海洋垂直基準(zhǔn)研究進展與展望

周興華，付延光，許 軍

1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510; 2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061; 3. 大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連 116018

海洋垂直基準(zhǔn)研究進展與展望

周興華1,2，付延光1,2，許 軍3

1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510; 2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061; 3. 大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連 116018

海洋垂直基準(zhǔn)的構(gòu)建是海洋測繪的基礎(chǔ)性工作。2009—2012年，我國初步構(gòu)建了中國近岸80海里范圍內(nèi)高程/深度基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一模型。近年來，這一模型擴展到了我國南海、西太平洋和東印度洋，接下來將逐步構(gòu)建南北極和全球的無縫垂直基準(zhǔn)面模型，這對推動我國數(shù)字海洋建設(shè)具有基礎(chǔ)的支撐作用。本文主要論述和梳理目前國內(nèi)外主要沿海國家進行海洋垂直基準(zhǔn)構(gòu)建的研究現(xiàn)狀，分析了海洋垂直基準(zhǔn)構(gòu)建的主要工作、途徑及關(guān)鍵技術(shù)，重點闡述了我國在海洋垂直基準(zhǔn)建設(shè)實踐中取得的成果和存在的問題。

海洋潮汐；垂直基準(zhǔn)；深度基準(zhǔn)面；衛(wèi)星測高；調(diào)和分析

海洋垂直基準(zhǔn)是陸地和海洋上高程測量的依據(jù)，具有陸海高程一致的性質(zhì)。當(dāng)前，我國海岸帶地形測量采用1985國家高程基準(zhǔn)，水深測量采用理論最低潮面，兩者分別采用不同的垂直基準(zhǔn)面，使得陸海交接處地形圖與海圖難以無縫拼接，而且海圖圖幅海域內(nèi)分別采用離散驗潮站確定的深度基準(zhǔn)值作為該海域統(tǒng)一的基準(zhǔn)值，使得相鄰圖幅存在基準(zhǔn)系統(tǒng)差。陸海高程/深度基準(zhǔn)、不同海區(qū)深度基準(zhǔn)面之間沒有建立嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系，嚴(yán)重影響海岸帶海島礁測繪工作的全面實施及相關(guān)測繪成果的推廣應(yīng)用。

驗潮站觀測數(shù)據(jù)是構(gòu)建海洋垂直基準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，能夠提供穩(wěn)定、可靠的調(diào)和常數(shù)[1]和高精度的平均海平面信息，為精密潮汐模型的外部精度檢核、深度基準(zhǔn)面模型的構(gòu)建等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過與水準(zhǔn)點的GNSS聯(lián)測，獲得驗潮站站點的多年平均海面高，是構(gòu)建平均海面高模型和判斷全球或區(qū)域平均海平面變化的重要數(shù)據(jù)來源之一。對驗潮站數(shù)據(jù)的處理分析，文獻[2—4]分別利用同步潮位序列相關(guān)性、潮汐調(diào)和分析模型進行缺測值和系統(tǒng)差的探測與修復(fù)，文獻[5—6]對余水位的性質(zhì)及應(yīng)用進行研究，在這類分析中，均以各分潮頻率已知但分潮振幅未知作為假設(shè)條件，均為基于物理機制的潮汐分析；文獻[7—8]利用小波變換、附加風(fēng)場信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對潮位數(shù)據(jù)進行預(yù)報，文獻[9]利用傅里葉變換對潮汐資料進行頻譜分析，這類研究中分潮頻率和振幅均設(shè)為未知，主要是基于潮位數(shù)據(jù)進行的理論與方法的研究。在利用驗潮站進行海平面變化的研究中，受地殼運動的影響，驗潮站觀測數(shù)據(jù)包含海面升降和當(dāng)?shù)氐貧ご怪毙巫儍煞N信息，使得由此確定的高程基準(zhǔn)則僅有相對意義。國內(nèi)外學(xué)者對沿海驗潮站地殼垂直形變進行了大量的研究[10-15]， 目前利用GNSS連續(xù)觀測資料進行驗潮站的地殼垂直形變研究[16]，對于得到驗潮站平均海平面絕對變化具有重要意義。夏威夷大學(xué)海平面數(shù)據(jù)中心(http:∥www.psmsl.org/)提供的全球596個長期驗潮站分布見圖1。

高度計數(shù)據(jù)是構(gòu)建海洋垂直基準(zhǔn)的另一重要數(shù)據(jù)來源。利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)提取的潮汐信息，在開闊海域能夠達到2～3 cm的精度[17]，基于此，國際上不斷推出并優(yōu)化全球潮汐模型，如DTU系列[18]、FES系列[19-21]和TPXO系列[22-23]等，國際上常用的潮汐模型見表1。由于多數(shù)全球潮汐模型較少同化中國沿海驗潮站數(shù)據(jù)，使得全球潮汐模型在中國沿海精度較差。受水深、岸線等地理因素[24-25]和對流層、逆氣壓等物理參數(shù)[26-27]的影響，由高度計反演的潮汐信息在淺水海域精度較差，且具有地域差異性[28]。如何提高高度計數(shù)據(jù)在淺水海域的精度，并量化淺水海域精度與岸線距離的關(guān)系是研究的熱點問題。

表1 國際常用的潮汐模型

注：E為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，H為同化模型；因篇幅限制，僅列出主要分潮

垂直基準(zhǔn)是陸海資源環(huán)境信息表示、多源多代信息綜合與有效使用的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，是海岸線及灘涂界定、島礁識別分類的科學(xué)依據(jù)，更是一切海洋及海島資源環(huán)境信息、海洋安全及海戰(zhàn)場環(huán)境信息的基本載體和重要組成部分以及海洋及海島信息化、智慧化的必要條件。基于潮汐模型和海洋基準(zhǔn)面模型建立海洋垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系，構(gòu)建深度基準(zhǔn)面與系列參考橢球面之間的偏差模型，是陸海高程/深度基準(zhǔn)統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換的基本途徑[29]。精密潮汐模型的構(gòu)建依附于潮波動力學(xué)數(shù)值模擬，并同化多源高度計反演的潮汐信息與驗潮站調(diào)和常數(shù)[30]。隨著中短期驗潮站資料、多代高度計數(shù)據(jù)和具備驗潮功能的浮標(biāo)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的加入，為構(gòu)建高精度、高分辨率及高覆蓋率的海洋垂直基準(zhǔn)提供了可能。

1 國際海洋垂直基準(zhǔn)的研究進展

20世紀(jì)80年代國際上很多沿海國家進行了海洋垂直基準(zhǔn)的研究和建設(shè)。FIG成立垂直基準(zhǔn)專題小組，對海洋垂直基準(zhǔn)的構(gòu)建進行專門研究[31]。加拿大利用其布設(shè)的874個驗潮站構(gòu)建了不同垂直參考面與WGS-84橢球面的轉(zhuǎn)換關(guān)系[32]；澳大利亞利用131個驗潮站構(gòu)建大地水準(zhǔn)面與WGS-84橢球面的關(guān)系，將其擴展到海道測量，進而確定基于WGS-84橢球面的最低天文潮面基準(zhǔn)AUSHYDROID[33]，但并未考慮高度計數(shù)據(jù)且假設(shè)大地水準(zhǔn)面與平均海平面重合[34]；英國利用880個驗潮站(覆蓋約18 000 km岸線)研究建立了基于GRS80橢球面的偏差模型VORF(vertical offshore reference frame)[35]，其精度在沿岸海域為±15 cm，近海海域為±10 cm[36]；美國利用1987個驗潮站(覆蓋約8200 km岸線)研制了垂直高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換軟件包VDatum，能夠?qū)崿F(xiàn)由最初28種到目前36種潮汐基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和橢球垂直基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換[37]，但由于未考慮高度計數(shù)據(jù)[38]，僅能通過驗潮站數(shù)據(jù)插值計算25海里內(nèi)的垂直基準(zhǔn)值，目前仍未實現(xiàn)整個國家沿海海域覆蓋。

同時對垂直基準(zhǔn)構(gòu)建過程中存在的問題進行研究。針對高度計數(shù)據(jù)在近海精度較差的問題，文獻[39]采用ERS-2和Poseidon高度計數(shù)據(jù)對澳大利亞海域進行研究，結(jié)果表明距離岸線4 km的海域高度計數(shù)據(jù)污染嚴(yán)重，4～22 km之間仍存在較大誤差。事實上，受岸線和水深等因素的影響，高度計數(shù)據(jù)在不同海域的精度表現(xiàn)不同，隨著物理改正模型精度和數(shù)據(jù)處理手段的不斷提高，能夠逐漸提高高度計數(shù)據(jù)在淺水海域的精度。對于海洋垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的途徑，文獻[40]提出通過分別構(gòu)建大地水準(zhǔn)面與高程基準(zhǔn)和深度基準(zhǔn)之間的差值模型，其精度可達±3 cm；文獻[41]針對沿岸淺水海域提出采用區(qū)域水動力模型構(gòu)建基于似大地水準(zhǔn)面的潮位數(shù)據(jù)，直接確定深度基準(zhǔn)與高程基準(zhǔn)的偏差?？紤]到平均海面高模型在淺水海域精度較差，以平均海面高模型作為中間變量進行陸?；鶞?zhǔn)統(tǒng)一的傳統(tǒng)做法也不可避免地存在該問題，(似)大地水準(zhǔn)面模型及參考橢球面模型正逐步參與到陸海垂直基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

目前，海洋垂直基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一工作仍在全國沿海或局部海域范圍內(nèi)進行，沒有任何一個國家完成對全球海域的海洋垂直基準(zhǔn)構(gòu)建。

2 我國海洋垂直基準(zhǔn)的研究進展

國內(nèi)近20年對海洋垂直基準(zhǔn)構(gòu)建與轉(zhuǎn)換方法進行了較深入的研究。《海道測量規(guī)范》明確規(guī)定我國海洋深度基準(zhǔn)采用理論最低潮面，基于中短期潮位資料得到調(diào)和常數(shù)的不穩(wěn)定性[42-43]，文獻[44—47]在深入研究了該基準(zhǔn)的計算方法和算法改進，論證了對調(diào)和常數(shù)附加歷元的必要性。文獻[48—51]探討了選取平均海平面、理論最低潮面和CGCS2000橢球面等具有不同意義的基準(zhǔn)面作為我國海洋垂直基準(zhǔn)的利弊，提出了通過偏差模型構(gòu)建海洋垂直基準(zhǔn)的理論與方法，研究了海洋垂直基準(zhǔn)統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換的表達精度。

近10年來，我國正逐步實現(xiàn)垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的工程化。我國目前擁有100多個長期驗潮站，大量具備驗潮功能的浮標(biāo)及我國自主海洋衛(wèi)星，對構(gòu)建精密潮汐模型、平均海面高模型和深度基準(zhǔn)面模型，并向1985國家高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換發(fā)揮了重大作用。山東、浙江等沿海城市及長江口局部海域進行的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建標(biāo)志著我國在海洋垂直基準(zhǔn)統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換理論的成熟及具備達到國際先進水平的能力。當(dāng)然，我國海洋無縫垂直基準(zhǔn)的體系構(gòu)建、動態(tài)實現(xiàn)、維持方法和模型精度仍需進一步研究和提高。

目前，我國海洋垂直基準(zhǔn)面模型分辨率和精度不斷提高。針對全球潮汐模型在南海海域的精度問題，本文采用TOPEX/Poseidon、Jason-1/2高度計數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析得到的分潮結(jié)果對DTU10模型進行精度評估，結(jié)果見表2。DTU10在南海水深小于200 m的海域8個分潮RSS值為4.45 cm，在水深大于200 m的海域為3.06 cm。由于DTU10是基于FES2004建立的經(jīng)驗改正模型，且加入了包括4年TOPEX/Poseidon、Jason-1交叉任務(wù)的多源高度計數(shù)據(jù)，使得該模型具有較好的精度表現(xiàn)。表3是采用南海海域37個長期驗潮站對多個全球潮汐模型進行的精度評估，各模型中分辨率最高的是TPXO8為2′×2′。結(jié)果表明，潮汐模型精度相當(dāng)，RSS值最大為15.05 cm，其中M2分潮RMS值最大為11.80 cm。

表2 潮汐模型DTU10與高度計數(shù)據(jù)的比較結(jié)果

表3 全球潮汐模型與南海海域驗潮站數(shù)據(jù)的比較結(jié)果

相比以上全球潮汐模型，覆蓋中國鄰近海域的區(qū)域潮汐模型分辨率達到1.2′×1.2′，圖2、圖3分別表示主要分潮M2、K1分潮潮波圖，圖中實線表示振幅，虛線表示遲角，采用中國沿岸25個長期驗潮站進行精度評估表明9個主要分潮的RSS值為12.50 cm[29]。深度基準(zhǔn)面模型的精度主要取決于潮汐模型的精度，由上述潮汐模型構(gòu)建的深度基準(zhǔn)面模型中誤差優(yōu)于±13 cm[52]。利用重力異常數(shù)據(jù)，采用移去恢復(fù)法，以EIGEN-5C為參考場，積分得到2′×2′的大地水準(zhǔn)面模型，見圖4。采用沿岸85個GPS水準(zhǔn)擬合進行精度評估，大地水準(zhǔn)面模型在中國海域標(biāo)準(zhǔn)差為±8.50 cm。在全球海域，采用多年TOPEX/Poseidon系列、Geosat/ERM等多源高度計數(shù)據(jù)，利用最小二乘配置法、移去恢復(fù)法等多種關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建的平均海面高模型分辨率達到2′×2′[53]，見圖5。該模型與CNES_CLS10、DNSC08和CLS01等國際平均海面高模型在中國近海的標(biāo)準(zhǔn)差分別為±8.20 cm、±15.60 cm和±12.00 cm，可基本實現(xiàn)高分辨率數(shù)字化網(wǎng)格形式的、近連續(xù)表達的海洋無縫垂直基準(zhǔn)。

3 海洋無縫垂直基準(zhǔn)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

(1) 無縫垂直基準(zhǔn)面的選擇與相互轉(zhuǎn)換。海洋無縫垂直基準(zhǔn)面應(yīng)按多個種類和多種層級選擇，既包括參考橢球面和大地水準(zhǔn)面等大地類型的高程基準(zhǔn)，又應(yīng)選擇深度基準(zhǔn)面和平均海平面等深度基準(zhǔn)。研究工作的重點是確定不同垂直基準(zhǔn)面的相互關(guān)系。海洋深度基準(zhǔn)面可以通過平均海面高模型在大地高系統(tǒng)中或通過海面地形模型在國家高程基準(zhǔn)中表示，因此，實現(xiàn)海洋深度基準(zhǔn)面與陸地高程基準(zhǔn)面的相互轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)基于地球橢球的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和海圖目標(biāo)數(shù)據(jù)的變換以及海圖數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

(2) 基準(zhǔn)面的高分辨率網(wǎng)格形式表示。由傳統(tǒng)離散的基準(zhǔn)表現(xiàn)形式發(fā)展為現(xiàn)代的模型連續(xù)形式，國際和國內(nèi)多采用利用驗潮站基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的擬合技術(shù)，但從根本上，由潮汐因素決定的垂直基準(zhǔn)面應(yīng)顧及海域潮波變化的物理機制，即以潮汐模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建高分辨率網(wǎng)格形式的基準(zhǔn)面模型。

圖2 中國鄰近海域M2分潮潮波圖Fig.2 Co-tidal chart of M2 constituent in China seas

圖3 中國鄰近海域K1分潮潮波圖Fig.3 Co-tidal chart of K1 constituent in China seas

圖4 中國鄰近海域大地水準(zhǔn)面模型Fig.4 The geoid model in the adjacent waters of China

圖5 全球海域平均海面高模型Fig.5 The global mean sea surface height model

(3) 基準(zhǔn)面精度指標(biāo)與確定原則。無縫垂直基準(zhǔn)面的關(guān)鍵是實施基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，其精度指標(biāo)的確定應(yīng)以不損失不同基準(zhǔn)下地理信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)為原則。在淺海區(qū)域，水深的精度一般限定在20～30 cm，故深度基準(zhǔn)面的確定應(yīng)明顯高于該精度指標(biāo)。構(gòu)建連續(xù)無縫的海域潮汐類型垂直基準(zhǔn)面，必須充分考慮不同海域的潮汐特點和可用數(shù)據(jù)分布情況。對于沿岸、內(nèi)海和其他的半封閉海域等海洋測繪工程的重點區(qū)域，必須根據(jù)這類區(qū)域的特點，設(shè)計科學(xué)合理的無縫垂直基準(zhǔn)面構(gòu)建方案。

(4) 海洋垂直基準(zhǔn)的維持與維護。海域垂直基準(zhǔn)維護技術(shù)實際是指長期驗潮站的多種數(shù)據(jù)觀測與處理，通過對驗潮站長期連續(xù)驗潮資料、定期以高等級水準(zhǔn)點聯(lián)測或GNSS并置連續(xù)觀測，進而精確確定基準(zhǔn)面間的關(guān)系以及監(jiān)測其他動態(tài)變化。海底地形測量或水深測量的海洋測量成果，通常是根據(jù)長期驗潮站垂直基準(zhǔn)關(guān)系，進行基于深度基準(zhǔn)面或基于1985國家高程基準(zhǔn)的成果基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。目前，國內(nèi)長期驗潮站的作用主要體現(xiàn)于水位與水文數(shù)據(jù)的采集，在垂直基準(zhǔn)維護方面的作用相對弱化，對各個海洋垂直基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換關(guān)系在建站確定后通常都未及時進行更新，并且沒有并置連續(xù)運行GNSS，不能精確確定平均海面的絕對變化。

4 結(jié)論與展望

垂直基準(zhǔn)是表征陸地高度、海洋深度的參考系或尺度標(biāo)度。海洋垂直基準(zhǔn)不僅直接關(guān)聯(lián)海洋幾何特征的精細刻畫，也支持海洋動態(tài)變化過程的認知。海洋垂直基準(zhǔn)的表達具有多樣性、多層級的特點。利用多源信息構(gòu)建的海洋垂直基準(zhǔn)，可以在明確的坐標(biāo)系中描述海洋的空間形態(tài)和動態(tài)過程的機理，實現(xiàn)陸海數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，對推動數(shù)字海洋建設(shè)具有基礎(chǔ)支撐作用。

潮汐模型是構(gòu)建海洋垂直基準(zhǔn)的基礎(chǔ)，而構(gòu)建精密潮汐模型主要依賴于驗潮站、衛(wèi)星高度計和浮標(biāo)等提取的潮汐數(shù)據(jù)。隨著具有長期潮位觀測的海洋站進行GNSS連續(xù)觀測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化推進，不僅極大地提高了我國海平面變化觀測的科學(xué)性，更提升了海洋站“一站多能”的能力，使得我國為逐步構(gòu)建海洋垂直基準(zhǔn)體系并進行動態(tài)維護創(chuàng)造了條件。

開展更多數(shù)據(jù)資源、相容技術(shù)方法和技術(shù)要求在海洋垂直基準(zhǔn)體系建設(shè)中的研究，實現(xiàn)垂直基準(zhǔn)體系科學(xué)構(gòu)建、區(qū)域擴展、逐步更新及應(yīng)用服務(wù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與工程化，實現(xiàn)垂直基準(zhǔn)體系由陸地到海域到海島、由近海到大洋、由多個海區(qū)拼接成片、由區(qū)域到全球范圍的無縫拓展。對加快建立我國陸海統(tǒng)一的全球垂直基準(zhǔn)體系，提高海洋調(diào)查資料的高效綜合與應(yīng)用服務(wù)能力，全面建成信息化、智慧化海洋海島，提升海洋海島信息服務(wù)于我國海洋安全、海洋經(jīng)濟發(fā)展的能力和水平具有重要的作用和意義。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

Progress and Prospects in Developing Marine Vertical Datum

ZHOU Xinghua1，2,FU Yanguang1，2,XU Jun3

1. College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 3. Department of Hydrography and Cartography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China

Marine vertical datum system construction is the basic work of marine surveying. In the 2009—2012, China has preliminarily constructed the transformation and unification of different height/depth datum model in the China Sea of 80 nautical mile. In recent years, this model has been extended to the South China Sea, the western Pacific and the eastern Indian Ocean, and then a seamless vertical datum model in the south and north pole area to the whole world gradually will be constructed in the near future, this is the foundation of supporting the digital ocean construction in China. This paper mainly discusses the research status of marine vertical datum construction which had been carried out in major coastal countries or regions, analyzes the main work and approaches and key technologies in the process of the marine vertical datum system building, and then expounds the achievements and existing problems in the practice of our country marine vertical datum building.

ocean tide; vertical datum; chart datum; satellite altimetry; harmonic analysis

The International Science and Technology Cooperation Program of China (No. 2014DFA21710); The Marine Surveying and Mapping Program Based on Satellites (No. WX0316005); The Nation Natural Science Foundation of China (No. 40706038); The GNSS Business Project (No. FZ0317001)；The Youth Science Foundation (No. 41706115)

ZHOU Xinghua(1964—), male, PhD, research fellow, majors in hydrography.

周興華，付延光，許軍.海洋垂直基準(zhǔn)研究進展與展望[J].測繪學(xué)報，2017,46(10)：1770-1777.

10.11947/j.AGCS.2017.20170322.

ZHOU Xinghua,FU Yanguang,XU Jun.Progresses and Prospects in Developing Marine Vertical Datum[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1770-1777. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170322.

P229

A

1001-1595(2017)10-1770-08

國家國際科技合作專項(2014DFA21710)；開展衛(wèi)星海洋測繪應(yīng)用(WX0316005)；國家自然科學(xué)基金(40706038)；GNSS業(yè)務(wù)化項目(FZ0317001)；青年科學(xué)基金(41706115)

2017-06-19

修回日期： 2017-07-17

周興華(1964—)，男，博士，研究員，研究方向為海洋測繪。

E-mail： xhzhou@fio.org.cn