關于海洋無縫垂直基準體系建立的思考

崔 楊，暴景陽，許 軍，孫文川

(海軍大連艦艇學院 海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

一、建立海洋無縫垂直基準體系的重要性與必要性

海洋垂直基準是陸地垂直基準在海洋及其他水域的擴展，是深度測量及其相關要素的起算面，也是對海洋進行正確認知和表達的重要依據。現有的海洋垂直基準包括地球橢球面、大地水準面、平均海面、海圖深度基準面等，但其尚不能解決海洋測繪等具體應用中的諸多重要問題。為了更好地認識和表示海洋及相關水域，國內外學者一直在尋找和建立合適的垂直基準，但是僅適用于局部海域的一個個彼此孤立、離散、跳變的基準，而無法順利解決這些問題。在當前的實際情況下，如能建立起一個合適的、彼此之間具有內在科學聯系的海洋無縫垂直基準體系，將是具有現實意義的。

一方面，完善的海洋垂直基準體系的建立，對于保證航行安全和進行海洋資源的開發具有重要意義。目前，我國采用的陸地高程基準是“1985黃海高程基準”，即特定地點(青島)的平均海面；海洋深度基準則采用海圖深度基準面，為保證航行安全并充分利用航道，目前采用的是理論最低潮面，其含義是理論上可能達到的最低潮面。由潮汐參數計算和確定的理論最低潮面應為連續的曲面，但由于驗潮站分布的離散性及根據各站資料得到的深度基準面之間的差異，常常導致深度基準面以各驗潮站為中心呈離散分布，因此各深度基準面間存在著躍變的階梯形態，而不是連續漸進的[1]。

另一方面，現有高程和深度基準的不統一及深度基準的離散和跳變，必將給人類開發利用海洋帶來許多問題乃至國際間的爭端。如由于沒有海洋無縫垂直基準體系，不同海域或相同海域不同時段獲得的數據間的拼接難以實現，以致海洋觀測數據的使用價值和測量效率大大降低，從而減緩了海圖的更新速度；由于沒有海洋無縫垂直基準體系，深度數據在不同的參考基準上難以方便地轉換、輸出與共享，為海洋空間地理信息表示精度的提高增加了難度，隨之而來的結果就是海洋和陸地數據間的割裂，為使用者的識圖用圖帶來很多不便。

綜上可見，建立連續無縫的海洋垂直基準體系，具有重要的理論意義和實用價值。

二、海洋無縫垂直基準體系建立的基本思想與現狀分析

1. 建立的基本思想

海洋垂直基準有多種形式，每種都有其特點和適用性。建立海洋無縫垂直基準體系，是為了適應海岸帶與島礁區域測量及信息精確表達等需要，主要表現在3個方面：① 支持海岸帶與島礁區域周邊水域地形地貌的連續化精確測定和無縫自然表達，服務于海岸帶與島礁區域地形圖的編繪；② 在大地測量垂直坐標框架體系下通過基準變換，使得海岸帶與島礁區域基礎測繪產品能夠應用于航海圖生產；③ 為無驗潮水深測量模式的推廣，提供高精度垂直基準信息保障。據此，可按以下思想建立海洋測繪無縫垂直基準體系：首先，對無縫垂直基準面的定義和構建原則進行理論研究；然后，利用精密潮汐模型，構建逐點變化的深度基準面模型；最后，以高分辨率網格模型作為連續無縫垂直基準面的具體實現，并將該無縫垂直基準面通過連續的、相對于地球橢球面表達的平均海面高模型和陸海大地水準面模型，納入大地測量垂直基準體系，形成深度基準面偏差模型。

2. 已有成果基礎

構造無縫垂直基準體系的相關研究，是國際海道測量界研究的一個熱點。國際大地測量與地球物理學聯合會(IUGG)、國際大地測量協會(IAG)、國際測量師聯合會(FIG)、國際海道測量組織(IHO)、國際天文聯合會(IAU)和國際地球自轉服務局(IERS)均先后成立了研究組，給出了相應的基礎理論、技術方法及指導意見。加拿大、美國、法國、德國和日本等國已建立了無縫垂直參考面或作出了規劃設計。

我國在無縫垂直基準面方面的研究雖然起步較晚，但越來越受到相關單位的重視，目前也已完成了一些相關的基礎工作。李燕初、暴景陽等眾多學者開展了基于T/P高度計數據的潮汐信息的提取和潮汐模型建立的研究[2]；羅志才、郭海榮等就大地水準面相關內容開展了多個方面卓有成效的研究[3-4]；暴景陽、許軍等提出以平均海面作為基本海洋垂直基準的思想，并利用衛星測高數據初步建立了中國海的理論深度基準面模型，給出了一種海洋測量深度的歸算方案[5-6]；梁振英等學者提出了建立我國陸海統一高程/深度基準的構思模式[7]。這些無疑都是深度基準面研究方面的可喜成果。

此外，我國已有不少學者在局部地區進行了無縫垂直基準面的研究，如許家琨等認為將平均海面作為我國海洋的垂直基準面是建立國家高程基準統一的先決條件，也是實現海岸帶地形圖和水深圖無縫拼接的最佳選擇[8]；孫翠羽建議以CGCS2000橢球面作為我國統一的海洋無縫垂直基準面，并提出了海洋無縫垂直基準面的轉換方法，且在研究偏差模型建立方法的基礎上提出了建立渤海偏差模型的方法[9]；柯灝選擇利用深度基準面構建海洋無縫垂直基準，結合長江口水域的潮汐數據，研究了海洋無縫垂直基準的幾何和物理建模方法并進行比較，確定基于潮汐調和常數的物理建模方法為最優的連續無縫深度基準面的建立方法[10]。這些研究顯然更是無縫垂直基準體系研究的直接基礎。

3. 現狀分析

現有的國內外研究成果，可為海洋無縫垂直基準體系的建立提供部分相關的理論技術基礎，主要體現在5個方面：① 利用衛星測高數據提取潮汐信息的研究成果，獲取了中國海域的精確潮汐調和常數，為潮汐模型的建立和深度基準值計算準備了基礎；② 深度基準方面的研究成果，為連續無縫深度基準面的建立提供了理論方法和數據準備；③ 大地水準面精化方面的研究成果，為基于無縫垂直基準的轉換提供了基準支持；④ 國外的相關理論研究和實用模型為我國海洋無縫垂直基準體系的建立提供了可借鑒的模型和指導意見；⑤ 無縫垂直基準面現有的研究成果探索了局部海域無縫垂直基準的建立方法，為全海域無縫垂直基準體系的建立奠定了基礎。

三、海洋無縫垂直基準體系建立過程存在的問題與對策

1. 存在的主要問題

從一個“體系”的建立角度而言，僅憑國內外現有研究成果是難以完成的，存在的主要問題大致有以下4個方面：

1) 垂直基準選擇的多樣性帶來的問題。垂直基準種類很多，有傳統的海圖深度基準面、(似)大地水準面、平均海面等物理意義明確的垂直基準，以及如參考橢球等具有明確幾何定義的垂直基準。每個基準面都有各自的特點，選擇最優的垂直基準來構建海洋無縫垂直基準體系，使其既具備連續無縫的特征，又能符合人們在航海過程中海圖標定等使用習慣，已成為目前亟待解決的關鍵問題。

2) 海洋垂直基準相互獨立帶來的問題。目前已有的成果研究了渤海海域及長江口水域中無縫垂直基準面的建立，但選取的基準面不同，模型也相對獨立。其中，孫翠羽在渤海海域選取了CGCS2000橢球面作為無縫垂直基準面，利用模型差值法建立了偏差模型，并進行了驗證；柯灝在長江口水域選用了深度基準面建立海洋無縫垂直基準面，并選擇了理想的建模方法對其進行了無縫化處理。顯然，已有的無縫垂直基準面無論是物理意義還是數學模型都不相同，即相互獨立，而且這兩個區域都有一定特殊性，一個是中國唯一的內海，另一個是長江入海口。因此，既無法將兩個研究成果的模型互換使用，也難以將兩個成果直接拓展應用于全部海域。而我國領海廣闊，想要真正實現海域數據的共享與拼接，必須建立一個適用于整個中國海域的無縫模型。克服現有垂直基準相互獨立的缺陷，統一全海域的垂直基準模型是亟待解決的重點問題。

3) 不同海洋垂直基準間的過渡問題。各海域的潮汐性質和海況各不相同，現有的研究成果適用于小區域，在建立適用于整個海域的無縫模型時可以直接應用上述成果，并利用轉換模型將這些成果聯接成為一整體。但這樣就引入了在海域交界處選擇合理模型的新問題，因為交界海域處于各海域邊緣，可能同時具備相鄰兩海域的特點，所以尤為復雜。因此，該問題的處理對于聯接各垂直基準面，建立無縫垂直基準體系是至關重要的。

4)海洋測繪無縫垂直基準體系的精度評定問題。將要建立的海洋測繪無縫垂直基準體系，是由多個不同的垂直基準面構成的。由于傳統的垂直基準幾乎沒有質量和精度控制的概念，因此確定可靠的精度評定方法對于海洋無縫垂直基準體系的完善顯然具有重要的意義。

2. 對 策

針對目前海洋垂直基準體系建立中存在的上述問題，特提出基于以下4個步驟的解決思路：

1) 根據各海域潮汐特點，分別選取適宜的無縫垂直基準面。目前已有適用于局域的無縫垂直基準，我國領海廣闊，各海區潮汐性質和海況不盡相同，適用的無縫垂直基準也會有相應的差別。因此，可借鑒已有研究基礎的思路，針對不同海區的潮汐性質和海況，分別確定適宜各海域的無縫垂直基準面。

2) 建立無縫垂直基準面間的轉換模型。利用某一無縫垂直基準面作為橋梁，將連續的深度基準面與橢球面的垂直偏差作為應用的無縫垂直基準面，就要正確描述兩個垂直參考面之間的相互關系，采用的模型通常稱為垂直偏差模型或分離模型，兩者均具有相對的含義。深度基準面相對平均海面的垂直偏差模型即深度基準值模型，可簡記為L值模型；而深度基準面的大地高模型標識的是深度基準面和地球橢球面之間的偏差模型，在不致含義混淆的情況下簡稱為深度基準面分離模型或偏差模型。基于這一思想，即可構建垂直基準面間的轉換模型。

3) 建立臨界海域的過渡模型。不同海域有適應其自身特點的無縫垂直基準面，它們相互離散、獨立，因此可在臨界區域借鑒距離加權法進行數據分析，并結合當地潮汐數據綜合考慮相鄰兩種離散的無縫垂直基準面對交界處的影響，得到最理想的過渡模型，從而將離散的多個無縫垂直基準面聯接為一個連續無縫的垂直基準體系。

4)選擇垂直基準的精度評定方法。深度基準的精度可理解為海域任意地點基準依賴數據和方法的變化程度。對于連續無縫深度基準面和其他垂直參考面，可以將網格化潮汐模型作為基礎，并通過各基準的計算公式，依據潮汐模型參數的精度評定結果，評價深度基準模型的精度。

四、結束語

海洋無縫垂直基準體系的建立，是現代海洋測繪研究的一項重要工作，對于完善海陸數據的拼接與共享，保障航海安全和海洋開發利用等都具有重要意義。鑒于已有成果均是針對某一海域的無縫垂直基準面，而尚無適于全部海域的無縫垂直基準體系，本文介紹了建立該體系的總體思想，分析了存在的問題，并提出根據各海域潮汐特點分別選取適宜的垂直基準面，在不同基準間建立轉換模型，在臨界海域建立過渡模型，以最終確定適用于全部海域的海洋無縫垂直基準體系的對策，且給出了評定垂直基準精度的方法。本文對海洋無縫垂直基準體系的最終建立具有指導意義。

參考文獻：

[1] 暴景陽.海洋測繪垂直基準綜論[J].海洋測繪, 2009,29 (2): 70-73.

[2] 李燕初,蔡文理,李立,等.由TOPEX/POSEIDON衛星高度計資料導出福建和臺灣鄰近海域的潮汐特征[J].海洋學報,2002,24(S1):154-162.

[3] 羅志才,寧津生,徐菊生.區域性高程基準的統一[J].測繪科學,2004,29(2):13-15.

[4] 郭海榮,焦文海,楊元喜.1985 國家高程基準與全球似大地水準面之間的系統差及其分布規律[J].測繪學報,2004,33(2):100-104.

[5] 暴景陽,章傳銀.關于海洋垂直基準的討論[J].測繪通報, 2001(6):10-11.

[6] 許軍.衛星測高技術在海洋動態垂直基準中的應用研究[D]. 大連:海軍大連艦艇學院,2005.

[7] 梁振英. 建立我國陸海統一高程/深度基準的構思模式[J].測繪科學,1999(3):20-28.

[8] 許家琨，申家雙，黃辰虎，等. 海洋測繪垂直基準的建立與轉換[J].海洋測繪,2011,31(1)：4-8.

[9] 孫翠羽.海洋無縫垂直基準面建立方法研究——以渤海海域為例[D]. 青島:山東科技大學,2011.

[10] 柯灝.海洋無縫垂直基準構建理論和方法研究[D]. 武漢:武漢大學,2012.