什么是海洋测量学原理 -海洋测量学概念

红袖舞墨 · 发表于水下机器人&ROV&AUV&UUV 2023-10-28 08:26:30

《测绘学报》

构建与学术的桥梁拉近与权威的距离

海洋空间信息基准技术进展与发展方向

暴景阳1, 许军1,2, 于彩霞1

1. 海军大连舰艇学院海洋测绘系, 辽宁大连 116018;

2. 中国测绘科学研究院, 北京 100830

收稿日期：2017-06-29；修回日期：2017-07-19

基金项目：国家自然科学基金（41501500）

第一作者简介：暴景阳(1967-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为海洋大地测量与测量数据处理。E-mail:jingyangb@sina.com

摘要：简要分析了海洋空间信息基准的基本发展历程和当前的技术状态，梳理和评述了近年来关于验潮站垂直基准确定方法的改进与完善、验潮站控制下的垂直基准的实现形式、长期验潮站在维持垂直基准方面的作用、海洋潮汐模型构建、特征潮面模型构建与转换等有关海洋垂直基准及与其相关的海洋潮汐研究的主要进展，预测了海洋空间信息基准在海上高精度位置服务、垂直基准面及转换模型精化、空间基准应用等重点发展方向。

关键词：海洋空间信息基准海洋潮汐模型进展发展方向

Technical Progress and Development Directions of Oceanic Spatial Information Datum

BAO Jingyang1, XU Jun1,2, YU Caixia1

Abstract: This paper briefly analyzes the basic development and technical situation of oceanic spatial information datum, reviews the main processes of oceanic vertical datum and correlative oceanic tidal study, such as improvement and perfect methods of determining tidal station vertical datum, realizing form of vertical datum controlled by tidal station, effect on maintaining vertical datum by long-term tidal station, oceanic tidal model establishing, and also construction and transformation of tidal datum, and then forecasts the key development directions of oceanic spatial information datum on high-accuracy marine position service, vertical datum and the transferring model refinement and spatial datum application.

Key words: oceanic spatial information datum oceanic tidal model process developing directions

海洋测绘是关于海洋地理信息获取、处理、管理、表达和应用服务的理论和技术[1]。获取地理信息的目标相似性和实施条件的特殊性，决定了海洋测绘所依托基准与通用大地测量基准从形式到构建的理论技术和方法都存在必然的联系与区别。总体而言，传统的平面基准及现代技术下的三维坐标基准(本文以下称位置基准)是区域或全球性大地测量基准向海洋的拓展和延伸，而垂直基准则表现出学科分支和行业的独特性，涉及与潮汐和重力等不同物理现象相联系的多重参考面。

在传统技术下的海洋测绘实践中，海洋空间信息基准通常与基础地理信息获取过程同步建立和应用。而在现代技术条件下，这类基准的建设和维持更凸显其重要性，连同海域重力、磁力等地球物理信息基准，构成海洋大地测量的研究和建设内容，具有先行和基础性地位[2]。

本文简要分析海洋空间信息基准的技术发展状态，论证和分析近年的主要技术进步，预测研究和发展的重点方向。

1 海洋空间信息基准的历史与现状1.1 位置基准的技术发展

海洋测绘信息的最终表达原则上均采用统一的大地坐标系[1, 3]。经典的技术方法是以国家天文大地网为基础，以三角测量或导线测量等方式开展海洋测绘的控制测量，测定海道测量控制点，称为海控点，主要分为海控一级和二级点，甚至发展精度等级更低的海控补充点。这些控制点连同国家大地控制网的等级点构成海洋测绘的控制基础，为海岸带区域的地形测图提供图根控制，更主要的是作为光学定位或无线电定位设备的架设站点或作为海上后方交会定位的照准标志，为海上测量载体的位置确定提供基准，也正是从这个意义上，体现了海洋测绘控制点对海上定位的控制作用。限于经典的海洋定位技术，传统海控点支持下的海上定位精度自米级到数百米级不等，依赖于观测技术和基准点的控制距离。而海控点与相邻点的相对精度指标仅处于分米级水平。限于技术条件，在远海海岛周边水域的有关测量中曾采用独立坐标系，定位所参照的基准点通过天文大地测量方式测定，或由陆基无线电定位系统实施远海海岛坐标传递。

全球卫星定位技术推动了海洋测绘定位基准建立方法以及海上定位手段的革命性变革。在GPS卫星定位系统应用初期，采用伪距单点定位模式，实现了近、远海水面测量载体10 m级的定位精度，达到甚至超过此前所主要应用的地面无线电定位系统。在此定位模式下，导航卫星星座即发挥海上定位的基准作用，当然，本质上的基准是特定卫星所采用的大地坐标系及其维持框架，而鉴于当时的海上测量导航定位精度要求较低，这种基准维持作用在海洋测绘应用中是隐含的和可忽略的。由于直接单点定位成果从属于WGS-84地心坐标系，需通过坐标转换纳入所采用的参心坐标系。事实上，从20世纪90年代开始，在海洋测绘领域已逐步使用地心坐标系，以保证航海用户应用同一定位系统开展海上导航定位的需要。为了提高沿岸和近海的测绘定位精度，动态差分定位模式成为海洋测绘定位的主流方式，差分定位基准站则发挥着实践中的位置基准作用。基于无线电指向标的差分定位系统(RBN)扮演了中国沿岸、近海海域海洋测绘一体化位置服务基准的角色[4]，成为真正意义上的海控基准，有效发挥了米级精度的海洋测绘定位服务功能。技术的进步，使得传统的海控点逐渐失去海洋定位的基准控制作用，而主要作为海岸带地形测图的图根控制点。此后基于地基增强的定位技术，连续运行参考站网支持下的动态定位技术不断改进着海上定位的精度水平，达到分米级乃至厘米级的海洋测绘定位服务。相应的大地测量基准基础设施直接用作海洋测绘的位置基准。

在全球卫星定位技术应用之前，为了远海精确定位的需求，国际上从20世纪60年代起，提出建立海底大地控制网的构想，以无线电定位系统测定的海面船只位置为中继，以水声测量为核心手段开展海底大地控制点(网)定位，这便是海洋大地测量概念自1804年提出后逐渐形成理论和技术体系的开端。但直到20世纪80年代以后，海洋大地控制网在国外才真正得以体系化建设，特别是在全球卫星定位技术的支持下，在统一的大地坐标系内开展高精度的海底大地网观测，甚至应用于海底运动板块运动监测等地球动力学研究和地震监测服务。在我国，海底大地网的布设和观测则于近年成为海洋观测的一个研究重点[5]。

1.2 垂直基准及其基本研究主题

在垂直基准方面，传统海洋测绘重点关注深度基准，深度基准一般选为特定的低潮面，即潮汐基准面的一种[6-7]。深度基准面选定为低潮面，是因为海洋测绘的主要产品为航海图，为了有效保证水面舰船航行安全的需要，使得依深度基准归算的水深为足够保守的可航水层厚度。本质上，深度基准面可以有多种选择，归算的水深相应地具有不同的含义。所谓深度基准狭义地特指海图深度基准，且已成为全球海洋测绘领域遵循的通用原则，通过监测在此起算面上的水位变化，将瞬时测深值修正为保守的非时变水深。

深度基准面的计算主要限于验潮站，其空间分布形态则决定于海区潮汐作用的强弱，以及多个频率的潮波在传播过程中的变形和叠加效应。深度基准的这种确定方式，与高程基准由水准原点单点标定，以水准网形式向全国范围推进而保持基准的统一性相比，存在基本思想方法上的差异。因此深度基准的构建往往局限于一定的海域范围，构成以离散验潮站基准值表示的局部基准体系。

世界上沿海国家的深度基准面选择方式迄今达到近30种，即便同一国家在不同沿海区域深度基准面的确定方式也曾经不同[1, 6]。深度基准面具体定义的不一致主要体现在选取的特征潮面不同，但总体而言，存在潮位(水位)数据统计和依潮汐调和常数计算两类根本的确定方法。中国自1957年开始，采用了理论最低潮面作为深度据基准面，实现定义的统一，即在理论最低潮面这一特定潮汐特征面物理和几何含义上的统一。在国际海道测量组织成立之前的1919年，针对深度基准统一低潮面选择的问题，世界主要沿海国家展开了政府间协调，但未能达成一致。1926年，国际海道测量组织第一届潮汐委员会会议提出了深度基准面确定的基本原则，规定实际观测的低潮可以偶然地落在所选择的基准面以下。20世纪90年代开始，国际海道测量组织推荐其会员国采用最低天文潮面作为深度基准面，得到越来越多国家的响应，推动着深度基准特征潮面类型的统一。

理论最低潮面的本源算法是依据8个主要半日分潮和全日分潮的预报潮高耦合叠加，确定最低潮高值；再根据3个浅水分潮的最大贡献量是否超过规定的阈值决定是否施加浅水分潮贡献的订正，并据2个长周期分潮参数或海面季节变化信息的有无采取不同的长周期分潮改正策略。因此，实践中验潮站深度基准面可能是不同分潮数确定的最低潮面。进入20世纪90年代后，算法才统一为上述13个主要分潮潮高组合的最低潮高值[8-9]。

我国海道测量[1]对灯塔等助航信息的高度采用平均大潮高潮面为参考面，同时，海岸线的测定又联系于大潮的平均作用，因此，在实践中平均大潮高潮面也是一种特定类型的垂直基准面。在潮汐研究和计算中，所有特征潮面从根本上均相对平均海面计量，平均海面则构成海洋测绘最基本的垂直参考面，并且与大地水准面的差异表现为海面地形。组合深度基准面和海面地形信息即得到海域特定垂直基准与国家高程基准的转换量。另外GNSS精密三维定位和海洋测深组合的海底地形信息采集模式不断引起重视并得到推广应用，需要将海底的大地高转换为航海图水深或与陆地高程基准一致的海底高程，因此，多重垂直基准面转换与统一技术[10-24]正在成为海洋垂直基准的研究主题，支持陆海空间信息集成与统一正成为海洋空间信息管理和多样化服务的新趋势。

2 关于海洋空间信息基准研究的主要进展

位置基准作为海洋空间信息基准的重要组成部分，主要依赖于现代卫星定位理论和技术的发展，反映为测绘科学技术的通用性。而垂直基准在海洋空间信息获取和应用服务等方面更具显著的特殊性，海洋空间信息基准的主要进展体现在垂直基准研究领域。

2.1 验潮站垂直基准确定方法的研究进展

(1) 不断完善了理论最低潮面的模型与计算方法，并对我国部分验潮站的深度基准采用情况进行了分析。改进了浅水分潮和长周期分潮在最低潮高计算中的订正模型和算法[8-9, 25-26]，避免了这类分潮贡献的反向修正可能性。按改进的理论最低潮面计算的统一公式，计算了中国沿岸海域100多个验潮站的深度基准值。结果表明，75.8%的验潮站实际采用的深度基准值小于重新计算值，仅有约39%的验潮站实际采用值与重新计算的深度基准值差异在10 cm以内，而最大差异达到50 cm以上[9]，反映出不同验潮站深度基准值的理论最低潮面含义的不一致性。据分析，主要原因是大多数验潮站在深度基准面计算时没有顾及浅水分潮和长周期分潮的贡献。根据部分长期验潮站的潮汐调和常数，计算了在相同分潮数选择情况下，理论最低潮面和最低天文潮面的最大差异在8 cm以内[27]，反映出我国现行深度基准所依据的特征潮面和国际推荐的特征潮面在具体数值实现上接近一致。

(2) 分析了深度基准面精度与变化，论证了不同类型验潮站深度基准面确定的基本原则。利用长期验潮站的调和分析结果，在年、月时间尺度调和常数精度评估的基础上，分析了对应时段的深度基准面确定精度。对中国沿岸部分长期验潮站的研究表明，由一年时间尺度水位观测分析的调和常数具有厘米级精度[28]，相应确定的深度基准面具有基本相同量级的精度，中误差最大为±7 cm[13]。由月时间尺度观测数据确定的深度基准面存在较明显的周期性变化特征，变化幅度可达20 cm[29]。因此，短期验潮站直接根据定义算法计算深度基准面，即便采用公式一致，也会与长期观测的确定结果存在明显偏差，故短期和临时验潮站的深度基准面不宜采用直接计算法，而应依据长期验潮站信息控制的传递技术。为此，提出了验潮站网深度基准协调确定技术，即根据相邻验潮站的同步水位观测数据，分别采用潮差比法和主要分潮振幅综合比值法，在长期验潮站基准信息的控制下，依次确定短期验潮站的深度基准值。在潮汐和深度基准空间变化均较为剧烈的杭州湾，利用实测数据开展了验潮站网深度基准的确定试验。结果表明由不同长期验潮站传递的同一短期验潮站的深度基准值差异在2 cm以内，可以达到平均海面传递精度，而不同方法的确定结果差异在10 cm以内[30]。通过对长期验潮站观测数据的分析，发现在中国沿岸部分海域，特别是黄海沿岸，最大的主太阴分潮的振幅自20世纪80年代开始具有显著增大的趋势性变化，最大变化率超过5 mm/a，相应地引起深度基准面和其他特征潮面的趋势性增大[29, 31]，因此，设定潮汐和垂直基准历元，发挥长期长期验潮站对基准的维持作用是必要的。

(3) 提出了净空基准的基本概念[12-14]，并开展了平均大潮高潮面的确定方法和应用的相关研究。海洋测绘中采用某种特征高潮面用作空中助航和碍航物高度表示的参考面，将这类参考面定义为净空基准面[12-14]。我国将净空基准面选择为平均大潮高潮面，并与海岸线测定的基本要求相适应。对应于海洋学基本理论，平均大潮高潮面的定义只适用于半日潮海域，为保证不同潮汐类型海域净空基准面的含义一致性与连续性，给出半日潮海域平均大潮高潮面到日潮海域回归潮平均高高潮面的连续过渡，并设计了这类特征潮面的统计计算方法，用于海岛岸线的综合测定[32]。

(4) 分析研究了验潮站控制水域深度基准的实际采用情况。由离散验潮站的水位观测数据为水深测点提供瞬时海面变化归算信息，是为测量成果水深提供深度基准的基本方式。自从20世纪80年代末开始，我国将传统的图解水位分带改正法通过时差法和最小二乘曲线比较法升级为模型化处理技术后，在国际上率先实现了深度基准的连续化。但因不同时期或不同类型验潮站所采用深度基准最低潮面的含义不同，深度基准面表现为非光滑连续，且仅局限于测量作业的水域, 对这类与水位改正方法相联系的深度基准问题开展了系列研究[33-35]。

2.2 垂直基准面模型及转换研究

(1) 与国际研究基本同步[15-22]，开展了海洋垂直基准面构建与转换理论和方法的系列化研究论证[11-14, 23-24]。论述了不同类型垂直基准面的几何或物理意义、构建方法，以及不同垂直基准面间的转换技术。分析了精密海洋潮汐模型对特征潮面类型基准面构建的关键性信息支撑作用，平均海面高、大地水准面和海面地形等系列模型在垂直基准转换中的基础性作用，以及长期验潮站和并置的CORS站对垂直基准体系的维持作用。

(2) 构建了中国近海精密海洋潮汐模型。通过卫星测高数据的沿迹调和分析和响应分析，获取了海域空间分布较为合理的潮汐参数，同化于潮波流体动力学方程，构建了中国近海主要分潮潮汐模型，模型的最高分辨率达到1.2′×1.2′，与验潮站潮汐调和常数的外部检核表明多分潮综合精度达到±12.5 cm。另外，针对长周期分潮本身包含逆气压效应的现实，通过改进卫星测高数据编辑方法，提取了长周期分潮成分，利用拟合技术，构建了中国近海长周期分潮模型，完善了海洋垂直基准确定所需的分潮频谱[32, 36]。

(3) 开展了构建全球和中国近海的平均海面高模型及中国近海海面地形模型的相关研究[37-44]。2′×2′平均海面高模型的精度已达到±4 cm，中国近海海面地形模型精度达到±5 cm，另外对于我国1985国家高程基准与全球大地水准面的垂直偏差，大地测量学、海洋学等不同原理和方法的估算结果之间相差仅3 cm。

(4) 利用不同技术方法开展了中国近海或区域海域的深度基准面模型和高程深度基准转换模型的研究与试验。以潮汐模型为基础，按理论最低潮面的统一计算公式，构建了中国近海或南海的深度基准面数值模型，以及在大地高系统和正常高系统中的表达，构成相应的垂直基准转换模型[14, 32]。依据潮汐模型开展了渤海海域最低天文潮面的计算，并建立起与地球椭球面的联系，形成深度基准的偏差模型[24]。对长江口水域和国外某感潮河段，利用拟合内插技术、基准面传递技术构建了深度基准面及与高程基准的转换模型[45-46]。在福建沿岸海域，则开展了理论最低潮面关于主要分潮振幅的多元回归模型构建研究[47]。

3 海洋空间信息基准建设和研究的重点与方向

从地理分布看，依托海岸和海岛，在现代大地测量基准的基础上，已实现高精度三维位置基准向海洋区域的有限延伸。而分布相对合理的长期验潮站及连带的GNSS观测设施为海洋垂直基准框架维持提供了基本条件。从应用需求看，水上水下地形测量要求有更高的精度。而在海洋学效应方面，潮汐和其他海洋现象在近岸海域作用最为明显，具有更大量级的时空变化，与海洋垂直基准相关的特征潮面是高精度确定的最薄弱环节。在远海区域，尽管位置基准及其服务能力略有降低，但除特定的军事需求外，相应的要求也随之降低，而垂直基准特征潮面则具有更高精度的确定条件。因此总体而言，近海海域的海洋空间信息基准框架仍然是建设和发展的重点。海洋空间信息基准研究和建设需解决相关关键技术问题，重点开展以下工作：

(1) 在GNSS精密定位技术的基础上开展位置基准对海洋空间信息获取的支持和应用研究。集成位置、姿态、速度等观测信息，加强测量载体固连坐标系向大地坐标系严密转换的理论与方法研究，面向海洋观测技术条件，按近年来快速发展的移动测量技术体系，提高各种海洋信息传感器的精准定位水平，并结合超短基线定位等水声观测技术或依托海底大地控制网的研究和建设，提供水下载体的精密定位服务能力。在水面和水下载体高精度位置信息的保障下，支持海底地形和其他相关属性信息的高精度获取，并开展高精度导航服务。

(2) 将垂直基准的建立、维持与海道测量作业分离开来，以专门的海洋大地测量学主题进行研究和建设。不断精化近海海洋潮汐模型，以优于10 cm的精度，构建深度基准面和净空基准面模型，以及高程深度基准转换模型，并以验潮站网构成垂直基准体系的维持框架。目前全球潮汐模型在大洋海域已达到厘米级精度，而边缘海，特别是我国东、黄、渤海等大陆架海域则要降低一个数量级，即便中国近海高分辨率的区域潮汐模型也难以保证据此确定的潮汐特征面模型达到与平均海面、大地水准面相一致的精度。为此，需要进一步精化潮汐模型，在更小的空间尺度上，以数据同化技术分别构建区域模型，并连接形成整体模型。依据潮汐模型构建理论最低潮面和平均大潮高潮面模型，为保证模型精度，应充分利用验潮站网的实测潮汐参数和含义一致的基准值对数值模型进行有效订正，切实发挥长期验潮站对潮汐参数、垂直基准及转换模型的动态维持作用。

(3) 更新海洋测绘的基本理念，加强基准支持下的海洋空间信息服务。在海洋空间信息基准支持下，将面向航海图编制的海洋测绘传统思维改变为面向海洋、以数据为中心的数据获取和组织模式，保证数据真实性属性和表示基准的无模糊性。在新构建的一体化基准体系下，更新和管理不同时期的海洋测绘数据资源。在信息应用方面则方便于多种需求。特别是在垂直基准转换技术和实时监测信息的支持下，有效加强对e航海等新型应用[48]的支持。

4 结束语

在现代技术条件支持和应用需求牵引下，海洋空间信息基准将独立于海道测量作业，形成海洋大地测量学的重要组成部分，为海洋测绘信息的获取、处理、管理和应用服务提供系列化基准支撑。在大地测量学和海洋学及相关技术相互交叉的基础上，以连续运行GNSS参考站和长期验潮站为基本维持框架，以多重参考面为基本表现形式的海洋空间信息基准体系化构建与维持，将构成海洋空间信息基准建设的长期主题。

【引文格式】暴景阳，许军，于彩霞。海洋空间信息基准技术进展与发展方向[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1778-1785. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170371

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