CN117271960A - 联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，属于高程测量技术领域，用于提供长周期分潮模型，包括选择研究区域内的多源卫星测高沿轨数据，得到轨迹点的瞬时海面高，采用距离加权平均法把重复轨道的观测值求算到参考轨道的正常点上；对每个标准点的海面高时间序列进行调和分析，得到长周期分潮的沿迹调和常数，对研究区域内所有轨迹弧段的沿迹调和常数进行插值计算，得到长周期分潮经验潮汐模型，提取研究海域内全球潮汐模型的短周期分潮模型；计算网格点处的深度基准值，构建深度基准面模型。本发明解决了由长周期分潮不稳定引起的深度基准面较大幅度的时变特征，为构建准确、时空一致的深度基准面模型提供数据基础。

Description

联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法
技术领域
本发明公开联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，属于高程测量技术领域。
背景技术
海洋深度基准的构建是海洋测绘的基础性工作。目前我国陆地采用1985国家高程基准，海洋采用理论深度基准。深度基准面相对于当地平均海面定义，具体实现时有很大差异，从而导致不同区域的深度基准之间及其与高程基准之间的关系存在许多不确定性。从历史到现在，我国的深度基准都是以海洋航海安全为目的，基准离散呈现台阶式跳变，且难以与陆地高程基准进行严密转换与统一。
我国历史上采用的海洋深度基准面类型多样，在1956年定义为理论最低潮面，并在1999年对其确定算法进行了改进。理论最低潮面的定义，即对于特定地点在一定时域内，海面达到的理论上最低的位置，由分潮调和常数计算并通过与当地多年平均海平面之间的距离表示，具有显著的地域差异。根据《海道测量规范》(GB 12327-2022)关于理论最低潮面值的计算规范，目前理论最低潮面值一律采用13分潮模型计算，即短周期分潮(Q1, O1, P1,K1, N2,M2, S2, K2, M4, MS4和M6) 和长周期分潮(Sa and Ssa) 。随着潮汐模型精度的不断改善，利用潮汐模型进行深度基准值的计算成为深度基准面模型构建的主要技术方法。而国际上公布的多数潮汐模型仅提供了短周期分潮模型，少数提供的长周期分潮模型为流体动力学结果，与实际值相差较大，直接影响了深度基准值的计算。由于长期验潮站能够提供多年以上的潮位观测数据，由此可获取准确可靠的长周期分潮模型，因此目前的深度基准值计算仅局限在长期验潮站点，临时验潮站点的深度基准值则是基于附近长期验潮站同步观测数据采用距离加权内插法、略最低低潮面比值法、潮差比法、最小二乘拟合法和差分订正法等方法的深度基准传递，但由该系列方法确定的深度基准值的精度主要取决于同步观测数据的质量，潮汐性质、传递距离、同步时长和地形环境等因素也会影响传递精度，无法应对时变性的影响，具有一定的局限性。此外，验潮站多位于陆地，受地壳垂直形变影响显著，其观测的潮位数据反映的是一种相对海面高变化，由此确定的深度基准值反映的是深度基准面在一定时期内的相对基准值，具有意义不一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，以解决现有技术中，潮汐模型中缺乏长周期分潮模型的问题。
联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，包括：
S1.选择研究区域内的多源卫星测高沿轨数据；
S2.对每个周期所有轨迹弧段的观测值进行地球物理参数改正，得到轨迹点的瞬时海面高；
S3.选择一条观测值质量最好、数目最多的轨道作为参考轨道，参考轨道上的每一个测量点作为正常点，采用距离加权平均法把重复轨道的观测值求算到参考轨道的正常点上，得到每个标准点的海面高时间序列；
S4.对每个标准点的海面高时间序列进行调和分析，得到长周期分潮的沿迹调和常数；
S5.利用最近邻插值法，对研究区域内所有轨迹弧段的沿迹调和常数进行插值计算，得到空间分辨率为3.75′×3.75′的长周期分潮经验潮汐模型；
S6.提取研究海域内全球潮汐模型的短周期分潮模型；
S7.根据理论最低潮面定义，计算网格点处的深度基准值，构建深度基准面模型；
混合潮海区中，分别计算分潮交点因子在半日潮海区和日潮海区的两组数值，计算深度基准值的两组结果，取其大者为最终结果；
S8.对多年验潮站潮位观测数据计算的深度基准值进行精度评估，判断深度基准面模型的合理性和适用性。
距离加权平均法包括：
假设选定的参考轨道上的正常点的海面高为/>，以点/>的大地纬度/>作为参考标准，分别在各个周期对应的轨道上选取与点/>大地纬度/>对应的前后各5个点，得到共10个点/>，然后再将选取的10个点按照距离加权平均法计算出对应的海面高。
距离加权平均的公式为：
；
式中，是第/>个参与距离加权计算的点对应的权重，取计算点到正常点的球面距离/>的倒数，/>是第/>个参与距离加权计算的点对应的海面高；
；/>；
式中，、/>分别为第/>个参与距离加权计算的点到待插值点的纬度、经度差，/>为第/>个参与距离加权计算的点的纬度。
加权计算过程中要剔除残差大于两倍中误差的点，其中残差和中误差/>的计算公式如下：
；/>；
k为参与距离加权计算的点的总个数。
加权计算过程中，对于每个参与计算的重复轨迹弧段，开头4个点与末尾4个点处理时不能取前后各5个点进行距离加权计算，此时选择不超过10个临近点进行加权计算，判断15cm或者加权计算点少于7个时，则认为插值点不可用。
调和分析包括：
实际的潮高采用如下形式：
；
式中，表示时间序列的均值，m表示分潮的个数，/>是第i个分潮振幅的一个改正因子，/>是第i个分潮的振幅，/>是第i个分潮的角速率，/>是第i个分潮的观测期间开始日世界时零时假想天体的位相角，/>是由于海底摩擦、惯性力引起的高潮时落后于月中天时刻的位相角；
上式是关于调和常数的非线性表达，为求得振幅和迟角两类参数，需将模型线性化，线性化过程由如下参数变换实现：
；/>；
式中，和/>为两个中间参数，用于将调和常数变换为余弦分量和正弦分量，潮高模型进一步表示为：
；
按最小二乘原理，逐时刻按上式列出观测方程，分析获得余弦分量和正弦分量后，通过以下变换得到调和常数：
；/>。
理论最低潮面的计算包括：
理论最低潮面值采用13分潮模型计算，计算方法如下：
；
式中，为求极小值运算符，/>为分潮交点因子与分潮振幅的乘积，分潮符号下标表示所取的值为该分潮相应数值，/>为分潮相角，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为不同类型的分潮，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>为中间参数，具体为：
；
；
；
；/>；/>；/>；
式中，g为对应分潮的调和常数。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的利用卫星测高数据进行长周期分潮模型构建，卫星测高反演的海面高时间序列是一种绝对海平面变化，弥补了验潮站这一缺点，由此确定的深度基准值不受地壳垂直形变等因素的影响，具有显著优势和重要科学意义；提出采用精度最优的地球物理参数改正模型进行多源卫星测高数据的精细化处理，并进行长周期分潮经验模型构建，解决了由长周期分潮不稳定引起的深度基准面较大幅度的时变特征，为构建准确、时空一致的深度基准面模型提供数据基础。提出联合利用多源卫星测高数据和潮汐模型进行深度基准面模型构建的方法，解决深度基准面模型在近海海域精度较低的问题，能够进一步促进深度基准面的空间分布特征分析，对于陆海垂直基准体系建设具有重要科学意义。
附图说明
图1是本发明的技术流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，包括：
S1.选择研究区域内的多源卫星测高沿轨数据；
S2.对每个周期所有轨迹弧段的观测值进行地球物理参数改正，得到轨迹点的瞬时海面高；
S3.选择一条观测值质量最好、数目最多的轨道作为参考轨道，参考轨道上的每一个测量点作为正常点，采用距离加权平均法把重复轨道的观测值求算到参考轨道的正常点上，得到每个标准点的海面高时间序列；
S4.对每个标准点的海面高时间序列进行调和分析，得到长周期分潮的沿迹调和常数；
S5.利用最近邻插值法，对研究区域内所有轨迹弧段的沿迹调和常数进行插值计算，得到空间分辨率为3.75′×3.75′的长周期分潮经验潮汐模型；
S6.提取研究海域内全球潮汐模型的短周期分潮模型；
S7.根据理论最低潮面定义，计算网格点处的深度基准值，构建深度基准面模型；
混合潮海区中，分别计算分潮交点因子在半日潮海区和日潮海区的两组数值，计算深度基准值的两组结果，取其大者为最终结果；
S8.对多年验潮站潮位观测数据计算的深度基准值进行精度评估，判断深度基准面模型的合理性和适用性。
距离加权平均法包括：
假设选定的参考轨道上的正常点的海面高为/>，以点/>的大地纬度/>作为参考标准，分别在各个周期对应的轨道上选取与点/>大地纬度/>对应的前后各5个点，得到共10个点/>，然后再将选取的10个点按照距离加权平均法计算出对应的海面高。
距离加权平均的公式为：
；
式中，是第/>个参与距离加权计算的点对应的权重，取计算点到正常点的球面距离/>的倒数，/>是第/>个参与距离加权计算的点对应的海面高；
；/>；
式中，、/>分别为第/>个参与距离加权计算的点到待插值点的纬度、经度差，/>为第/>个参与距离加权计算的点的纬度。
加权计算过程中要剔除残差大于两倍中误差的点，其中残差和中误差/>的计算公式如下：
；/>；
k为参与距离加权计算的点的总个数。
加权计算过程中，对于每个参与计算的重复轨迹弧段，开头4个点与末尾4个点处理时不能取前后各5个点进行距离加权计算，此时选择不超过10个临近点进行加权计算，判断15cm或者加权计算点少于7个时，则认为插值点不可用。
调和分析包括：
实际的潮高采用如下形式：
；
式中，表示时间序列的均值，m表示分潮的个数，/>是第i个分潮振幅的一个改正因子，/>是第i个分潮的振幅，/>是第i个分潮的角速率，/>是第i个分潮的观测期间开始日世界时零时假想天体的位相角，/>是由于海底摩擦、惯性力引起的高潮时落后于月中天时刻的位相角；
上式是关于调和常数的非线性表达，为求得振幅和迟角两类参数，需将模型线性化，线性化过程由如下参数变换实现：
；/>；
式中，和/>为两个中间参数，用于将调和常数变换为余弦分量和正弦分量，潮高模型进一步表示为：
；
按最小二乘原理，逐时刻按上式列出观测方程，分析获得余弦分量和正弦分量后，通过以下变换得到调和常数：
；/>。
理论最低潮面的计算包括：
理论最低潮面值采用13分潮模型计算，计算方法如下：
；
式中，为求极小值运算符，/>为分潮交点因子与分潮振幅的乘积，分潮符号下标表示所取的值为该分潮相应数值，/>为分潮相角，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为不同类型的分潮，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>为中间参数，具体为：
；
；
；
；/>；/>；/>；
式中，g为对应分潮的调和常数。
本发明技术路线如图1所示，获得多源卫星测高数据后，将多源卫星测高数据融合处理，得长周期分潮提取并进行模型构建，结合现有潮汐模型和长期验潮站资料，进行海洋深度基准构建。本发明中所提及的各类型分潮，可参考中华人民共和国测绘行业标准，高程基准与深度基准转换技术规范，其附录C详细介绍了最低潮面的计算过程，本发明不再赘述其相关内容，有关交点因子数值在附录C的表C.1中，分潮信息在附录B的表B.1中，即本发明所用的表1，本领域技术人员可视情况参考上述标准。
表1 13个主要分潮的基本信息
。
因本发明实验结果均为彩图，因此在具体实施方式中以文字的形式展示。本发明使用全球潮汐模型FES2014提取O1、K1、S2、M2分潮潮波图，使用多源卫星测高提取的长周期分潮Sa和Ssa沿轨结果，包括对Sa和Ssa的振幅以及相位进行绘图，得到理论最低潮面值的分布。其中，Sa的振幅分布在0cm至20cm之间，Ssa的振幅分布在0cm至10cm之间，理论最低潮面值在-450cm至-50cm之间。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，包括：
S1.选择研究区域内的多源卫星测高沿轨数据；
S2.对每个周期所有轨迹弧段的观测值进行地球物理参数改正，得到轨迹点的瞬时海面高；
S3.选择一条观测值质量最好、数目最多的轨道作为参考轨道，参考轨道上的每一个测量点作为正常点，采用距离加权平均法把重复轨道的观测值求算到参考轨道的正常点上，得到每个标准点的海面高时间序列；
S4.对每个标准点的海面高时间序列进行调和分析，得到长周期分潮的沿迹调和常数；
S5.利用最近邻插值法，对研究区域内所有轨迹弧段的沿迹调和常数进行插值计算，得到空间分辨率为3.75′×3.75′的长周期分潮经验潮汐模型；
S6.提取研究海域内全球潮汐模型的短周期分潮模型；
S7.根据理论最低潮面定义，计算网格点处的深度基准值，构建深度基准面模型；
混合潮海区中，分别计算分潮交点因子在半日潮海区和日潮海区的两组数值，计算深度基准值的两组结果，取其大者为最终结果；
S8.对多年验潮站潮位观测数据计算的深度基准值进行精度评估，判断深度基准面模型的合理性和适用性。
2.根据权利要求1所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，距离加权平均法包括：
假设选定的参考轨道上的正常点的海面高为/>，以点/>的大地纬度/>作为参考标准，分别在各个周期对应的轨道上选取与点/>大地纬度/>对应的前后各5个点，得到共10个点/>，然后再将选取的10个点按照距离加权平均法计算出对应的海面高/>。
3.根据权利要求2所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于， 距离加权平均的公式为：
；
式中，是第/>个参与距离加权计算的点对应的权重，取计算点到正常点的球面距离/>的倒数，/>是第/>个参与距离加权计算的点对应的海面高；
；/>；
式中，、/>分别为第/>个参与距离加权计算的点到待插值点的纬度、经度差，/>为第个参与距离加权计算的点的纬度。
4.根据权利要求3所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，加权计算过程中要剔除残差大于两倍中误差的点，其中残差和中误差/>的计算公式如下：
；/>；
k为参与距离加权计算的点的总个数。
5.根据权利要求4所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，加权计算过程中，对于每个参与计算的重复轨迹弧段，开头4个点与末尾4个点处理时不能取前后各5个点进行距离加权计算，此时选择不超过10个临近点进行加权计算，判断15cm或者加权计算点少于7个时，则认为插值点不可用。
6.根据权利要求5所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，调和分析包括：
实际的潮高采用如下形式：
；
式中，表示时间序列的均值，m表示分潮的个数，/>是第i个分潮振幅的一个改正因子，/>是第i个分潮的振幅，/>是第i个分潮的角速率，/>是第i个分潮的观测期间开始日世界时零时假想天体的位相角，/>是由于海底摩擦、惯性力引起的高潮时落后于月中天时刻的位相角；
上式是关于调和常数的非线性表达，为求得振幅和迟角两类参数，需将模型线性化，线性化过程由如下参数变换实现：
；/>；
式中，和/>为两个中间参数，用于将调和常数变换为余弦分量和正弦分量，潮高模型进一步表示为：
；
按最小二乘原理，逐时刻按上式列出观测方程，分析获得余弦分量和正弦分量后，通过以下变换得到调和常数：
；/>。
7.根据权利要求6所述的联合利用卫星测高和潮汐模型的深度基准面模型构建方法，其特征在于，理论最低潮面的计算包括：
理论最低潮面值采用13分潮模型计算，计算方法如下：
；
式中，为求极小值运算符，/>为分潮交点因子与分潮振幅的乘积，分潮符号下标表示所取的值为该分潮相应数值，/>为分潮相角，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为不同类型的分潮，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>为中间参数，具体为：
；
；
；
；/>；/>；/>；
式中，g为对应分潮的调和常数。
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