海洋测绘垂直基准的建立与转换.pdf

第 31卷第 1期2011年 1月海?洋?测?绘HYDROGRAPH IC SURVEY I NG AND CHART INGV ol?31,N o?1Jan.,2011收稿日期:2010?03?25;修回日期:2010?11?15作者简介:许家琨(1956?),男,山东莒县人,高级工程师,主要从事海道测量、海洋工程应用与研究。海洋测绘垂直基准的建立与转换许家琨1,申家双2,缪世伟1,黄辰虎2(1?92899部队,浙江 宁波?315200;2?海军海洋测绘研究所,天津?300061)?摘要:在我国海洋测绘采用的多个基准面的复杂进程中,垂直基准的建立与实现已开始初露端倪并越来越引起大家的重视。就海洋测量垂直基准的现状、垂直基准面间的关系、海岸带地形测量与水深测量基准面转换技术等方面进行探讨,以期实现海岸带地形图和水深图的无缝拼接。关键词:海洋测绘;垂直基准;高程基准;深度基准;平均海面中图分类号:P223+?0?文献标识码:A?文章编号:1671?3044(2011)01?0004?051?引?言海岸带地形测量、沿岸水深测量、近海水深测量以及中远海水深测量在垂直基准方向上涉及到的基准面主要有参考椭球面、大地水准面、1985国家高程基准、平均海面和深度基准面等。海岸带是海岸线分别向陆地、海洋扩展一定宽度的带状区域,是影响人类活动的重要地带。目前海岸带地区的地形测量和水深测量分别采用不同的垂直基准面,即陆地地形图高程基准为 1985国家高程基准面,水深图采用理论深度基准面。由于采用不同的基准面,导致了测量成果数据必须通过一定的转换才能达到基准上的统一,制约了两图成果数据的无缝合成和拼接。为解决两种数字成果在垂直方向的拼接问题,需要就海洋测量垂直基准的现状、垂直基准的选择、垂直基准面间的关系、海岸带地形测量与水深测量基准面转换技术等方面进行研究,以期实现海岸带地形图和水深图的无缝拼接。在海道测量中,平均海面是一个标准的起算基准面,在其上关系到陆地测量高度的高程基准,在其下决定着海洋水深测量的深度基准,进而由深度基准决定着海岸线基准,而深度基准面的高度从当地平均海面起算,当地平均海面应与国家高程基准进行联测。因此,以平均海面作为我国海洋测绘的垂直基准面是建立国家高程基准统一的先决条件,也是实现海岸带地形图和水深图无缝拼接的最佳选择。在此基础上探讨海岸带区域垂直基准转换的关键技术,构建海洋测绘在垂直基准上的融合和统一,为经济建设和国防建设提供可靠的海洋地理空间信息。2?海洋测绘垂直基准的研究成果综述当前,我国的海洋测绘垂直基准主要是以 1985国家高程基准的高程基准和以理论最低潮面为基准的深度基准。建立统一的海洋测绘基准是进行海洋勘测、海洋开发和研究的先决条件。世界上一些主要海洋国家历来非常重视海洋测绘基准的建立和统一问题。我国的海洋测绘基准主要是在陆地和海洋所采用的不是一个基准面,所以一直存在着数据转换和图件的拼接问题,更难以实现我国与相邻国家的海洋勘测图的有效拼接,所以无法满足专属经济区、毗连区和大陆架划界工作的需要。在海洋测绘垂直基准研究方面,梁振英选择大地水准面作为陆海共同的基准面 2;暴景阳、章传银教授提出以平均海面作为陆海基本垂直基准面的思想 5;王双喜博士认为把参考椭球面、大地水准面以及理论深度基准面相结合从而构成海岸带连续基准;李凯、田震等则认为选择参考椭球面作为陆海数据交换的中介并进而过度到无缝衔接;于彩霞博士等从制图角度出发,通过对多个高程基准的转换关系,得出来局部高程改正的模型,为海图和地形图的无缝拼接奠定了基础。翟国君、黄谟涛教授等认为海洋测绘垂直基准应分级设定,作为基础海洋地理信息获取方式的海底地形测量,选取平均海面基准作为水位控制的基础应该是保证数据质量和可重复性的主要解决思路 1。陈艳华、周兴华、孙翠羽等学者系统分析了潮汐基准面和大地水准面不适合作为无缝垂直基准面的原因,提出以椭球面作为无缝垂直基准面第 1期许家琨,等?海洋测绘垂直基准的建立与转换的合理性和可行性,并建议选择WGS 84椭球面作为我国海域的无缝垂直基准面 8。殷晓冬、田光耀教授认为大地水准面与深度基准面是测绘垂直基准面的主要因素,探讨了我国测绘垂直基准面的现状及其存在的问题,提出了改进测绘垂直基准面的意见建议等 9。3?平均海面是海洋测绘垂直基准的最佳选择实际上,多年以来,我国的平均海面已经作为全国统一的高程基准面。在长达 35年的时间里,采用1956年黄海平均海水面这个中国统一的高程基准面,我们测量了近 50000多个一、二等三角点和65000km的水准路线以及各类数据量达 450万条,并已广泛应用于测绘及相关领域。1956年,由总参测绘局与水利部联合组成中国东南部地区精密水准网平差委员会,选定青岛 1950 1956年七年的平均海面作为全国的统一高程基准面,命名为?黄海平均海水面 ,又称 1956年黄海高程系,于 1959年经国务院批准试行。自该平均海面建立以来,一直沿用到 1990年,在国防建设、经济建设和科学研究等方面起到了重要作用。经国务院批准,国家测绘局于 1987年 5月 26日发布启用 1985国家高程基准、国家水准原点的新高程值以及国家一等水准网成果;后经总参谋部批准,从 1988年 1月 1日起,全军开始启用 1985国家高程基准。1985国家高程基准的确定,是根据平均海面的定义,采用MO(中数法)、XO(杜德逊 Doodson,A?T?)、ZO(鲁斯特 Rossiter,J?R?)、NO(陈宗镛 1960)、GO(戈丁Godin,G)五种低通滤波公式,对青岛验潮站 19521979年 28年的潮汐资料进行计算,分别得出了 10组18?61年和 19年的平均海面值,经分析,最后选取 10组19年的平均海面值再取平均值,即为 1985国家高程基准。国家技术监督局于 1990年 12月 1日发布实施。实际上两个基准面相差甚微,只有 0?029 m。其换算公式为:1985国家高程基准的高程值=1956年黄海平均海面的高程值-0?029 m。在海洋测量工作中,经常使用的是平均海面的中数法定义。即:视潮高为一时间观测序列?(t)(t=0,1,2,.),则定义:MO=1n!n-1t=0?t为平均海面。就是将一天 24h整点潮高的算术平均值称为日平均海面;30天日平均海面的算术平均值称为月平均海面;12个月平均海面的算术平均值称为年平均海面;多年年平均海面的算术平均值称为多年平均海面。当地多年年平均海面的算术平均值称为当地多年平均海面。1985国家高程基准,使用 28年潮汐观测资料,采用移动平均的方法,取连续 19年的平均海面为一组,滑动步长为 1年,计算 10组不同连续时段的 19年平均海面值的平均值作为高程起算面。由于采用移动平均法,原观测数列的短周期波动被相应的削弱,从而保证了最后结果的高精度,进而也确保了平均海面的高精度和由此产生的 1985国家高程基准的高精度。在海岛(礁)高程传递方面,过去很多岛屿采用当地平均海面作为独立的高程基准面。现在一般采用GPS测高和水准联测技术实现岛屿高程的传递,但仍然必须以平均海面的高程作为起始点和通过以平均海面传递技术获取的高程作为可靠性验证,保证海岛礁高程传递的精度,确保海洋测绘产品的一致性和无缝拼接。因此,远离大陆的岛、礁,其高程基准采用当地平均海面是确立海洋测绘垂直基准的标准选择。在海图深度基准面方面,以理论最低潮面作为深度基准面,而深度基准面的高度从当地平均海面起算,即海图深度基准面是相对于平均海面定义的,所以,平均海面也应该成为海洋测绘垂直基准的基本选择。在灯塔、灯桩的灯光中心高度起算方面,灯塔、灯桩的灯光中心高度从平均大潮高潮面起算,而平均大潮高潮面是以理论深度基准面起算的,然而深度基准面的高度又是从当地平均海面起算的,所以,平均海面是海洋测绘垂直基准的必然选择。各基准面的关系见图 1。图 1?各基准面的关系图总之,以平均海面作为我国海洋测绘的垂直基准面是建立国家高程基准统一的先决条件,也是实现海岸带地形图和水深图无缝拼接的最佳选择,当然,平均海面是海洋测绘垂直基准的最佳选择。4?海洋测绘垂直基准面之间的关系目前 GPS是海洋测量的主要定位手段之一。5海?洋?测?绘第 31卷通常海洋测量作业过程及测量成果主要涉及的各种垂直基准面之间的关系见图 2。图 2中,H0为 GPS天线至 WGS 84参考椭球面的垂直距 离,即 GPS 大地高;H1为平均海面至WGS 84 参考椭球面的垂直距离,即平均海面大地高;H2为换能器表面至海底的垂直距离,即测深仪器记录的瞬时水深;H3为 GPS天线至换能器表面的垂直距离,在补偿各种姿态变化后可认为 H3为常量;H4为海底至 WGS 84参考椭球面的垂直距离,即海底声纳信号反射面的大地高;?为平均海面至大地水准面的垂直距离,即海面地形;N 为大地水准面至 WGS 84参考椭球面的垂直距离,即大地水准面差距;L为从平均海面起算的理论深度基准面的数值;h为深度基准面至海底声纳信号反射面的垂直距离,即海图水深。图 2?海洋测绘垂直基准面之间的关系图为了直观反映参考椭球面和深度基准面之间的关系,以下将建立依赖以上两种垂直基准面而表达成果的大地高程 H0和海图成果水深 h二者之间的数学转换模型。由图 2知,以下关系式成立,即:H0=H2+H3+H4(1)?因此海底声纳信号反射面即海底地形的大地高为:H4=H0-H2+H3(2)?平均海面大地高为:H1=h+L+H4(3)式中,h+H4即为深度基准面大地高。因此:h=H1-L+H0+H2+H3(4)?由 H0计算 h的关键在于获取精确的平均海面大地高H1。若已知大地水准面差距 N,还可建立大地水准面起算的海底地形高程即N-H4。目前用卫星测高数据计算的离岸较远区域的平均海面大地高精度优于 10cm,通过式(4)可实现该区域 GPS大地高H0和海图成果水深 h之间的精密转换,同时该式也是利用 GPS进行无验潮水深测量的理论基础和重要环节。5?海岸带区域海洋测绘垂直基准的转换技术海岸地形测量和水深测量作业一般均采用1954北京坐标系结合高斯投影方式进行,因此,海岸地形图和海图数字成果在平面方向实现了统一表示,但在垂直方向则存在较大差异。由于地形图采用 1985国家高程基准,而海图则采用当地的理论深度基准面,因此为了实现地形图和海图的拼接,必须研究海洋测绘的垂直基准转换技术,建立高程基准和深度基准的相互转换数学模型。海岸带区域的测量作业过程及测量成果在垂直方向上主要涉及以下基准面,见图 3。图 3中,X 为水准原点与 1985国家高程的垂直距离;H 为水准原点与水尺验潮零点的垂直距离;MSL为平均海面到验潮零点的垂直距离;h为当地平均海面与 1985国家高程基准的垂直距离;h0为从平均海面起算的成果水深;h2为从 1985国家高程基准起算的成果水深,即海图与地形图拼接后使用统一高程基准的海底地形高程;为地形图与海图拼接的重要参数,随地点位置不同而变化。图 3中其余参数意义同图 2,实际上图 2与图 3的各垂直基准面之间是密切联系的。图 3?海岸带区域在垂直方向的各基准面关系图由图 3知,以下关系式成立,即:h0=h+L(5)h2=h+(6)=L-h(7)由上各式可得:h2=h+L-h(8)h=h2-L+h(9)?通过式(8)可将海图水深成果从当地理论深度基准面归算至 1985国家高程,通过式(9)可将陆地地形成果从 1985国家高程归算至当地理论深度基准面,至此建立了海岸带区域高程基准和深度基准的相6第 1期许家琨,等?海洋测绘垂直基准的建立与转换互转换数学模型,利用以上模型就可实现陆地地形图和水深地形图(海图)两种数字成果在垂直方向的无缝拼接。从式(8)、(9)可知,实现海岸带垂直基准转换的关键技术在于如何准确计算 h及 L。下面首先分析 h的计算方法。主要有以下几种:(1)水准联测法采用几何水准测量的方法,按照国家三、四等水准测量要求,直接联测 1985国家高程系的水准点至验潮站主要水准点(或工作水准点)的高差 x,根据下式计算得到该验潮站平均海面的高程 h:h=MSL-(H-x)(10)式中,H 通过常规测量方法可以得到。(2)固定点比较法就是在以当地平均海面为高程基准面的海图(或陆图)上和以 1985国家高程基准为高程基准面的同一海区的现行的海图(或陆图)上,找到共同的陆上固定点,求取固定点在采用不同高程基准面的两幅图上的高程差。为提高精度和可靠性,在两幅图上,应选择一定数量的固定点分别计算,对计算结果进行相互校核和验证,然后选择其中最可靠的点取平均值作为 h。另外,有时还要遇到 1956黄海高程系的高程基准问题,因为有时要用到近代历史沿用海图和陆图,此类海图和陆图的高程基准大多采用黄海平均海面为高程基准,所以在采用该方法时,要顾及到这一点。(3)潮信资料法以当地平均海面为高程起算面的海图上记载的验潮站大潮升数值减去平均海面数值,即得到当地平均海面起算的平均大潮高潮面的高度,然后再将采用 1985国家高程基准的现行海图上记载的同一验潮站的大潮升数值减去平均海面数值,即得到1985国家高程基准起算的平均大潮高潮面的高度。以上两个平均大潮高潮面的高度之差即为 h。利用潮信资料法求取当地平均海面与 1985国家高程基准的差值时,还要注意分析海图的历史及出版年月,认真核对海图所采用的高程基准;当海图上记载有几个或多个验潮站的潮信资料时,要分别计算,将计算结果进行比较校核,取其可靠的平均值。经计算,中国海区的多年平均海面高度 h(从1985国家高程起算)自北向南逐渐增加,呈现三个阶梯形的变化,其转折点分别是福建的东山和江苏的吕泗,在每个阶梯面上各海区的多年平均海面存在微小起伏,其中黄渤海海区多年平均海面与 1985国家高程基准基本一致,其变化幅度在 1cm 3cm,东海海区变化幅度在 23cm 3cm,南海海区变化幅度在 34cm 3c m 7。中国海区部分长期验潮站的多年平均海面高度 h见表 1。?表 1 部分长期验潮站多年平均海面高度 h单位:c m?海区序号数据时段(年)h变化幅度黄渤海118-22220327043105113613071428731 3东海9723102020112222129261352314202423 3南海1520351625371713311812351912372020332173422193434 3在 100 200km 范围的海区,多年平均海面变化量仅几厘米,同时多年平均海面在较长时段内也是很稳定的,因此验潮站多年平均海面的高程 h可以代表该验潮站限定控制范围内各处多年平均海面的高度 h。6?结束语海洋测绘垂直基准是现代大地测量基准的重要组成部分。建立基于 1985国家高程基准的平均海面模型,实现海岸带地区垂直基准转换的关键技术在于计算不同区域的多年平均海面高度 h及理论深度基准面 L,难点在于如何科学确定 L 的数值和平均海面的 1985国家高程基准的 h。统一我国海洋测绘高程基准是国家经济发展和国防建设的需要。实现地形图与海图数字成果的无缝拼接,统一陆海垂直基准,建立深度基准面与1985国家高程基准面(平均海面)的转换参数模型,无论是理论还是技术条件都已基本成熟。在为海岸带经济开发、信息化保障提供一致性、准确性和可拼接性的高程基准方面都具有十分重要的意义。7海?洋?测?绘第 31卷参考文献:1?翟国君,黄谟涛,暴景阳.海洋测绘对测绘基准的需求及现状 J.海洋测绘,2003(4):54?58.2?梁振英.大地水准面的严密定义和我国高程基准的选择 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and so on.In order to realize seam less joining of coastal topographicm ap and bathym etricchar,t the transform ation technique bet w een the datum planes of coastal topographic survey and bathym etricsurvey is also researched.Key words:hydrographic surveying and charting;vertical datum;height datum;m ean sea leve;l depth datum(上接第 3页)10?W are C,L Slipp,K W ang,et al.A System for CleaningH igh VolumeBathy metry J.TheInternationalHydrographic Review,1992(2):77?94.11?RobertC.Lyce.Deep seafloormapping syste m-A review J.MTS Journa,l 1986,20(4):4?16 12?丁继胜,陈卫红.声速剖面对多波束测深的影响 J.海洋测绘,2000,20(2):15?19.13?周丰年,赵建虎,周才扬.多波束测深系统最优声速公式的确定 J.台湾海峡,2001,20(4):411?419.14?丁继胜,周兴华,唐秋华,等.基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术 J.海洋测绘,2004,24(6):27?29.15?陈红霞,吕连港.三种常用声速算法的比较 J.海洋科学进展,2005,23(3):359?362.R igorousM odel ofM ultibeam Echosounding System Sounding Velocity CorrectionZHU X iao?chen1,L IU Yan?chun1,X I AO Fu?m in1,ZOU Yong?gang1,L IN Yong2,3(1?Depart m ent ofHydrography and Cartography,Dalian NavalAcade m y,Dalian,Liaoning,116018;2?X injiangM ilitary Comm and HQS,U rum q,i X injiang,830042;3?69028 Troops,U rumq,i X injiang,830006)?Abstrac:t After research on theMBES velocity correction model of CARIS,a ne w technique based on raytracing m ethod is prom oted,and the experi m ent show s the m have si m ilar results.Then,the respective availableareas of attitude compensate arithm etic and directm ethod of sounding attitude correction is been presen.tKey words:m ultibeam echosounding syste m;SVP;sounding ray tracing;sounding velocity correction8