海测讲坛▏暴景阳：海洋（测绘）垂直基准建设思考 - 海洋测绘的特点和主要方法

【编者按】本文是大连舰艇学院暴景阳教授在广西南宁举行的中国测绘地理信息学会2016年学术年会“现代海洋测绘的发展”分论坛上的大会发言稿，对我国垂直基准的历史与现状进行梳理，对垂直基准适用对象进行分析，依据观测技术的变革对垂直基准测量的手段进行论述，最后对未来发展做出展望，具有很强的学术与应用价值。原为课件版式，为更好地方便读者阅读及完整表达，暴景阳教授对此特意把课件版式转换为文档版式，在此，特别感谢暴景阳教授对我微信公众平台长期以来的支持与信任。在征得暴景阳教授同意后，现提供给大家学习了解。

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海洋垂直基准是海洋测绘基准的重要组成部分，与位置基准、重力基准和磁力基准共同构成海洋测绘基准体系。与其它类型的基准相比，垂直基准具有用于动态观测量归算、基于多重参考面转换服务的鲜明的特点。近年来，引起国内外海洋测绘行业，乃至大地测量领域的日益密切关注，是海洋测绘较为活跃的研究内容之一。关于海洋垂直基准的研究和讨论多集中于基准值的计算方法、深度基准面的保证率、不同参考面间的转换等技术细节。本文将以更宏观的视角，分析和讨论海洋垂直基准的历史与现状、应用需求的拓展、支撑条件的进步，在此基础上，论证现代海洋测绘垂直基准的体系模式。

本文根据2016年11月11日在中国测绘地理信息学会综合性学术研讨会现代海洋测绘发展分会场所做的报告整理而成，标题也相应作了修改。

一、海洋（测绘）垂直基准的历史与现状

海洋垂直基准历来被海道测量工作所重视，是海道测量主要产品—海图上多种要素信息归算的基础。这类数据归算的应用参考面主要包括深度基准面和净空度参考面，而具体参考面的确定除需按照一定的标准和规则外，还必须以水位观测、分析和相关的基准联测数据为基础。因此，首先分析在这种传统海道测量技术模式下的垂直基准建立和应用的基本原理、流程和存在的主要问题。

⒈ 传统海洋测绘垂直基准涉及的参考面

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传统海洋测绘中所应用垂直基准的类型和基本技术路线可由图1表示。

图1 多重垂直参考面及确定流程框图 4 b0 I6 x; U! X3 |1 S8 r5 R

垂直基准信息根本上由验潮站的观测信息提供，验潮站水位观测数据自本站的水尺零点，即记录零点起算，因此，水尺零点是一种最直接的，各站独立的随机体系的起算基准。

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通过适当长时段水位观测数据的平均，可获得平均水位，通常称平均海面。实际上，平均水位是单一验潮站对客观存在的连续平均海面的采样，而平均海面是潮波运动的平衡面，也是单一地点潮汐振动的平衡面。

对水位观测序列进行调和分析求得调和常数，或直接根据观测水位进行统计计算，可求得有关特征潮面，国际上通常陈伟潮汐基准面。而深度基准面和净空参考面等海道测量数据归算的这类应用类型基准面，即为选定的特定潮汐基准面。在我国分别规定为理论最低潮面和平均大潮高潮面，含义分别是自潮汐自平衡面向下的最大可能作用幅度和大潮期间向上的平均作用幅度。数值上，决定于潮汐的强度，是绝对量，而表示上，实际是相对平均海面计算，又具有相对性。

通过平均水位，可将深度基准面和净空参考面表示于水尺等水位观测设备，即与水位观测信息一样，将参考面表示在验潮站的水位零点独立基准上，从而，可将任意时刻的水位换算至深度基准面或净空参考面，满足基于瞬时海面观测信息的水位归算需求。因此，传统海道测量技术采用的基准是完备的，只是可以不与高程基准发生联系。

图2 水位零点及水位观测信息与水准点的关联

为了海岸带区域陆海观测技术测绘成果检核的需要，在陆基验潮站，均需布设水准点，于是，水位零点，进一步地，深度基准面、净空参考面，以及表示海底地形的水深信息均可换算至国家高程基准中表达。特别地，深度基准面与国家高程基准的差异表示为L0。当然，在岛基验潮站，也通常埋设水准点，与陆基验潮站一样除用于监测验潮设备零点稳定性外，主要功能是平均海面和高程传递。

⒉ 传统海洋测绘垂直基准的主要问题

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⑴离散验潮站表征的基准体系

由验潮站观测数据在提供水位改正数据的同时，隐含地提供了基准信息，因为用于水深测量的水位改正量已归算至深度基准面，因此，传统海道测量所涉及的基准，核心是深度基准面。当然，这种验潮站对深度基准的控制体系主要体现在沿岸区域水深测量的控制。

海道测量布设和采用的验潮站主要是短期站和临时站，主要布设方式是随测区推进，由测量作业单位自行确定。因此，具有较大的随意性，采用的深度基准因为具体算法采用的不同，以及采用数据部足够可靠，往往使得基准值缺乏足够的可靠性。综合而言，确定方法和数据利用均具有较大随机性。

因为验潮站间缺乏紧密联系，基准信息随潮波传播的空间变异，基准在水位归算中的内插方式不明确，水位内插和改正的方法具有多种选择，因此，以深度基准为代表的垂直基准在海域的空间分布形态上总体是不连续的，即存在封闭现象，甚至不同时期、不同部门的测量成果，因为基准差异，难以高精度检核与拼接。

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⑵质量控制指标不明确，或要求偏低

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仅平均水位（海面）有优于10cm的精度要求，与现技术水平（cm级）相比偏低。

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在多数验潮站，深度基准（L值）存在定义偏差（系统误差），无明确指标约束。

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净空参考面，要求不明确，平均大潮高潮面不存在海区普适性。多采用实测痕迹法、理论最高潮面法代替，无指标要求。

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海面地形实测值与应有形态经常存在矛盾。陆海数据的匹配性偏低。

二、海洋地理信息管理与应用对基准的新需求

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⒈垂直基准在测绘体系内的服务目标扩展

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⑴海洋测绘领域内

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传统海洋测绘工作模式中，垂直基准及相互关系确定主要局限于海道测量作业单位层面。由面向海洋测绘基本产品——海图的测制模式所决定，外业成果图直接对接海图编制环节。

面向地球、面向海洋，以数据为中心的基本理念正在确立。信息挖掘与应用需求促进了数据管理与信息产品生产端对垂直基准的关注，修正与统一势在必行。

因此，无论是更基础的海底地形测量任务的开展，还是面向无验潮模式新型数据获取技术应用的需求，在海洋测绘领域内，垂直基准的确定和使用都应该作为一项独立于水深测量任务的基础建设工程而先行。

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⑵陆海兼容的测绘领域内

陆海测绘信息校核、拼接与转换需求日益增加。海底地形成果、或多基准的数据管理体制成为海洋测绘信息加工的新方向。

遥感（航空摄影测量）成为海岸带、海岛地形测绘的新型、主流手段，需要瞬时水边线用作高程控制条件（或要素提取依据），实现瞬时海面、平均大潮高潮线的精确计算与水位（潮位）数据换算，岸线确定。

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图3 由水位控制为海岸和海岛岸线测绘提供支持效果图

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⒉ 向客户端扩展垂直基准服务

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航海导航（含瞬时水深动态显示、航线规划，海底地形匹配导航）、海域管理、军事应用（远程武器发射的水下、水面高程提供等）都可依托地理信息工程，实现海洋垂直基准服务。

图4 海域使用规划示意图

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三、现代观测技术对垂直基准的新支持

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⒈ 卫星测高技术cm级测定平均海面高

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参照明确的基准（椭球面）测定海面高，并可按cm级精度归算为平均海面高。可用于表示平均水深意义的海底地形。 而这种由平均水深表示的海底地形正是海洋科学研究与海洋学模式研发所需的基本地理信息。

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 图5 卫星测高技术原理示意图

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⒉ 高程基准海域扩展

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卫星重力、航空重力、船测重力，及与卫星测高反演重力的融合，为海域大地水准面精化及陆海高程基准统一提供丰富的数据源，并开展了海域大地水准面的高精度精化及与陆地区域大地水准面成果的拼接，实现高程基准向海洋区域扩展和延伸。用于表示与陆地高程基准一致的海底地形。

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图6 中国近海大地水准面

⒊ 卫星测高数据提供潮汐信息源

自卫星测高数据的时变信息分析求得潮汐参数，提供了构建精密潮汐模型的数据基础，并为深度基准面（L值）和净空参考面（H值）的连续化创造了条件。

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图7 中国近海主要分潮（M2）潮波图

图8 中国近海深度基准面分布图

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四、现代海洋垂直基准的构建维持和应用模式

⒈ 现代海洋（测绘）垂直基准基本体系

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①地球椭球面作为底层（根本）的无缝垂直基准面

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②平均海面作为不同垂直基准转换的重要过渡参考面，且本身可作为测量数据归算的基准。

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对于常规海底地形测量，由验潮站观测及传递，cm级平均水位；

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对于无验潮模式，平均海面高模型转换，约5cm。

③深度基准面和净空参考面

由潮汐模型构建，约10cm，国际上，基本指标20～30cm。

④深度基准面和净空参考面的大地基准标定（转换）

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深度基准面和净空参考面数值叠加于平均海面高模型，（近）连续表征在地球椭球面无缝基准中。10～20cm。

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通过海面地形联系于国家高程基准：10～20cm。

核心是多重基准面表征体系

⒉ 海洋（测绘）垂直基础设施与控制网

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①验潮站的观测数据为多重基准面及潮汐信息提供控制基础。

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②长期验潮站（基本站）为潮汐参数和基准面提供控制框架，维持历元修正信息。观测量含水位及其导出的基准面、水准和GNSS提供的高程、大地高标定信息。

由长期验潮站逐年潮汐调和分析结果可以看出，在黄海区域，最大的M2分潮的振幅自上世纪80年代以后存在明显的振幅增大趋势。因此，由潮汐参数决定的垂直基准信息存在明显的规律性变化，根据长期验潮站的监测数据，可实施这种变化的修正，在确定历元时段（确定可靠潮汐参数及其变化的基本观测时间长度），历元参考时刻的前提下，对垂直基准实施动态维持，以及基准支持下的海洋测绘地理信息数据的基准归算。有关国家的潮汐与垂直基准历元确定主要考虑的是海平面趋势变化因素，而根据我国近海的潮汐变化形态，除考虑海平面变化外，历元确定更需考虑潮汐参数变化的影响。

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图9 黄海部分验潮站主要分潮振幅的显著变化

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③其它类型验潮站（控制站、加密站）为垂直基准模型体系提供校核和订正依据

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基本思想是在长期验潮站控制下，由短期和临时验潮站构成潮汐参数和垂直基准信息的控制网，实现潮汐参数和基准信息在平差技术支持下的协调确定，做出可行的精度评定，为潮汐模型和多重垂直基准面模型提供数据检核条件和同化控制依据。

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⒊ 建立和运维新模式的主要工作

①不同类型验潮站（观测与联测）数据的一体化处理，框架与控制网构建、维护（历元确定与修正）。

②一体化构建潮汐、深度基准面、净空参考面模型，区域模式与局部模式相协调。含验潮站信息对模型的同化与控制。

③面向测量作业端的基准服务（是否布设加密网，新网与控制网协调、水位改正方案）

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④面向海图制图或地理信息工程的基准服务（原有基准修正、按多样化目标转换）

⑤面向各类用户的基准支持与服务（基准及转换信息的应用软件嵌入，效果分析、预测） 

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五、结束语

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现代海洋测绘，乃至现代测绘科学与技术及服务对海洋垂直基准提出更高的新要求，现代观测技术为垂直基准的统一建立和高精度维持提供了强有力的理论支持和基础数据保障，建立和维持新的海洋垂直基准体系需要深入细致的数据采集、分析和处理工作，更需要统一协调的顶层设计与规划。

【作者简介】暴景阳，1965年生，男，辽宁凌源人，博士，教授，博士生导师。中国测绘地理信息学会海洋测绘、大地测量与导航两个专业委员会委员，我国海洋测绘学科带头人之一。长期从事海洋大地测量、测量数据处理等方向的教学和研究，在海洋测绘垂直基准、海洋潮汐理论与测绘应用等特色研究领域取得较丰硕的研究成果，对海洋测绘理论和技术体系的更新与变革也有所探索。曾获得首届海洋测绘学科发展突出贡献奖、首届海洋测绘领域优秀科技工作者。 

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