北方四省市邻近海域深度基准面模型的构建 附海洋测绘技术的发展状况研究.docx

一、引言深度基准面是水深成果的起算面，由相对于平均海面的垂直差距来确定其在垂直方向中的位置，该垂直差距的量值通常称为L值。深度基准面是以长期验潮站为维持框架，再通过传递确定短期验潮站L值实现了空间加密，最后通过水位改正而隐性体现于每个图载水深点处。整体上而言，深度基准面是以离散站点的方式表达。而海域水深成果间无缝拼接、陆海基准转换与统一、GNSS技术支持下的水位改正（无验潮模式）、航海动态水深保障等应用，则需要空间连续的深度基准面表达方式，即网格化的深度基准面模型。立项建设“渤海海域陆海垂直基准面的建立与统一转换工程”，构建深度基准面模型是其中的主要建设内容之一。深度基准面模型的构建方法大致分为两种：空间内插的方法，通常运用于狭长航道或沿岸较小海域，如赵建虎等提出了一种横断面线性内插法，由沿河13个验潮站构建了SaintJonh河深度基准面模型；俞成明等对多种内插方法进行了对比，最终选用克里金内插法，由23个验潮站构建了珠江口海域的深度基准面模型。以精密潮汐模型为基础、验潮站订正的方法，通常运用于潮汐变化复杂或范围较大的海域，如美国采用该方法构建了VDatum系统中的包含深度基准面在内的各潮汐基准面模型。顾及到北方四省市邻近海域的潮汐复杂程度，本文采用第二种方法，拟构建高精度、高分辨率、与其出版海图相匹配、实用化的深度基准面模型。二、采用的技术方法1 .基本方案渤海与黄海是世界上潮汐分布最复杂的典型海域之一，半日潮波与全日潮波都存在多个无潮点，深度基准面L值相应地呈现复杂的非线性分布，若采用空间内插法，则需要在沿岸及海上布设众多验潮站点才能精确描述该复杂的非线性分布。因此，采用以精密潮汐模型为基础、验潮站订正的方法。利用精密潮汐模型，按理论最低潮面的定义算法计算各网格点处的L值，构建初步模型，作为描述深度基准面空间变化的基础模型。由验潮站处的L值对初步模型实施订正，生成成果模型。深度基准面是主要分潮潮位贡献组合下某种最低潮面，精密潮汐模型中各主要分潮的调和常数误差以复杂的非线性形式传播至L值，所以需由验潮站处的L值实施订正，拟减弱或消除精密潮汐模型的误差影响。当精密潮汐模型的分辨率与精度较高时，初步模型在验潮站处的误差一般在IOCm内，经一定数量的验潮站订正后，模型的精度可达厘米级。我国自1956年起将深度基准面统一于理论最低潮面，采用弗拉基米尔斯基算法，但因分潮数、算法实现、资料时长等差异，长期验潮站的L值普遍存在最低潮意义不一致问题。海道测量规范规定验潮站处的深度基准面一经确定且在正规水深测量中已被采用者，一般不得变动。因此，模型在验潮站处必须与其现采用的L值保持一致。此时，验潮站L值的订正过程更应被视为深度基准系统的归化，将最低潮意义一致的初步模型归化至由验潮站维持的深度基准系统。这是与美国构建深度基准面模型过程中的不同之处。2 .订正算法订正的基本要求是使订正后的成果模型与验潮站点处L值保持一致，故初步模型在各站点处的差异即为站点处的订正量。进一步将初步模型在站点处的差异传递至所有网格点，作为各网格点处的订正量，生成成果模型。初步模型在验潮站处的差异主要来源于两部分：一是潮汐模型主要分潮调和常数的误差，与潮汐模型的精度有关；二是验潮站间L值普遍存在的最低潮意义不一致（定义与历元等），许军等对本研究海区部分长期验潮站L值的算法考证表明：现采用的L值与理论最低潮面定义算法结果间的差异，在不同站点处的量值显著不同，在±50Cm内变化。因此，初步模型在验潮站点处的差异不能传递至整个海域，而是只能传递至站点周边的一定范围内。这符合于长期站传递确定其邻近的短期站L值、验潮站计算附近的水位改正数等工作中验潮站控制范围有限的现状。其中，在传递确定短期站L值时，长期站L值的最低潮意义不一致部分也由传递技术传递至短期站。据此，以深度基准面传递技术中的略最低低潮面比值法为基础，设计订正算法如下。设验潮站的订正范围为R,即验潮站只订正半径为R圆周内的网格点，或网格点只采用半径为R圆周内的验潮站进行订正。长期站与短期站设置不同的权系数，同时以距离倒数定权。以某一网格点为例，设在其为中心、R为半径圆周内的验潮站个数为n,初步模型在各验潮站处的差异为ALi,各站的权系数为Pi（长期站与短期站分别为10与7）,各站与网格点的距离为Si,则该网格点处的订正量AL为：=Mps,E0（1）i«II验潮站的订正范围R由验潮站的分布密度与空间分布结构综合确定，基本原则是相邻站间重叠、覆盖整个海域，以保证订正量在邻近站间平滑过渡，在空间上的分布基本平滑。三、模型构建过程1 .初步模型初步模型是精密潮汐模型按理论最低潮面的定义算法直接计算而得。精密潮汐模型决定了其分辨率与描述深度基准面空间分布的精度。中国近海潮汐模型的分辨率与精度在逐步提高，如8个主要分潮的总体综合预报中误差RSS为12.5cm、5,X5'的模型；9个主要分潮的RSS为12.5cm、1.2'×1.2,的模型；U个主要分潮（天文分潮与浅水分潮）的RSS小于9.7cm、×1/的精密潮汐模型。本文采用上述3个潮汐模型中，精度与分辨率最高的第3个模型。采用理论最低潮面的修订算法，由潮汐模型各网格点处的13个主要分潮调和常数计算深度基准面L值，生成了分辨率为1'Xlf的初步模型。模型覆盖天津海事测绘中心管辖的北方四省市海区，具体截取为35°N41°N>117oE125°E。2 .成果模型由验潮站现采用的L值对初步模型实施订正，使模型归化至验潮站维持的深度基准系统中。从工程实用化角度，构建的模型应与天津海事测绘中心所测绘出版的海图相匹配，因此，收集历年测图所用的沿岸长期站以及水深测量布设的短期站，共计179个站点。由初步模型内插出各站点处的L值，记为模型值，则现采用值相对模型值的差异即为订正量。经统计，订正量的量值范围为一51.124.1cm,平均值为-16.9CmO各站点处的订正量见图1,红色表示长期站,蓝色表示短期站，单位为厘米（注：为了显示清晰，微调了部分站点的位置，并删除了个别站点）。41°40o39o38o36o35°-118°119°120°121°122°123°124°图1初步模型在验潮站处的订正量示意图按相邻站间重叠、多站覆盖各网格点的原则，设置各验潮站的订正范围R。由图1知，黄海海域的验潮站都位于大陆沿岸，可合理地假设沿岸至外海的订正量是逐渐减小的，所以在黄海的东侧海域、模型范围外，人为地假设了数个站点,订正量设置为0。按前述的订正算法，计算各网格点处的订正量，叠加至初步模型上，生成成果模型。图2为初步模型（蓝色）与成果模型（红色）的等值线分布，单位为厘米。图2模型的等值线分布示意图上仍保持平滑，且呈现主要分潮波的分布特点，如连云港、成山头外海的半日潮无潮点等。成果模型与初步模型在等值线变化趋势上基本一致，在量值上存在着差异。以天津港附近为例，北疆港区、南疆港区、东疆港区、临港经济区、南港港区等区域，历史上为了保持天津港地区深度基准的一致性，L值统一采用241cm,由图2可知，成果模型在天津港已强制订正为该值。成果模型符合深度基准与海图保持一致的预期设计。3精度评估模型构建精度的评估方法通常是：在订正前，利用验潮站点的L值评估初步模型的精度；在订正过程中，进一步采用部分站点订正而剩余站点评估的方法（空点法）对订正的精度实施评估。需注意的是，该精度评估的前提是所有验潮站的深度基准面与初步模型具有最低潮意义一致性，即潮汐历元与算法实现都保持一致。而我国验潮站的深度基准面存在普遍的最低潮意义不一致，除历元外，在算法实现上存在8个主要分潮或13个主要分潮等可能，还存在如前述天津港区人为统一取值等情况。在模型与验潮站维持的深度基准系统不一致时，无法由验潮站现采用的L值对模型的精度进行评估。顾及深度基准面模型构建的特殊性,采用如下的评估方法。初步模型的精度评估初步模型具有所有网格点处深度基准面最低潮意义一致的特点，据此对图1中的43个长期验潮站，由多年实测水位数据实施长期调和分析，进而按定义算法计算理论最低潮面，称为各站的重新计算值。则重新计算值的最低潮意义可近似认为一致，计算初步模型值与重新计算值的差异，经统计，中误差为5.4cm。这代表了模型描述L值空间变化的精度。验潮站订正效果的评估验潮站订正效果取决于两个方面：一是验潮站分布的密度与空间结构；二是验潮站维持的深度基准系统的统一性与实用意义。本模型采用了179个站点，由图1可知，站点较密集地分布于整个渤海以及黄海沿岸，能满足订正量的空间内插要求。四、结束语本文采用以潮汐模型为基础、验潮站订正的方法构建了深度基准面模型：由高精度、高分辨率精密潮汐模型计算的初步模型，精细描述了深度基准面的空间非线性变化；再通过海图所用验潮站的订正，使成果模型的深度系统与海图保持一致,保证了模型在海图水深成果拼接、陆海基准转换与统一等方面的实用价值。依据实践经验，全海域深度基准面模型的构建是逐步精化完善的过程，随着潮汐数值模拟技术水平、订正方法等的发展、验潮站的累积等，对深度基准面模型进行更新：一是全海域的模型提升；二是对复杂的沿岸局部海域进行更新，如VDatUm系统在弗罗里达海域的多次局部更新。因此，天津海事测绘中心将根据深度基准面模型在工程中的应用情况，持续更新，提高精度与适用性。海洋测绘技术的发展状况研究摘要：随着数字信息化技术的发展，近年来，我国海洋测绘发生了历史性的变革，进入了以数字式测量为主体、以计算机技术为支撑、以3S技术为代表的新阶段。以岸基、舰船、飞机和卫星为平台的立体测量框架及综合要素探测已成为海洋测绘的主要模式。关键词：海洋测绘；数字化；测深系统1 .引言我国海洋面积广阔，做好海洋的测绘工作有着深远的意义。以前的海洋测绘通常使用罗盘定位与六分仪、测深杆、测深绳、测深铅鱼等方法进行测量，耗时耗力且测量精度不高，测量出来的数据只能用作粗略的了解，无法得出高精度的数据。随着科技的发展，大量新技术应用于海洋测绘工作中，在测深方面，侧扫声呐和多波束测深系统，海洋遥感测深等技术可以得出精确的数据，应用卫星测高技术对海洋大地水准面、重力异常、海洋环流、海洋潮汐等问题进行了比较详细的探测。现今，数字信息化技术在海洋精密定位和水深测量中得到了广泛的使用，使海洋测绘从测量航海要素为主，发展到测量各种专题要素的信息和建立海底地形模型的全部信息，使海洋测绘向着更高效、高精度的方向发展。2 .海洋测绘技术的发展历程海洋测绘是指测量海洋底部的地球物理场的性质及其变化特征，绘制成不同比例尺的海图和专题海图，是对海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制工作。主要包括海道测量、海洋大地测量、海底地形测量、海洋专题测量，以及航海图、海底地形图、各种海洋专题图和海洋图集等的编制。常规或传统的海洋深度测量主要以水面船只作为测量平台。由于其测量精度高、探测详细，今后仍将为海洋测量的主要作业模式。随着卫星遥感技术的应用，应用卫星遥感手段在浅水区修编海图方面达到实用化阶段。机载激光水深测量技术在国外已经应用，我国正在进行研究，预计可实现浅于50m海区大面积快速测量。20世纪90年代，我国开始将航空摄影测量手段应用于海洋测绘，主要解决浅水区或岛礁附近海岸地形测量。在相当一段时期内，海洋测量的要素相对单一，最主要的为深度和底质测量。20世纪80年代，随着侧扫声纳、海洋重力仪的应用，海洋测量可同时获取海底地貌、海洋重力场数据。双频测深仪的应用，则可同时对深度、淤泥厚度和底质类型进行测量或判别，具有较好的实用性。20世纪90年代以后，新造测量船只配备的测量设备发生了很大的变化，可同时完成多个任务剖面，包括水深测量、海底地形地貌测量、重力与磁力测量、浅地层剖面测量，以及水文气象调查，可最大程度地发挥测量船的效能，获取海洋环境的综合要素信息，提高经济效益和军事效益。日本、英国和美国等沿海发达国家早已形成了数字化的空间地理环境产品生产的技术体系。由于不同数字产品的一致性问题，不同数据源的融合问题现已引起了科研和管理部门的高度重视。美国于1996年把6大政府国家机构的影像技术部门，划归到国防部制图局，成立了美国国家影像与测绘局（NIMA）,使得遥感影像、地形图、海图等不同空间信息的管理与出版取得了一致性。日本也于2001年4月把安全厅的水路部改名为海洋信息部,形成了与美国NOAA相似的，可同时完成海洋环境的调查、测量、评价与数字产品出版的技术体系。由此可见,数字地图、GlS到数字战场环境、数字地球，不只是名词与概念上的改变，它是地理信息科学与实践发展到了一个技术节点的必然反映，可引起空间信息技术与数字产品出版体系发生重大的技术变革。按照科学的方法论，考察、归纳沿海国家海洋测绘产品的生产体系，由于历史沿革、数据积累与技术条件的不同，不同的国家具有完全不同的海洋测绘产品的出版、分发与服务模式。3 .探测技术的新进展3.1 海洋测深空间的精细描述刘雁春将海洋空间3维水深场测量结构细分为基本空间结构、瞬时测深空间结构、水位（潮汐）改正空间结构、稳态深度空间结构并研究了各空间结构的数据处理问题，提出了接近真实水深场的再现与推估及随船一体化海洋测深的新概念和新方法，在国际上建立了高精度海洋测深的空间结构及其数据处理的理论。3.2 海洋测深网平差理论与方法的建立在国家自然科学基金的资助下，刘雁春等成功地将海洋测深数据按测线组网进行整体平差，建立了海洋测深数据的平差理论，完成了海洋测深数据的系统误差补偿和精度评定。3.3 测深效应的研究测深效应是指测深过程中的影响因素及对测深的作用效果，是高精度海洋测深必须研究的关键问题。近年来这方面取得突破的有波束角效应的影响、波束角效应和波浪效应的耦合机制及其改正、系统延时效应、测线布设方向的平滑效应与伸缩效应、深水浅报效应、船姿效应，为高精度水深测量提供了改正模型和改正方法。3.4 异常测深数据的探测研究海洋动态环境易导致异常水深数据，探测并消除异常数据是保证海洋测深数据质量的基础工作。这方面的研究有抗差回归分析法来抵制测深粗差的污染、抗差KaLman滤波、序统计滤波等，这些方法均有一定的优点和适应性。3.5 多波束测深系统的研究多波束测深的效率高的优越性使其成为海洋测深的主要技术，这方面的研究主要包括：多波束归位计算模型和过程的建立、多波束测深系统中的安装校准误差影响规律研究、多波束相位差序列模型的建立、多波束测深的声速改正、多波束的信号检测、多波束水深数据和侧扫图像融合处理、多波束图像生成、多波束海量数据的三维建模、基于多波束数据的海底底质的自动分类识别和多波束数据后处理软件的研制等。3.6 机载激光测深方面的研究机载激光测深技术适合我国局部海域，这方面的进展有：建立了顾及波浪和潮汐影响的机载激光测深的深度归算模型，建立了顾及姿态变化的机载激光测深的位置归算模型。3.7 严密的海洋测绘垂直框架翟国君等探讨了建立海洋测绘基准的必要性和具体方法。暴景阳等探讨了建立理论深度基准面中浅水改正和长周期潮改正的合理性，指出：一年或更长时间尺度的潮汐序列经调和分析计算海图深度基准面的稳定性在中国沿岸处于厘米级；中国沿岸长期站的深度基准面之间的差异是算法不同所致；为保证分潮表达最低潮面合理性，建议浅水分潮订正宜采用区间订正法，长周期分潮订正宜直接按年周期分潮振幅订正；精化海图基准面的任务不在于改变模型，在于精化算法。劳顺根等研究了长江口近代历史海图各深度基准面的推算数学模型。黄辰虎等研究了采用最小二乘潮位拟合法推算海上定点验潮站未来时刻潮位值的方法，吴中鼎研究了潮波数值模型用于海道测量水位改正的适用性。4 .结语海洋测绘是我们认知海洋重要的一步，新技术在海洋测绘方面的应用能够更好的提高测绘的精度，现代数字化信息技术其自身卓越的性能和巨大的优势在海洋测绘方面有着广阔的前景，应该加快对于现代化信息技术如GPS等在海洋测绘方面的研究，使其不仅能够在海洋测绘方面发挥作用，更能够在内陆的水域与近海海洋的测绘中发挥重要作用。参考文献：Ul清华大学图书馆.中国学术期刊影响因子年报(自然科学与工程技术)M.北京：中国学术期刊电子杂志社，2013：15-20.2MPan,LESjoberg-UnificationofVerticalDatumbyGPSandGravimetricGeoidModelswithApplicationtoFennoscandiaJJournalofgeodesy,1998,(72)：64-703翟国君,黄谟涛.海洋测绘发展历程J.海洋测绘,2012,32(4)：74-81.