無驗潮模式下的寧波杭州灣水下地形測量

王智明，孫月文

(1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042； 2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

1 引 言

近年來，國內外相關學者在無驗潮海洋測繪領域進行了大量的理論研究和工程實踐，無驗潮水深測量在海洋工程中得以充分發揮效能[1～4]。海洋深度基準的構建是無驗潮水深測繪的關鍵[5，6]。本文在已有研究資料的基礎上，嘗試在較大范圍內實施無驗潮海洋測繪工作。

近海海洋基礎測繪不僅要滿足城市規劃的用圖需求，還要滿足漁船、交通運輸船等船舶的航行用圖需求，盡量做到一測多用。基礎測繪項目一般都出“兩套圖”，一套基于深度基準面的水深圖、一套基于似大地水準面的水下地形圖。兩套圖的生產就會涉及垂直基準的轉換和垂直基準模型的構建問題。將高精度GNSS測高引入到海洋測繪不僅提高了測量的精度；而且由于不用驗潮、不用動態吃水改正，為海洋測繪節省了大量的作業成本[7～9]。

傳統的驗潮模式水下地形測量以瞬時水面作為測深的基準面，通過離散驗潮內插測點的瞬時水面高，最終求得測點基于1985國家高程基準的水下地形點高程值和基于理論深度基準面的水深值。杭州灣海域潮差大、潮流急，含沙量高。常規驗潮模式在潮水驟漲或陡降時測點水位內插存在較大誤差，湍急的潮流和高含沙量的海水為自記式水位計的安置帶來了諸多不便和誤差，因此常規驗潮模式測量方法誤差較大。在杭州灣海域進行無驗潮水深測量將大大提高作業效率和測量精度。

2 技術支撐

無驗潮模式下“兩套圖”海洋測繪需要大量的基礎測繪資料作為支撐。浙江省的海洋測繪基準框架建設一直走在全國前列，浙江省測繪與地理信息局基于浙江CORS現代化測繪基礎設施在2014年完成浙江省海洋似大地水準面精化，精化模型內符合精度 3.3 cm，外符合精度 4.3 cm。這為海洋測繪水下地形點的大地高與正常高轉換提供了極大的便利，測點的大地高可以直接通過在線轉換平臺轉換成正常高。

2011年～2014年期間寧波市規劃局(寧波市測繪與地理信息局)對寧波海域進行了有序的海洋測繪工作，積累了大量的水下地形資料和驗潮站資料，為后期的海洋測繪提供了可靠的多年平均海平面數據、離散潮位站的L值數據。根據歷年潮位資料建立深度基準面的正常高模型，可以實現水下地形測量點正常高和以理論最低潮位面為基準的測量點水深值之間的轉換。

3 深度基準面的正常高模型建立

(1)潮位站深度基準面正常高計算

根據區域內各潮位站多年平均海平面的正常高h多和各潮位站的L值，計算各離散潮位站深度基準面的正常高L85。

L85=h多-L

(2)曲面擬合模型選擇

根據離散點內插范圍內任意點的深度基準面正常高通常采用曲面函數擬合的方法，深度基準面的曲面擬合可以采用雙線性擬合、二次曲面擬合等方法。

雙線性擬合是測繪中常用的方法，其公式為：

L85=f(X，Y)=aX+bY+cXY+d

式中X為北坐標，Y為東坐標，a，b，c，d，e，f為待求參數。

樣條內插在本項目中仍然是以相鄰4個驗潮站連線作為分段區間，并且二元函數在確定分段區間的判斷函數代碼較為復雜。本文采用二次曲面擬合方法建立深度基準面的正常高模型，二次曲面擬合函數當a，b都為0時即是雙線性擬合函數，所以二次曲面擬合包含雙線性擬合。

(3)運用二次曲面擬合方法建立測區內深度基準面的正常高模型

①模型建立原則

區域內已有驗潮站分布如圖1所示，運用最小二乘原理一次性代入12個已知潮位站的數據時可能會造成殘差較大的情況，也容易造成誤差的累積。而且近海某一點的潮位可能會存在與相鄰潮位相關性不強的實際情況，所以剔除某一潮位站降低殘差的參數求解方法存在一定的風險。為提高數據處理精度，本文采用相鄰四個潮位站求解一組參數的數據處理方法進行解算。

②參數求取

建立深度基準面正常高關于坐標X、Y的擬合函數，然后代入已知值求取參數。

L85=f(X，Y)=aX2+bY2+cXY+dX+eY+f

式中X為北坐標，Y為東坐標，a，b，c，d，e，f為待求參數。

圖1 區域內已有驗潮站分布圖

4 驗潮法比對測試

為保障水下地形測量的準確性和區域范圍穩定性，在全面測量開始前進行了常規驗潮模式和無驗潮測量的比對測試。測試的目的是檢驗歷史潮位計算精度和浙江省海洋似大地水準面精化的符合情況、儀器系統誤差以及方法的可行性，實驗區的范圍選取以能夠保證單站潮位改正滿足精度要求為原則。分別在海皇山附近和四灶浦閘附近 1 km范圍內進行常規驗潮方法水深測量，分別用單站潮位改正方法和無驗潮測量方法進行了比對測試。測試過程如下：

①在岸邊有專人每隔10 min進行水面高程測量；

②在測量船上架設測深儀和可連接NBCORS的雙頻GNSS接收機，準確測量測深儀探頭吃水深度和水面到GNSS天線相位中心的高度，測定時間延遲參數，輸入數據采集軟件；

③根據預設航線進行數據采集；

④根據潮位數據，水深經過傅立葉低通濾波處理消除波浪影響，利用單站改正方法處理得到水下地形點的正常高；

⑤利用GNSS測高數據直接得到水下地形點的大地高，利用整合了浙江省海洋似大地水準面精化的“浙江省衛星定位基準服務平臺”將大地高轉換成正常高。

⑥兩種方法進行比較，計算中誤差比對結果如表1所示：

無驗潮與驗潮模式同名點正常高差異表 表1

經檢驗，無驗潮方法與常規驗潮方法差異在 5 cm以內，數據質量可靠。

5 無驗潮水下地形測量數據處理

(1)水下地形測量點大地高計算

無驗潮水深測量的水下地形點大地高計算方法有兩種，第一種是根據瞬時儀器測得的水深h、天線高H天線和瞬時GNSS相位中心大地高H瞬時，根據幾何關系直接計算得到瞬時測點的大地高H點。

H點=H瞬時-H天線-h

第二種方法是分別提取GNSS測高數據和測深儀測深數據進行低通濾波平滑，運用平滑后的瞬時GNSS相位中心大地高和瞬時水深利用以上公式計算測點大地高。實踐證明，采用平滑方法計算的水下地形點大地高主測線與檢查線的不符值相對較小，但“沖溝”等微地形有丟失。況且，運用平滑法進行數據處理抹殺了無驗潮模式的精度優勢。

(2)水下地形測量點正常高計算

圖2 正常高參考面與橢球高參考面差異圖

如圖2所示，本文采用似大地水準面精化計算測量點正常高h點：

h點=H點-ζ

式中ζ為高程異常，H點為測點大地高。

本過程通過浙江省海洋似大地水準面精化實現。

(3)水下地形測量點水深值計算

圖3 正常高參考面與深度基準面差異圖

如圖3所示，測點正常高h點與測點基于深度基準面的水深值D相差一個深度基準面正常高L85，也可以叫作深度基準與正常高基準的換算值L85。

D=h點+L85

深度基準面一般都在似大地水準面的下方，所以式中L85為負值。

本過程通過深度基準面的正常高二次曲面擬合編程實現。

(4)檢查線精度統計

本項目檢查線數學精度統計表 表2

主測線與檢查線垂直，而且測量時間不同。用檢查線與主測線相交位置的高程不符值作為測量精度的指標。類似于陸地測量的同名點精度檢查。表2相當于同名點檢查的數學精度。

6 結 語

在海域內似大地水準面精化數據和測區深度基準面已知的情況下，可以采用無驗潮水下地形測繪方法進行“兩套圖”海洋基礎測繪。定位可以根據區域大小和離岸距離采用單基站RTK、網絡RTK或PPK模式。本文在杭州灣強潮海域進行海洋測量，高平潮時在小范圍內與驗潮模式進行比對外符合精度中誤差小于 5 cm，全測區主測線和檢查線內符合精度中誤差能達到 6.3 cm，經過外符合精度和內符合精度的評估驗證，精度可靠、模式可行。