CN102798376A - 陆海高程基准统一技术 - Google Patents

Abstract

陆海高程基准统一技术，属于大地测量学与测量工程技术领域的发明专利。海洋区域的深度和陆地及海岛的高程均属于基础地理信息的垂直参量，在数据获取、处理和应用方面却采用不同的基准。建立两类基准间的相互关系，是实现陆海地理信息数据统一和集成表达的迫切现实需求。基于此，根据深度基准是一种特定低潮面，且通常以平均海面为参考面表达的现实，本发明提出了在利用潮汐模型构建深度基准面网格数值模型的基础上，通过建立在国家高程基准中表达的海面地形模型，实现深度基准面在国家高程基准中表达，完成海洋深度基准向陆地高程基准转换与统一的技术方法。

Description

陆海高程基准统一技术

技术领域

本发明是陆海高程基准统一技术，属于“大地测量学与测量工程”学科中的大地测量基准建立、完善与维持方面基础性工作和技术领域。 

背景技术

海洋区域的深度和陆地及海岛的高程均属于基础地理信息的垂直参量，在数据获取、处理和应用方面却采用不同的基准。建立两类基准间的相互关系，是实现陆海地理信息数据统一和集成表达的迫切现实需求。 

海面的动态涨落特性、传统海道测量技术的制约、以及主要面向航海图编制的服务目标等诸多方面的原因，使得海洋深度数据的获取、处理和表达采用特定的潮汐基准面——海图深度基准面，简称深度基准面。在航海保障率和航道利用率的双重限制原则下，该面选取为接近但不一定超过潮位降落的最低限度的特征低潮面，在我国则定义为理论最低潮面。 

自深度基准面起算的海洋深度本质上是为应用方便定义的保守深度或保守水层厚度。而海洋中的潮波运动和特定地点的海面振动(潮位变化)均以无潮状态下的理想海面面为平衡面，因此，作为特征低潮面的深度基准面统称根据潮汐参数(调和常数)以潮汐振动的平衡面为参考面进行计算和确定。同时无潮状态下的理想海面在实用中以多年平均海面(简称平均海面)代替，所以，深度基准面实际上是以平均海面为起算面，以虽地而变的数值表示。 

传统的水深测量技术，通常是通过布设验潮站的方式，观测水位变化数据，通过水位数据分析结果确定深度基准面，并提供测量时刻自深度基准面到瞬时海面的动态水位高度，将其作为改正数，对瞬时水深数据进行改正，从而，将 测定的随时间变化的瞬时水深归算至自深度基准面起算深度。因为深度基准面为一种特征低潮面，不计深度基准面确定本身的误差，尽管它也具有不随时间变化的特征，但该基准面确定的出发点是为航海用户提供具有足够安全系数的专题地理信息，而并非为保证获得海底地貌精细形态这类基础地理信息为目的。因此，目前的海洋深度表示基本不与国家统一的高程基准建立必然的联系。 

随着海洋开发利用和海洋工程建设的加快，陆海一体，海岛(礁)与周边海底统一协调的基础地理数据日渐成为面向多种应用需求的测绘信息保障样式，与这种信息服务模式相适应，需要实现国家统一的高程基准向海洋区域的延伸，建立国家高程基准与海洋区域内习用深度基准面之间的转换关系，经高程基准和深度基准的转换和统一实现陆海、岛海高程数据表达的一致。 

近年来，国际上在建立海洋深度基准与当地高程基准关系方面做了大量研究，并推动陆海地理信息统一工作的技术实施工作。典型的研究和成果应用工作包括：Ruth Adams.Seamless Data and Vertical Datums——Reconciling Chart Datum with a Global Reference Frame，The Hydrographic Journal，No.113，9-142004；FIG Commissions4 and 5Working Group4.2，FIG Guide on the Development of a Vertical Reference Surface for Hydrography，Copenhagen，denmark，2006；Christian Andreasen，Vertical Datum Issue for Data Continuity from the Land to the Seafloor，Proceedings of the Canadian Hydrographic Conference and National Suurveyors Conference 2008。国外在本技术领域的推动性工作的基本思想主要体现为选择地球椭球面这一光滑连续的规则几何形体面作为最基本的陆海无缝垂直基准面，验潮站水准点作为海域深度基准和其它相关潮汐基准的离散维持点，通过长期水位观测数据的统计计算或在调和分析基础上的解析计算，获得在水尺零点上的平均水位高度，以及深度基准面相对平均海面的垂直偏差，进一步 根据水尺与水准点间的高差观测数据，确定平均海面和深度基准面在正高或正常高系统中的高程，经由水准点GNSS联测数据，确定平均海面和深度基准面的大地高。由分别表示在大地高系统和正高(或正常高)系统中的深度基准面高程，以合理的内插策略，建构深度基准面和高程基准之间的区域性转换与统一模型。 

本发明与现行方法的主要不同体现在：(1)依据精密海洋潮汐模型构建深度基准面与平均海面垂直偏差的网格形式数值模型，不仅可扩大模型的覆盖区域，而且，在充分利用验潮站历史数据与潮波动力学方程同化技术基础上，保证潮汐调和常数及由此计算确定的深度基准面质量可控；(2)利用海面地形模型作为深度基准面向国家高程基准转换的关系模型，可充分利用海面地形的长波特性，避免大地水准面误差和深度基准面大地高模型误差的叠加影响，在沿岸验潮站平均海面高程数据控制下，保证海面地形的表征与陆地地形共用相同的国家高程基准，并给出明确的转换精度指标。 

发明内容

1、陆海高程基准统一技术，其特征在于通过建立海洋深度基准与正常高系统高程基准的联系，实现海域水深信息向高程基准的转换与统一，为陆海基础地理数据的集成提供垂直基准转换与统一的技术支撑。包括以下步骤： 

1)深度基准面相对平均海面的数值模型表达； 

2)建立深度基准面与国家高程基准的联系； 

2、根据权利要求1所述步骤2)，关于建立深度基准面与国家高程基准的联系，计算和构建深度基准面正常高的网格模型，其特征在于，提出了利用海面地形模型作为过渡的高程基准和深度基准转换方法，其步骤为： 

1)构建全球高程基准中的海面地形模型； 

2)全球高程基准海面地形模型的滤波与平滑； 

3)海面地形模型的基准调整至国家高程基准； 

4)确定深度基准向高程基准的转换模型； 

5)深度基准向高程基准转换的精度评估。 

附图说明

图1深度基准向高程基准转换的技术流程 

图2海面地形模型构建技术流程 

具体实施方式

陆海高程基准统一技术实现的技术关键在于将海域深度基准面表达在国家高程基准体系中，建立两种基准垂直偏差的地理分布关系数值模型，从而实现深度基准向高程基准的转换与统一。 

深度基准面在我国被定义为理论最低潮面，实用中，由潮汐调和常数确定，含义是潮汐作用可能达到的理论最低限度，计算的原理性公式为： 

$L=-\min \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{H}_i\cos ({\mathrm{\σ}}_{i}t+V_{0i}-g_i)---\left(1\right)$

注意到该式的潮高表达 

不包含零频的常数项，即该项取为“0”，表明深度基准面是自潮汐振动的平衡位置(即理想无潮海面)起算的，同时表明，深度基准是一种自由基准体系，与大地测量的相关垂直基准不存在相互关联。(1)式中“min”符号表示对潮高取最小值，因最小值为负，为表征深度基准面与理想无潮海面之间的垂直偏差，式中的右端前置“-”号。 

取长时间瞬时海面高度的平均值作为对理想无潮海面的逼近，则可将深度基 准面化算为瞬时海面高度观测所依据的垂直基准。因为瞬时水位观测的参考面可以采用或归算到不同含义的大地测量垂直基准，相应地，深度基准面可以纳入不同类型的垂直基准，因此，存在深度基准向高程基准转换与统一的多种实现方式。 

当水位记录采用国家高程基准为起算面时，长时间平均的平均海面也同样表达于国家高程基准体系，经深度基准面(与平均海面的垂直偏差)值传递后，可实现深度基准面在高程基准中的直接表达，即得到高程基准和深度基准的相互转换关系。对于水位记录零点与国家水准网以水准高差相联接的大陆沿岸验潮站及周边的陆海测量区域而言，这正是检验传统上表示深度基准和高程基准之间，进而水深数据与陆地地形数据之间相互匹配一致性的依据。 

事实上，以平均海面为起算面的深度基准面在海洋区域是随潮汐变化情况而逐点变化的，且当离开海岸后，即便在海岛与海上布设有长期验潮站，也难以根据水准联测技术建立起深度基准和高程基准间的相互关系。为此，陆海高程基准的转换与统一应该而且必须通过建立深度基准面与国家高程基准表征模型之间的层面关系来实现。 

考虑到由卫星测高数据确定的平均海面高模型、由多源重力数据精化的大地水准面模型均以地球椭球面为参考面，因此，对于海上任一点 

在给定平均海面高 

大地水准面高 

和深度基准值 

后，可得如下相互关联的信息： 

深度基准面的大地高为 

h_CD＝h_MSS-L    (2) 

相对大地水准面表示的深度基准面为 

H_CD＝h_CD-N    (3) 

顾及(2)式，(3)式可改写为 

H_CD＝h_MSS-N-L＝ζ-L    (4) 

其中：ζ＝h_MSS-N为海面地形高度。 

精化的海域大地水准面不仅决定于所依据的地面、船测、航空和卫星探测等多种来源的重力数据，也决定于所依据的全球大地水准面参考场模型，因此，精化后的大地水准面仍属于全球大地水准面系统，与国家高程基准之间往往存在垂直偏差ΔN，因此，与国家高程基准相容的大地水准面应为： 

N_Local＝N+ΔN    (5) 

利用(5)式对大地水准面的纠正通常由GPS水准实测高程异常的控制实现。 

相应地，在国家高程基准中表达的海面地形高度为： 

ζ_Local＝ζ-ΔN    (6) 

若根据(2)式确定的深度基准面大地高、经由纠正的大地水准面，利用(3)式确定深度基准和国家高程基准的转换关系，即便不顾及深度基准面本身的定义实现误差，转换关系误差也将包含大地水准面确定和平均海面大地高确定两种来源的误差影响，而在海域缺乏GPS水准实测高程异常控制的条件下，获得cm级的大地水准面仍然存在较大难度，而平均海面模型的精度也基本处于±5cm的量级。所以，依据(3)式获取高程深度基准的转换关系以实现陆海高程基准统一将有较大的误差量级，甚至难以做到有效的精度控制。 

尽管(4)式中的海面地形高度ζ在形式上是将大地水准面模型由平均海面高模型中剥离而得，但该模型的建立可仅根据由卫星测高数据确定的海面地形和海域的重力大地水准面精化成果来实现，而无需GPS水准数据对大地水准面的纠正和调整，该项纠正和调整工作是通过(6)式，通过获取确定国家高程基准的长期验潮站的海面地形值完成的。同时，与大地水准面和平均海面高相对地 球椭球面均呈现出较大幅度(在中国近岸海域具有数十米的变化量级)相比，海面地形仅为分米级的扰动量，顾及海面地形的长波特性，可进行适当的平滑处理，已消除或削弱求解海面地形所依据的平均海面高和大地水准面中的局部误差影响。本发明的主要成员所做前期研究(邓凯亮，暴景阳，章传银等，测绘学报，Vol.38，No.2，p114-119，2009)表明，经国家高程基准与全球高程基准垂直偏差调整，将海面地形纳入国家高程基准区域性高程系统后，海面地形的精度可达±5cm的精度水平，亦即不计深度基准面定义实现误差情况下，陆海高程基准转换与统一可达到相同的精度水平。 

本发明的创新点在于：(1)提出基于海面地形的陆海高程基准转换与统一实现方案(图1)，可以在很大程度上消除或削弱大地水准面和平均海面高模型的双重误差影响，使得转换与统一过程简便，并最大限度地保证高程基准转换与统一的精度；(2)提出了海面地形模型获取、消噪，调整纳入国家高程基准体系的技术流程(图2)，将精化的大地水准面与国家高程基准相容一致性的调整转变为海面地形调整，可保证海面地形模型作为陆海高程基准统一的、精度可控的独立信息源利用。 

陆海高程基准统一的具体实施方法和步骤为： 

一、深度基准面相对平均海面的数值模型表达 

深度基准面作为理论最低潮含义的特定潮汐基准面，根据潮汐模型，由网格点的潮汐调和常数按国家标准《海道测量规范(GB12327-1998)》的规定公式计算，获取高分辨率的网格形式深度基准面与平均海面之间的垂直偏差数值模型，实现深度基准面在海域的近似连续形式表达，改进传统海洋测绘技术仅在离散的验潮站点提供该数值的深度基准表示与应用模式。 

二、建立深度基准面与国家高程基准的联系 

利用(4)式，将深度基准面表示在国家高程基准体系中，获得覆盖应用海域的深度基准向高程基准转换和统一的数值模型，具体实现步骤为： 

1)构建全球高程基准中的海面地形模型 

利用卫星测高数据确定的平均海面高模型、结合由多源重力数据精化的大地水准面模型，构建以精化大地水准面为起算面的海面地形模型。 

2)全球高程基准海面地形模型的滤波与平滑 

采用高斯滤波等滤波方法对由分离法构建的全球高程基准中的海面地形模型进行平滑处理，消除平均海面高模型或精化大地水准面模型中的噪声，保证海面地形的连续平滑特性。 

3)海面地形模型的基准调整至国家高程基准 

根据平滑后的海面地形模型，计算国家高程基准原点确定验潮站海面地形高度值，将该值作为国家高程基准与全球高程基准的垂直偏差，利用(6)式调整海面地形的基准为国家高程基准。 

4)确定深度基准向高程基准的转换模型 

将海面地形模型与深度基准面L值模型利用(4)进行组合，完成深度基准面随不同地理位置向高程基准的转换关系，获得覆盖应用海域的陆海高程基准转换统一关系数值模型。 

5)深度基准向高程基准转换的精度评估 

将经过基准调整的海面地形模型沿岸长期验潮站多年平均海面的水准联测高程进行比较，获取模型值与实测值的差异，求取该差值中误差的无偏估值，得到调整后的海面地形模型精度，即陆海高程基准转换与统一的精度。 

Claims (3)

1.陆海高程基准统一技术，其特征在于通过建立海洋深度基准与正常高系统高程基准的联系，实现海域水深信息向高程基准的转换与统一，为陆海基础地理数据的集成提供垂直基准变换与统一的技术支撑。包括以下步骤：

1)深度基准面相对平均海面的数值模型表达；

2)建立深度基准面与国家高程基准的联系。

2.根据权利要求1所述步骤2)，关于建立深度基准面与国家高程基准的联系，计算和构建深度基准面正常高的网格模型，其特征在于，提出了利用海面地形模型作为过渡的高程基准和深度基准转换方法，其步骤为：

1)构建全球高程基准中的海面地形模型；

2)全球高程基准海面地形模型的滤波与平滑；

3)海面地形模型的基准调整至国家高程基准；

4)确定深度基准向高程基准的转换模型；

5)深度基准向高程基准转换的精度评估。

3.陆海高程基准统一技术，其应用范围不仅限于陆地和海洋之间的高程基准统一变换，也适用于海岛(礁)与周边水域垂直基准变换与统一及高程数据的集成。

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