并推动国内测量规范与国际测量标准的衔接，更好的保障船舶航行安全。
二、测量要求差异比较
在S-44（5th）中，首次将“不确定度（uncertainty）[11]”这一术语引入到海道测量标准中，代替了之前的“精度和误差”，并用某一置信度下的不确定度对测量成果进行质量评估；与之前版本相比，“障碍物”在S-44（5th）中频繁出现，由此可见IHO非常重视障碍物探测能力及其要求。S-44（5th）根据水深和航行区域的重要程度将海道测量要求进行了分级，共分三等四级，分别是特等测量、1等测量（分1a、1b两级）和2等测量。对各种要素的定位要求、测深要求和障碍探测要求等分别给出了量化指标，这些要求只与测量等级有关，不考虑图幅比例尺、离岸远近等因素。S-44（5th）明确指出，该出版物是海道测量的最低规定，各国海道测量组织和成员国管理机构应根据自身情况在此基础上制定更加严格的测量标准。也就是说各国制定的海道测量规范在测量技术要求上应等于或严于S-44（5th），而不能宽于它。我国目前的海道测量规范仍然按照区域将海道测量分为港湾、沿岸、近海和远海水深测量[9]。我国的海道测量规范中大多以中误差的限差方式对测量数据和成果进行评估，而这些指标又通常与图幅比例尺、深度等因素有关[12]。举个简单的例子，比例尺大小不同的两张海图要测量同一区域，它的测量限差是不同的，故而测量要求甚至测量手段也是不一样的。这种定性而非定量的传统分类标准，在实际执行时因比例尺而异，测量结果的精度当然也因比例尺不同而存在差异。⒈ 深度测量要求S-44（5th）对不同等级的海道测量给出了在95%置信度下的TVU，它表示改正后的水深在垂直方向上的总不确定度，其公式为TVUmax＝±√（a2＋(b×d)2)，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，b×d表示不确定度中随深度变化的部分，其具体要求见表1。文献[4] 根据水深不同给出了极限测深误差和主检不符值限差等质量控制指标，见表2。表1 S-44（5th）中不同测量等级对深度测量的要求测量分类水深点最大总垂直不确定度主测线间距检查线间距特等测量a=0.25mb=0.0075要求全覆盖测量通常不超过主测线间距的15倍1等a测量a=0.5mb=0.013要求全覆盖测量通常不超过主测线间距的15倍1等b测量a=0.5mb=0.0133倍平均水深或25m取其大者通常不超过主测线间距的15倍2等测量a=1.0mb=0.0234倍平均水深通常不超过主测线间距的15倍表2 GB12327-1998对水深测量误差的要求测深范围Z极限误差2σ主检不符值限差0＜Z≤20±0.30.5m20＜Z≤30±0.40.6m30＜Z≤50±0.50.7m50＜Z≤100±1.01.5mZ＞100±Z×2%Z×3%GB12327-1998和S-44（5th）对水深结果的衡量都考虑了深度的变化，不同的是S-44（5th）分别给出了3个等级测量的3个限差公式，而GB12327-1998是根据深度段分别给出了限差。以20m水深为例，S-44（5th）按特等标准TVU为±0.25m，严于GB12327-1998的极限误差2σ；若把介于40m和100m之间的水深按1等水域考虑，GB12327-1998中50m至67m区间的水深限差要宽于S-44（5th）的要求，见图1(黑色实曲线是S-44（5th）的限差要求，红色和蓝色虚直线是GB12327-1998的限差要求)。
图2 40m至100m深度国际与国内要求比较在测线宽度方面，S-44（5th）中特等测量和1等a测量必须进行全覆盖扫测，换句话说按目前的测量手段需要采用多波束或者单波束与侧扫声呐组合的方式进行扫测；对于不需要全覆盖扫测的水域，测线最大宽度也只有测区的4倍平均水深。而GB12327-1998与测量比例尺有直接关系，通常单波束测量以图上1cm宽度布设主测线，以1:10000这种较大比例尺的海图测量为例，也只有测区平均水深超过25m才能满足S-44（5th）中最低限度的要求。假如测区平均水深能达到125m，如果要满足S-44（5th）的要求，测量比例尺也不能小于1:50000。由此可以看出S-44（5th）对测线宽度的限制较GB12327-1998偏严，这也应与IHO重视障碍物的探测有关。在检查线方面，GB12327-1998要求不少于主测线的5%,即检查线宽最大为主测线宽的20倍，而S-44（5th）要求检查线宽度通常不超过主测线宽的15倍，前者相较后者的要求更宽一些。⒉ 定位测量要求S-44（5th）中对定位要求包括两部分，一部分是水深点的定位要求，S-44（5th）是以水深的总平面不确定度THU（测量成果的总传播不确定度在水平方向上的分量）来体现，与水深的深度有关；另一部分对于陆域上的地形要素则根据其导助航的重要性给出了不同的数值指标，见表3（表中不确定度都是基于95%置信度，第二行中d代表水深，单位为m）。表3 S-44（5th）中不同测量等级对平面定位的要求测量分类特等测量1等a测量1等b测量2等测量水深点最大总平面不确定度2m5m+5%×d5m+5%×d20m+10%×d固定助航标志和具有导助航意义的地形2m2m2m5m海岸线和普通地形10m20m20m20m浮标的平均位置10m10m10m20mGB12327-1998规定水深测量中水深点的点位中误差为：大于1:5000比例尺测图应不大于图上1.5mm，小于（含）5000大于（含）100000比例尺测图时应不大于图上1.0mm，小于100000比例尺测图时应不大于实地100m。简单举个例子说明一下，1:5000在我国海图序列中已属于较大比例尺，它的限差为实地5m，仅能满足S-44（5th）中1等和2等水域的要求； GB12327-1998对陆域上的地形要求为：航行目标的点位中误差为图上±0.4mm，轮廓清晰明显的地物及海岸线转折点为图上±0.6mm，轮廓不明显地物为图上±0.8mm，隐蔽或特殊困难地区可按上述规定放宽1/2。仍以1:5000比例尺海图为例，固航定助航标志等航行目标在小于（含）1:5000比例尺测图只能满足S-44（5th）中对2等水域的要求。由此可以看出S-44（5th）在水深点的定位和航行目标方面的要求更高一些，而对于海岸线和普通地形的定位要求GB12327-1998更高。⒊ 障碍物测量关于障碍物探测S-44（5th）描述的较为具体详细，对特等和1等a测量要求进行全覆盖测量，且对障碍物的探测能力给出了相应的探测要求，而1等b和2等测量对此没有要求，见表4。表4 S-44（5th）中不同测量等级对障碍物探测能力的要求测量分类特等测量1等a测量1等b测量、2等测量探测能力边长＞1m的立方体边长＞2m的立方体（水深d≤40m）；边长＞10%*d m的立方体（水深d＞40m）不做要求是否全覆盖扫测要求要求不做要求需要指出的是，S-44（5th）是以立方体的边长大小而不是体积大小来衡量障碍物的探测能力的，特等测量要求能发现边长大于1m的立方体，1等a测量对浅于（含）40m的要求能发现边长大于2m的立方体（有些人理解成体积是2m3是不正确的），深于40m时障碍物的探测能力与测区深度有关。GB12327-1998中要求障碍物探测能准确测定其位置、最浅深度、范围和性质，并根据其高出海底高度与水深的百分比分成弱、中、强三级，但实际测量时又不能机械的按等级强弱来确定，需要考虑所处海区地貌情况及其重要性。两者相比因S-44（5th）在障碍物探测分辨能力等方面有具体量化指标而方便更好地执行，而GB12327-1998的要求在执行时需要有很丰富的测量经验和分析判别能力。⒋ 潮位测量S-44（5th）中规定特等测量潮位的总误差不得大于±5cm，其它等级测量不大于±10cm，用于潮位预报的实测潮位数据时长不少于30天； GB12327-1998规定沿岸验潮站的潮位观测误差不得大于2cm，海上定点站的观测误差应不大于5cm,而关于潮位推算预报等新方法则未提及。在潮位测量方面很明显GB12327-1998的要求更高一些，但在实际工作中要把沿岸验潮站潮位观测误差控制在2cm以内还是有相当难度的。⒌ 潮流测量S-44（5th）要求泊位、锚地和港湾、水道的入口处等潮流大于0.5节的区域应进行潮流测量，沿岸和近海的潮流如果大到了影响船舶航行也需进行测量，每个点上潮流观测的深度要足够深以满足水面船舶的航行需求，且在潮流观测的同时应进行潮位测量和气象观测，理想的观测时长是30天，潮流的流速和流向在95%置信度下要达到0.1kn和10°。GB12327-1998在验流点的选择上和S-44（5th）基本相同，流速的观测结果要求精确到0.1kn，流向的观测结果要求精确到0.5°，此还外对不同潮汐类型验流的时间选择，定深等给出了技术要求。两者相比S-44（5th）的要求更全面一些，而GB12327-1998而在流向观测精度上要求远高于S-44（5th）。⒍ 底质测量S-44（5th）规定对船舶可能锚泊的区域要进行底质测量，通常取样测线间距为测线间距的10倍，可以物理取样也可以通过仪器测量的结果进行分析推断，但要求有独立的物理取样进行佐证。GB12327-1998规定“水深在100m以内的海区均须探测海底表层底质。底质点密度一般为图上25cm2一点，锚地、停泊场、航道和重要海区及底质复杂海区，为图上4～9cm2一点，底质变化不大的海区为图上50～100cm2一点”。按照图上1cm的测线间距换算，GB12327-1998规定的底质探测测线间距为水深测量测线间距的2～10倍，略高于S-44（5th）的要求。
三、结论
通过将我国海道测量规范与国际海道测量标准内容进行具体分析比较，得出如下结论。⑴S-44（5th）考虑到船舶航行安全的要求，把海道测量进行了分级，不同等级的测量提出了较为简洁的量化指标，偏重于对测量结果的质量控制，GB12327-1998根据测区的图幅制定了不同的比例尺，测量要求因比例尺而异，更加偏重于测量过程的质量控制。⑵通过一些简单的举例比较可以发现，GB12327-1998在多数指标方面高于S-44（5th），但在定位和测深等方面也存在一些情况下低于S-44（5th）要求的情况，这与IHO的要求并不相符，当然其中一个重要的原因是GB12327-1998早于S-44（5th）发布，今后修订时应注意。⑶S-44（5th）中对障碍物的探测能力是以立方体的边长大小作为标准来衡量的，其中1等a测量在水深小于（含）40m时，要求能够发现边长大于2m的障碍物，一些人误以为是体积大于2m3的障碍物，这种理解与S-44（5th）是不相符的。⑷S-44（5th）对具体采用何种设备、何种手段和何种方法等无明确要求，只要能满足标准给出的量化指标，这一些新设备、新技术、新方法同样可使用，倾向于推广和引领新技术的应用，如激光测深、潮汐潮流预报等；GB12327-1998主要是对现有测量设备和测量手段的技术规定，随着海道测量技术的发展，规范的某些要求往往滞后于技术、设备的发展。⑸S-44自1968年第一版出版以来，先后于1982年、1987年、1998年发行了第二版至第四版，现行国际海道测量标准是2008年出版的第五版。从出版时间看，基本保持10年左右一个周期进行更新的态势，因此新的一版国际海道测量标准也是指日可待。国内《多波束测深系统测量技术要求》JT/T790-2010、《沿海港口航道测量技术要求》JT/T 954-2014等行业标准在对水域的划分、潮位推算用于水位控制等方面已开始参考借鉴S-44（5th）中的一些指标和要求。严格的说S-44（5th）和GB12327-1998衡量测量数据的指标不同，一个用不确定度来表示，一个用中误差来表示，二者拿过来直接比较会显得不够严谨，而且GB12327-1998与S-44（5th）发布的时间相差整整十年之久，但我们通过比较研究它们在一些测量要求上的异同，对我们更好地开展海道测量工作还是有很好的参考意义和指导性。参考文献：1.IHO.Hydrographic Dictionary[S].Special Publication No.32(5th Edition),MONACO,1994,2335:108.2.IHO STANDARDS FOR HYDROGRAPHIC SURVEYS[S].Special Publication No.44(5th Edition)，MONACO，2008.3.GB 12327-1990.海道测量规范[S].北京:中国标准出版社,1990.4.GB 12327-1998.海道测量规范[S].北京:中国标准出版社,1999.5.海司航保部.多波束水深测量作业技术标准[S].2004.6.JT/T790-2010.《多波束测深系统测量技术要求》[S].北京:交通运输部,2010.7.JTS131-2012.《水运工程测量规范》[S].北京:人民交通出版社,2012.8.JT/T 954-2014.《沿海港口航道测量技术要求》[S].北京:交通运输部,2014.9.殷晓东、陈跃、唐俊等,《国际海道测量标准比较研究》[J].海洋测绘,2011,31(4):35-38.10.翟国君、欧阳永忠、陆秀平等,《海道测量规范》修订的若干问题[J].海洋测绘,2014,34(1):76-79.11.JJF1059-1999.测量不确定度评定与表示[S].北京:国家质量技术监督局,1999.12.徐卫国.国家海道测量规范与IHO规范之区别[C]//中国航海学会航标专业委员会第七届大会论文集,2003:102-105.
【作者简介】第一作者董玉磊，1982年出生，男，山东临沂人，天津海事测绘中心，高级工程师，硕士，主要从事海道测量技术应用与质量管理；文章来自《海洋测绘》（2018年第1期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。