連續(xù)深度基準(zhǔn)面構(gòu)建及通航水深服務(wù)模式研究

胡英俊，張安民，2，張佳麗，侯澤北

（1.天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072；2.天津市港口環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)中心，天津 300072）

水深是船舶安全航行中最關(guān)鍵的要素，水深測量以及通航水域動(dòng)態(tài)水深的發(fā)布是航海動(dòng)態(tài)信息服務(wù)最重要的內(nèi)容之一。但是海水的瞬時(shí)深度受天文、氣象等因素變化的影響，我國大多數(shù)海區(qū)受這些變化影響較大（孟德潤等，1993）。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）為提高海上貨物運(yùn)輸?shù)母咝院桶踩裕?006 年提出了e-航海概念（Graff，2009；IMO，2013），其中如何在航行中獲得高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水深信息是各國研究的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。在沿岸海域，尤其是船舶航行在接近安全航行水深的海域時(shí)，充分利用潮汐的有效水位，可提高航道通航能力、降低航程及船舶能源消耗，減少海洋環(huán)境污染（杜佳蕓，2018）。

深度基準(zhǔn)面是由驗(yàn)潮站的驗(yàn)潮資料利用調(diào)和分析法求得，采用13 分潮模型計(jì)算（海軍司令部，1998）。因此深度基準(zhǔn)面相對于平均海面數(shù)值，僅是對真正曲面形態(tài)基準(zhǔn)面在特定點(diǎn)的采樣，是離散、跳變和不連續(xù)的，具有區(qū)域性（柯灝，2012；暴景陽等，2013）。隨著港口建設(shè)、船舶大型化和航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)有的深度基準(zhǔn)面精度不高的問題成為制約海洋測繪服務(wù)于現(xiàn)代航運(yùn)的瓶頸問題。此外，無驗(yàn)潮水深測量等遠(yuǎn)距離快速海道測量技術(shù)成為海洋測繪發(fā)展的主要方向，而這些技術(shù)發(fā)展的基本前提就是建立覆蓋全海區(qū)的、高精度、無縫連接、平滑過渡的深度基準(zhǔn)面。深度基準(zhǔn)面構(gòu)建方法依賴于潮汐的分潮理論，深度基準(zhǔn)面的變化隨潮波傳播特征的變化而變化，如果能更深入地了解潮波運(yùn)動(dòng)特征，將對構(gòu)建連續(xù)深度基準(zhǔn)面具有指導(dǎo)作用。目前，國內(nèi)已經(jīng)有很多對于潮波的數(shù)值模擬研究，通過POM，F(xiàn)VCOM 等模式可以對研究海區(qū)的潮波運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較高精度的模擬（許軍等，2008；張安民 等，2018；柯灝 等，2018；管明雷 等，2017；Lai et al，2018），已有學(xué)者采用POM 海洋模式模擬了渤海潮汐的主要特征（康鴻軒 等，2016）。而國外也已進(jìn)行了相關(guān)研究，將潮波數(shù)值模擬的方法運(yùn)用于保障船舶的航行安全，并取得了較好的效果（Chen et al，2013，2015；Lecci et al，2015）。

陸地高程基準(zhǔn)和深度基準(zhǔn)的不統(tǒng)一，導(dǎo)致陸海高程數(shù)據(jù)存在縫隙（周興華等，2017）。建立一套具有通用意義的陸海高程基準(zhǔn)統(tǒng)一方法和模型，是滿足迅猛增長的測繪服務(wù)的需要。隨著GNSS 空間大地測量技術(shù)的進(jìn)步和高精度地面控制網(wǎng)絡(luò)的完善，采用三維地心坐標(biāo)系統(tǒng)已成為國際潮流，我國于2008 年7 月1 日啟用了CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000） 坐標(biāo)框架即多源空間大地測量技術(shù)融合的組合框架（柳根等，2019）。張安民等（2013） 提出了基于CGCS2000參考橢球面構(gòu)建陸海一體化的垂直基準(zhǔn)并建立數(shù)字球 模 型， 以 GNSS（Global Navigation Satellite System）為主要定位手段可實(shí)現(xiàn)一體化地形更新和水下地形更新的模式。將深度基準(zhǔn)面值歸算到CGCS2000 參考橢球面上，構(gòu)建陸海高程一體化測繪基準(zhǔn)，可以滿足日益多元化的測繪服務(wù)需求，同時(shí)以CGCS2000 參考橢球面作為深度基準(zhǔn)面具有計(jì)算簡單、易于轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，符合未來發(fā)展方向。本文在此基礎(chǔ)上對通航水深相關(guān)的基準(zhǔn)面及其相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行了討論，提出釆用數(shù)值模式進(jìn)行高精度連續(xù)深度基準(zhǔn)面的構(gòu)建方法，應(yīng)用POM 模式，建立基于參考橢球面的動(dòng)態(tài)海面模型。通過高精度GNSS直接進(jìn)行海底地形測量，并通過基于參考橢球面的深度基準(zhǔn)面模型和海底大地高的差值獲得海圖水深及通航水深。

1 通航水深相關(guān)垂直基準(zhǔn)面及其轉(zhuǎn)換關(guān)系

1.1 平均海面

平均海面是指某地在一定時(shí)間段內(nèi)的海面變化算術(shù)平均值，可由驗(yàn)潮站觀測數(shù)據(jù)計(jì)算算術(shù)平均值得到。這種方法獲得的平均海面值是離散、跳變的，精度不高。而衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可提供大范圍、全天候的水位變化觀測數(shù)據(jù)。通過衛(wèi)星獲取某種平均意義上的海平面相對于參考橢球面的大地高，即海平面高度。融合多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)各項(xiàng)訂正后可以精確刻畫平均海平面高。

1.2 深度基準(zhǔn)面

深度基準(zhǔn)面通常為海圖水深的起算面，在數(shù)據(jù)處理、水深測量、信息發(fā)布以至航海的過程中發(fā)揮著重要作用。深度基準(zhǔn)面構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是可以使船舶安全航行保障率達(dá)到95%以上。其作為海道測量和海圖水深的垂直基準(zhǔn)面，一般指的是位于平均海平面以下的一個(gè)面。其與平均海平面之間的距離，即L 值，隨著各地潮差的不同而不同，一般都定在當(dāng)?shù)刈畹统备浇?，潮差大的海區(qū)比潮差小的海區(qū)深度基準(zhǔn)面低。因此，海圖水深受深度基準(zhǔn)面的計(jì)算精度的影響較大。

深度基準(zhǔn)面利用調(diào)和分析法計(jì)算求得，由M2、N2、Q1、K2、S2、K1、O1、P1這8 個(gè)分潮疊加可能出現(xiàn)的最低值計(jì)算得到。《海道測量規(guī)范GB 12327—1998》（海軍司令部， 1998） 中規(guī)定計(jì)算采用13個(gè)分潮模型，全部附加M4、MS4、M6的淺水改正和S4、Ssa的長周期改正，其公式為：

1.3 不同基準(zhǔn)面間轉(zhuǎn)換關(guān)系

與水位記錄零點(diǎn)相關(guān)的潮汐基準(zhǔn)信息在傳統(tǒng)觀測的方法中，是由驗(yàn)潮站水位觀測數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得到，進(jìn)而通過驗(yàn)潮站大地聯(lián)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與高程基準(zhǔn)的聯(lián)系，反映離散驗(yàn)潮站點(diǎn)的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系（暴景陽等，2016）。而隨著衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展，垂直基準(zhǔn)模型向著更大區(qū)域和高精度方向快速發(fā)展。海上航行相關(guān)的海圖水深、各種高度與相關(guān)基準(zhǔn)面之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 各基準(zhǔn)面之間的關(guān)系

孫翠羽（2011） 歸納了參考橢球面、平均海面、大地水準(zhǔn)面和深度基準(zhǔn)面等幾個(gè)基準(zhǔn)面的特點(diǎn)。其中參考橢球面具有數(shù)學(xué)表達(dá)嚴(yán)格、空間變化規(guī)則、符合GNSS 的使用、可直接測量參考橢球的大地高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)直接大地高測量，缺點(diǎn)是它不完全符合地球的物理特性，無法保障船舶的安全航行，不利于提高水深利用率，與海圖高的使用習(xí)慣不相符合。

2 基于潮波模擬的深度基準(zhǔn)面構(gòu)建

2.1 研究方法

深度基準(zhǔn)面推算模型構(gòu)建有兩種方法，其一是通過驗(yàn)潮站多年觀測數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)內(nèi)插完成，其二是通過潮波動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的方式完成。第一種方法要求有一定密度的且布置合理的潮位站網(wǎng)點(diǎn)，這種方法成本高昂，并且受制于內(nèi)插模型的適用性，深度基準(zhǔn)面模型誤差較大。本文采用的潮波運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬的方法不僅可以得到各點(diǎn)逐時(shí)的潮位變化情況，同時(shí)還能夠得到模擬區(qū)域內(nèi)各格網(wǎng)點(diǎn)的潮流流速、流向。通過一段時(shí)間的模擬潮位可進(jìn)一步計(jì)算出各格網(wǎng)點(diǎn)處的潮汐調(diào)和常數(shù)，進(jìn)而根據(jù)深度基準(zhǔn)面模型構(gòu)建整個(gè)海區(qū)的連續(xù)深度基準(zhǔn)面。

2.2 模式介紹

POM 模式是由Alan Blumberg 和George L Mellor等人于1977 年創(chuàng)建（George，2004；Blumberg et al，1987；Ezer，2004），后由普林斯頓大學(xué)和美國國家大氣海洋局地球流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室等部門聯(lián)合推廣。

該模式的垂向混合系數(shù)由二階湍流閉合模型確定，在很大程度上去除了人為因素的干擾，為提高模式計(jì)算效率，該模式應(yīng)用時(shí)間分裂的算法。包括熱力學(xué)的過程（李冬等，2010），使用靜力近似。為了進(jìn)一步提高模擬的精度，采用Blending 同化法（許軍，2008）將實(shí)際觀測數(shù)據(jù)融合到動(dòng)力學(xué)模型中。Blending 同化法是指將實(shí)際衛(wèi)星測高數(shù)掘直接插入到動(dòng)力學(xué)模型中，把待求格網(wǎng)點(diǎn)的預(yù)報(bào)潮高看成是實(shí)際觀測數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)模型的模擬位的加權(quán)和的形式，其算法模型可以此公式表達(dá)：

如果控制點(diǎn)的潮汐參數(shù)是真值，則f 應(yīng)取0.25 ～0.4，其主要起松弛調(diào)節(jié)作用。但T/P 存在3～4 cm的綜合測高誤差，同時(shí)調(diào)和分析得到的振幅基本具有等精度，而遲角的精度則不均勻，基本反比于分潮振幅，這使得f 的取值應(yīng)小于1 且與分潮的平均振幅大致成比例。

2.3 研究區(qū)域及模型配置

模式計(jì)算域選取范圍為37毅N—41毅N，117.5毅E—122.8毅E，水深數(shù)據(jù)來自TOPO2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，近岸地區(qū)使用中國航海保證部出版的海圖和實(shí)測水深進(jìn)行調(diào)整，各網(wǎng)格點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)來自俄勒岡州立大學(xué)發(fā)布的海潮模型（http://volkov.oce.orst.edu/tides/YS. html），模式水平分辨率為1.2憶伊1.2憶，模式網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為200伊265伊13，由13 個(gè)分潮組成：M2、K2、S2、O1、Q1、P1、N2、K1、M4、MS4、M6、Sa和Ssa。其中，Sa和Ssa分潮由T/P 沿軌結(jié)果和沿岸驗(yàn)潮站結(jié)果利用Kriging 法分別內(nèi)插正弦分量和余弦分量得到，其他分潮由數(shù)值計(jì)算得到。由POM 模式分別運(yùn)行Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2等8 個(gè)分潮，開邊界與T/P 點(diǎn)的輸入都對應(yīng)單分潮的水位。淺水分潮也同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)開邊界與T/P 點(diǎn)的輸入為MS4、M2、S2、M4與M6。垂直方向上分為13個(gè)sigma 層，較好地?cái)M合了海底地形和海岸線，可以較好地反映真實(shí)的地形。海底地形和海岸線形狀對近岸潮汐的變化特征具有非常重要的影響，為直觀表征模擬區(qū)域的地形特征，模擬區(qū)域的地形和水深分布（圖2）。

圖2 模擬區(qū)域地形及水深分布

模式的內(nèi)模式時(shí)間步長取60 s，外模式時(shí)間步長取2 s，模式運(yùn)行480 h，最后48 h 每小時(shí)輸出一次水位場，通過最小二乘調(diào)和分析法得到計(jì)算域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)上的潮汐調(diào)和常數(shù)。M2、K1、O1和S2分潮同潮圖如圖6 所示，遲角采用東8 區(qū)。

2.4 模擬結(jié)果分析

圖3 驗(yàn)潮站分布圖

為了評估潮汐數(shù)值模擬的精度，選用14 個(gè)長期驗(yàn)潮站作為驗(yàn)證點(diǎn)（圖3），分別收集至少12 個(gè)月的實(shí)測驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，對驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行調(diào)和分析。潮汐的調(diào)和常數(shù)具有穩(wěn)定性，由潮汐場模型內(nèi)插出驗(yàn)證點(diǎn)處的調(diào)和常數(shù)，將內(nèi)插得到的調(diào)和常數(shù)與由實(shí)測數(shù)據(jù)得到的調(diào)和常數(shù)相比較來驗(yàn)證模擬精度。表1為其中4 個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)處8 個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)的對比，其中駐H（cm）表示振幅差，駐g（毅）表示遲角差。

表1 調(diào)和常數(shù)對比

為直觀表征驗(yàn)潮點(diǎn)各分潮的振幅和遲角誤差，來檢驗(yàn)POM 模擬精度，從圖4 和圖5 中可以看出，4 個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)中除個(gè)別幾個(gè)分潮振幅和遲角誤差偏大之外，誤差都在允許的范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的可能原因是為了提高計(jì)算效率，降低了地形的分辨率，模型分辨率不夠，在有些岸線彎曲程度復(fù)雜的地方處理不夠精細(xì)，還有可能就是水深資料不夠準(zhǔn)確，造成局部誤差過大。但總體來講，調(diào)和常數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測調(diào)和常數(shù)值相差較小，模擬精度基本符合要求。通過對驗(yàn)證點(diǎn)的振幅差和遲角差分析，實(shí)現(xiàn)渤海M2、S2、K1、O14 個(gè)主要分潮的伴隨同化數(shù)值模擬。所得4 個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)精度為：振幅絕均差分別為1.4 cm、1.25 cm、1.37 cm、1.6 cm；遲角絕均差分別為：4.6毅、7.3毅、2.57毅、4.27毅，由于模擬區(qū)域受M2和K1分潮影響最強(qiáng)，較前人（高秀敏，2010；朱學(xué)明，2009）相比，本文研究的精度均有所提高。

圖4 4 個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)各分潮振幅誤差對比圖

圖5 4 個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)各分潮遲角誤差對比圖

對比調(diào)和常數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，對M2、K1、O1和S2分潮同潮圖進(jìn)行分析（圖6），其中M2、S2半日分潮在計(jì)算區(qū)域內(nèi)形成了兩個(gè)無潮點(diǎn)，其中一個(gè)比較明顯的點(diǎn)位于秦皇島外海附近海域，較不明顯的一個(gè)點(diǎn)位于老黃河口位置，由于填海造陸等人類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致海岸線急劇變化，從而影響了潮流的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致無潮點(diǎn)已退化到陸上，通過與（朱學(xué)明，2009；鄭鵬，2013）的研究對比可發(fā)現(xiàn)，M2和S2分潮的振幅和遲角的走向基本一致，S2分潮的情況與M2分潮類似，在渤海也存在兩個(gè)無潮點(diǎn)，且兩個(gè)分潮的最大振幅均出現(xiàn)在遼東灣頂。K1和O1分潮在渤海中各存在一個(gè)無潮點(diǎn)，均位于渤海海峽中央附近，振幅最大值均位于遼東灣頂，且遲角線沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，上述結(jié)果與前人的研究也是比較一致的。在渤海海區(qū)，M2分潮是其主要潮波系統(tǒng)，由M2分潮的模擬結(jié)果可見，本模式在渤海海區(qū)的本次模擬應(yīng)用是較為成功的，結(jié)果也是合理可信的。

2.5 連續(xù)深度基準(zhǔn)面的建立

根據(jù)模擬得到潮位數(shù)據(jù)的調(diào)和分析結(jié)果，建立研究區(qū)域連續(xù)深度基準(zhǔn)面，其具體步驟為： （1）在模擬海域建立1.2憶伊1.2憶的網(wǎng)格，（2）應(yīng)用數(shù)值模型計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)的13 個(gè)分潮的值，（3）按照《海道測量規(guī)范（GB12327—1998）》1998 規(guī)定的13個(gè)分潮模型構(gòu)建整個(gè)研究區(qū)域的連續(xù)深度基準(zhǔn)面值，（4）通過網(wǎng)格點(diǎn)的（B，L，H）擬合三維曲面，此曲面即連續(xù)深度基準(zhǔn)面。由于我國渤海灣近岸海域缺乏長期驗(yàn)潮數(shù)據(jù)且該區(qū)域存在無潮點(diǎn)，潮汐性質(zhì)復(fù)雜。為了與歷史上沿用的海圖基準(zhǔn)面一致，同時(shí)又保持基準(zhǔn)面分布的平滑性，根據(jù)渤海灣西部的天津港原東突堤、大沽燈塔和黃驊港工作碼頭3 個(gè)驗(yàn)潮站處的海圖基準(zhǔn)面，用下列方法對計(jì)算的深度面做了調(diào)整。

圖6 分潮同潮圖

（1）采用線性插值方法，將網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)值插值到所選驗(yàn)潮站處。

（2）計(jì)算驗(yàn)潮站處基準(zhǔn)面數(shù)值與網(wǎng)格點(diǎn)插值結(jié)果之比。

其中，Z 表示基準(zhǔn)面數(shù)值；下標(biāo)O 和C 分別表示觀測值和網(wǎng)格點(diǎn)插值結(jié)果，通過此式來幫助建模和驗(yàn)證模擬精準(zhǔn)面精度，其值越接近于1，模擬的越精確。

（3）采用距離加權(quán)平均的方法，對網(wǎng)格點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，權(quán)重函數(shù)如下：

其中，N 是所選驗(yàn)潮站的個(gè)數(shù)；d（N）是第N 個(gè)驗(yàn)潮站到網(wǎng)格點(diǎn)的距離；a 取0.9 時(shí)既可以撫平短期波動(dòng)，還起到了平滑的作用。

（4）對調(diào)整后的結(jié)果進(jìn)行平滑。

渤海灣西部驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面值與模擬數(shù)據(jù)計(jì)算深度基準(zhǔn)面值如表2 所示。

表2 渤海灣西部驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)與模擬結(jié)果

如表2 所示，各驗(yàn)潮站處的實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算深度基準(zhǔn)值與模擬數(shù)據(jù)計(jì)算深度基準(zhǔn)面值的偏差很小，3 個(gè)站點(diǎn)處的深度基準(zhǔn)面差值的絕對值平均為1.67 m，從表中可直觀地看出深度基準(zhǔn)偏差值最大為-3 cm，在天津港-東突堤站，該站位于港口末端出?？谔帯ｏ@然，這與POM 模式模擬的精度有關(guān)。在模型格網(wǎng)覆蓋區(qū)域的邊緣地帶，潮位模擬精度和深度基準(zhǔn)推算精度一般較差；而在模型內(nèi)部區(qū)域，潮位模擬精度和深度基準(zhǔn)推算精度較高。

2.6 CGCS2000 深度基準(zhǔn)面模型建立

為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測高獲得的平均海面到海圖水深的轉(zhuǎn)換，根據(jù)深度基準(zhǔn)面模型，結(jié)合海底地形，將海圖水深的基準(zhǔn)面換算為CGCS2000 橢球面。

CGCS2000 參考橢球面與深度基準(zhǔn)面之間的關(guān)系不能直接求得，需要建立與其他基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型，找出CGCS2000 參考橢球面與深度基準(zhǔn)面之間的關(guān)系。通過對海底地形的測量，建立海底地形模型、深度基準(zhǔn)面模型和平均海平面模型，可以實(shí)現(xiàn)深度基準(zhǔn)面到CGCS2000 參考橢球的轉(zhuǎn)換。這幾個(gè)基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1 所示。通過計(jì)算可得出深度基準(zhǔn)面與CGCS2000 參考橢球面的距離AC，用公式可表示為：

式中：PA 表示平均海平面到理論深度基準(zhǔn)面的距離，PC 為平均海平面到CGCS2000 參考橢球面的距離。

3 海底地形測量與通航水深應(yīng)用模式

3.1 基于精密定位定姿系統(tǒng)（position and orientation system）的海底地形測量

在統(tǒng)一的參考橢球和深度基準(zhǔn)面等海洋垂直基準(zhǔn)基礎(chǔ)上，可以采用精密POS 及測深儀進(jìn)行精密的海底地形測量。在CGCS2000 地心坐標(biāo)系中，陸地表面和海底表面的每一個(gè)點(diǎn)都有明確的坐標(biāo)，并且在一定時(shí)段內(nèi)保持穩(wěn)定。同時(shí)，通過精密POS進(jìn)行三維測量，能夠獲取符合海道測量精度要求的衛(wèi)星天線高（基于橢球面的大地高），經(jīng)過精密計(jì)算，能夠得到與衛(wèi)星天線高的精度相當(dāng)?shù)暮５状蟮馗??；诰躊OS 的海底地形測量時(shí)衛(wèi)星接收機(jī)天線架設(shè)及高程計(jì)算原理如圖7 所示。

圖7 GNSS 高程計(jì)算原理圖

由GNSS 和測深設(shè)備直接測量海底點(diǎn)的大地高的公式為：

式中：HGNSS為GNSS 天線處的大地高；z 為GNSS 天線到重心位置RP （Reference Point）的垂直距離；h 為換能器表面至RP 的垂直距離；D 是測深儀測量的換能器表面至海底的垂直距離。至此，通過姿態(tài)變換，實(shí)現(xiàn)了定位、測深的一體化改正，完成了精密水下地形測量。

3.2 通航水深的應(yīng)用

裝備了高精度GNSS 的船舶進(jìn)行航行時(shí)，可實(shí)時(shí)進(jìn)行船舶的大地高測定，并通過已知海底的地形模型計(jì)算實(shí)時(shí)水深：

式中：HGNSS是GNSS 的天線高，H海底是船舶所在位置的海底高，HW是船舶吃水線到GNSS 天線的垂直距離，可由GNSS 天線的安裝高度和船舶吃水計(jì)算得到。相較于傳統(tǒng)的水深測量方法，采用精密POS測量和通航水深應(yīng)用模式跳過了復(fù)雜的潮汐變化對水深測量精度的影響，可以直接獲取海底的大地高。對于過于保守的深度基準(zhǔn)面值雖然可以保障船舶的航行安全，但造成了航道水深利用率和航道維護(hù)費(fèi)用增加等問題，通過航行船舶自身的高精度GNSS，可獲取瞬時(shí)海面到海底的深度，能夠解決船舶在港口水域水深利用率低和港口航道維護(hù)費(fèi)用高的問題。實(shí)時(shí)水深測量應(yīng)用模式如圖8 所示。

圖8 即時(shí)水深測量應(yīng)用模式圖

3.3 基于e-航海的通航水深智能服務(wù)

由高精度GNSS 測量和應(yīng)用模式獲得的通航水深數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，可通過AIS 和Internet 等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)布給用戶，實(shí)現(xiàn)一種自主、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的個(gè)性化智能服務(wù)模式，為用戶提供水深淺點(diǎn)預(yù)警信息、潮汐信息、電子海圖更新等推送服務(wù)。信息推送技術(shù)有助于很好的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，符合e-航海戰(zhàn)略的宗旨。在航行前，船舶將自己的航行計(jì)劃上傳至岸端服務(wù)器，利用高精度通航水深應(yīng)用模式，由岸端服務(wù)器計(jì)算出該航行區(qū)域的實(shí)時(shí)水深圖。e-航海服務(wù)端還可為用戶智能推送最佳航線和通航時(shí)段，其具體服務(wù)模式流程如圖9 所示。

圖9 通航水深智能服務(wù)流程圖

4 結(jié)論

本文對基于高精度GNSS 的通航水深服務(wù)模式進(jìn)行了探討，采用計(jì)算精密海面數(shù)值模型獲取的海面高與海底大地高之差的方法獲得水深值。研究結(jié)論如下：

（1）采用POM 模式對渤海灣西部海域進(jìn)行了潮波運(yùn)動(dòng)模擬，模擬所得網(wǎng)格點(diǎn)潮汐特征符合當(dāng)?shù)貙?shí)際潮汐特征，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高精度的連續(xù)深度基準(zhǔn)面，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析可知，模型整體精度較高。

（2）通過衛(wèi)星測高的方法獲得平均海面，由平均海面、深度基準(zhǔn)面和海底建立轉(zhuǎn)換模型，將深度基準(zhǔn)面歸算到CGCS2000 參考橢球面。

（3）基于精密POS 測量技術(shù)直接進(jìn)行海底地形測量，建立與陸地地形相銜接的數(shù)字地形模型，并可應(yīng)用于船舶獲取動(dòng)態(tài)水深。

（4）e-航海服務(wù)體系能夠?yàn)榇疤峁┲悄芑ê剿罘?wù)。

本文提出的通航水深服務(wù)模式應(yīng)用精密POS測量技術(shù)進(jìn)行高精度海底地形測量，建立與陸地地形相銜接的數(shù)字地形模型，另一方面，建立與時(shí)間及空間位置相關(guān)的潮汐變化模型，在船舶航行時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)解算船舶所在位置或未來某一時(shí)刻船舶航行至某位置的水深值，由此可指導(dǎo)船舶在水深比較接近船舶吃水區(qū)域的航線、航行時(shí)間的選擇。除此之外，該服務(wù)模式在港口建設(shè)和海洋科學(xué)研究中也將發(fā)揮重要的作用。

致謝：天津航海儀器研究所張永兵為文章修改提出寶貴意見,在此一并致謝。