垂直基準在海洋測繪中的建立和轉換

許文彬

（1.福建省水產研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013）

垂直基準在海洋測繪中的建立和轉換

許文彬1，2

（1.福建省水產研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013）

海洋測繪是一項非常復雜的工作，其因為選取的基準面的不同結果也會不同。所以想要建立垂直基準，就必須先實現水深圖和海岸地帶地形圖想拼接。本文主要分析了海洋測繪當中的多個垂直基準面之間的關系和海洋測繪垂直基準應當如何建立和轉換，并且提出一定的建議，希望可以幫助相關一線工作者。

海洋測繪；垂至基準；高程基準

沿海水深的測量、近海水深的測量和海岸地形的測量在垂直方向上均設計到了基準面的問題，目前海洋測繪工作匯中所使用的基準面有2000國家大地坐標系、參考橢球面、1985國家高程基準、大地水準面、深度基準面和平均海面等。當前的海岸地帶的地形測量和水深測量都采用的是不同的垂直基準面，所以所測得的數據也因為基準面的不同而不同。這就需要將測量成果的數據通過一定的轉換方式達到統一基準上時，才能夠將所有的測量數據成果無縫的拼接和合成，進而形成一幅完整的海洋測繪圖。

1.海洋測繪中多個垂直基準之間的關系

目前我國的海洋測繪垂直基準是以CGCS2000坐標系作為垂直基準進行深度測量。海洋勘測、海洋開發都必須先建立統一的海洋測繪基準。我國的海洋測繪基準主要問題是因為陸地和海洋不是使用同一基準面所造成的。海洋測量定位手段主要為GPS定位。海洋測量工作及其成果和多個垂直基準面之間的關系如圖1所示。

圖1當中的H0表示G P S天線與CGCS2000參考橢球的垂直高度距離，也可以成為GPS大地高；H1表示平均海平面至CGCS2000參考橢球的垂直高度距離，也被稱為海面大地高；H2表示換能器和海底的垂直距離，主要是用于測量瞬時水深；H3表示GPS天線至換能器表面的垂直高度距離；H4表示CGCS2000參考橢球與海底的垂直高度距離，也被稱為海底聲納信號反射面的大地高；ξ表示為大地水準面和平均海面的垂直高度距離，也被稱為海面地形；N表示大地水準面和WGS84參考橢球的垂直距離，也可以成為大地水準面差距；L表示為從平均海面作為基準面算出的理論深度基準面數值；h表示深度基準面與海底聲納信號反射面的垂直高度距離，也被稱為海圖水深。

由上表能夠直接得出：

利用H0計算h的主要問題在于需要獲取準確的平均海面大地高H1、如果已經了解大地水準面的距離N，則還需要建立大地水準面起算的海底地形高程，即N-H4。當前利用衛星進行測量，然后進行計算所得出的平均海面大地高度的精度在10cm以內。利用該圖標內的數據能夠利用GPS大地高H0精密的轉換海圖成果水深h。

2.海洋測繪垂直基準的建立和轉換

目前我國普遍都是采用CGCS2000坐標系結合高斯投影的手段對海岸地形和水深進行測量，所以，海岸地形圖和海圖數字成果能夠在以平面的形式展現在統一圖表之內，但是垂直方面卻具備比較大的差異。因為采用的是2000國家大地坐標，但是海圖是使用的當地的標準深度作為基準，所以要想將地形圖和海圖進行憑借，就務必要求將海洋測繪的垂直基準轉換技術熟悉掌握，建立當地深度基準和高程基準的轉換模型。

CGCS2000坐標系的定義和實現，參考橢球的定義常數和導出常數以及相關的正常重力公式，坐標系的幾點說明如下。圖2為CGCS2000坐標系的示意圖

原點在包括大氣、海洋的整個地球的質量中心；長度單位為米，該尺度同地心局部框架的TCG時間坐標一致；定向在1984.0時和BIH的定向相同；定向會隨著時間的演變由整個地球的水平結構運動無凈旋轉條件保證。由圖2所示，原點：地球的質量中心；Z軸：指向IERS參考極方向；X軸：IERS參考子午面與通過原點且同z軸正交的赤道面的交線；Y軸：完成右手地心地固直角坐標系。CGCS2000的參考橢球為一等位旋轉橢球。等位橢球（或水準橢球）定義為其橢球面是一等位面的橢球。CGCS2000的參考橢球的幾何中心與坐標系的原點重合，旋轉軸與坐標系的z軸一致。參考橢球既是幾何應用的參考面，又是地球表面上及空間正常重力場的參考面。

2.1水準聯測法

利用幾何水準測量方式，根據國家3、4等水準測量規定，直接聯測2000國家大地坐標系的水準點至驗潮站水準點的高差x，可以利用以下公式計算出驗潮站的平均海面高程△h：

在該公式中，△H可以利用常規的測量方法得到。

2.2固定點比較法

這種測量法主要是通過當地平均海面作為高程基準面的海圖或路地圖和2000國家大地坐標系為坐標高程準面的同一個海區的現行海圖上，發現共同的陸地上固定點，進而了解固定點在使用不同的高程基準面時的高程差。可以在兩幅圖上，選取多個固定點分別進行計算，將計算出的結果之間進行對比和校驗，然后選取最可靠的平均值△h，以此便可以極大程度的提高平均海面高程△h的準確度和可靠度。

2.3潮信資料法

將當地的平均海面作為高程基準，再將海圖上所記載的驗潮站大潮升數減去平均的海面數值，以此便可以得到當地的平均海面起算的平均大潮高潮面的高度，再利用2000國家大地坐標系的現行海圖上所記載的同一驗潮站的大潮升數值減去平均海面數值，便可以得到2000國家大地坐標系的高程基準起算的平均大潮高潮面的高度。利用以上的兩個大潮平均高潮面的高度所得差便是△h。在計算△h時還需要了解海圖的歷史和出版年份，務必認真核對海圖中所采用的高程基準是否準確；如果海圖上記載了多個驗潮站的潮信資料，則需要分別將所有驗潮站的資料進行計算，將計算所得結果進行校驗，核算，選取最可靠的平均值。

根據梁震英的“大地水準面的嚴密定義和我國高程基準的選擇”研究證明，目前我國的平均海面高度是從北向南逐漸提升的，主要呈現3個階梯型的變化，兩個轉折點分別為江蘇的呂泗，福建省的山東，在每一個階梯面上，各個海區多年來的平均海面存在微小的起伏，其中最主要的黃渤海海區的平均海面幾乎與2000國家大地坐標系保持一致，最大的變化幅度在1cm±2，東海海區的變化幅度為2.3cm±3cm。

結語

海洋測繪垂直基準能夠檢測海岸地帶的地形、沿海水深和近海水深的測量技術，這也就代表海洋測繪垂直基準是目前現代大地測量基準的一項重要“成員”。想要將2000國家大地坐標系作為海平面模型，就必須實現還按地區的垂直基準轉換技術，其技術的關鍵在于計算不同區域的長時間的平均海平面高度△h和其理論深度基準L。

綜上所述，利用水準聯測法、固定點比較法或者潮信法對△h進行測量，通過多種測量方法的計算，能夠精確地確定平均海面高度△h。利用準確、完善和可拼接的高程基準給海岸經濟的開發提供保障保障。

［1］歐陽永忠.基于高精度的GPS測高的海洋深度檢測技術［J］.海洋測繪，2014，18（4）：9-11.

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［3］鄧方，吳曉華.關于2000中國大地坐標系的建議［J］.大地測量與地球動力學，2010，28（10）：832.

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［5］梁震英.大地水準面的嚴密定義和我國高程基準的選擇［J］.測繪工程，2013，11（4）：11-13.

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