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    連續(xù)深度基準面構(gòu)建及通航水深服務模式研究

    2020-12-11 01:56:22胡英俊張安民張佳麗侯澤北
    海洋通報 2020年4期
    關(guān)鍵詞:橢球面分潮基準面

    胡英俊,張安民,2,張佳麗,侯澤北

    (1.天津大學 海洋科學與技術(shù)學院,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態(tài)水深的發(fā)布是航海動態(tài)信息服務最重要的內(nèi)容之一。但是海水的瞬時深度受天文、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)為提高海上貨物運輸?shù)母咝院桶踩?,?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時動態(tài)水深信息是各國研究的一項關(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,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)。

    深度基準面是由驗潮站的驗潮資料利用調(diào)和分析法求得,采用13 分潮模型計算(海軍司令部,1998)。因此深度基準面相對于平均海面數(shù)值,僅是對真正曲面形態(tài)基準面在特定點的采樣,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、船舶大型化和航運經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,現(xiàn)有的深度基準面精度不高的問題成為制約海洋測繪服務于現(xiàn)代航運的瓶頸問題。此外,無驗潮水深測量等遠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面。深度基準面構(gòu)建方法依賴于潮汐的分潮理論,深度基準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動特征,將對構(gòu)建連續(xù)深度基準面具有指導作用。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)的潮波運動進行較高精度的模擬(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)。而國外也已進行了相關(guān)研究,將潮波數(shù)值模擬的方法運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)。

    陸地高程基準和深度基準的不統(tǒng)一,導致陸海高程數(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統(tǒng)一方法和模型,是滿足迅猛增長的測繪服務的需要。隨著GNSS 空間大地測量技術(shù)的進步和高精度地面控制網(wǎng)絡的完善,采用三維地心坐標系統(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并建立數(shù)字球 模 型, 以 GNSS(Global Navigation Satellite System)為主要定位手段可實現(xiàn)一體化地形更新和水下地形更新的模式。將深度基準面值歸算到CGCS2000 參考橢球面上,構(gòu)建陸海高程一體化測繪基準,可以滿足日益多元化的測繪服務需求,同時以CGCS2000 參考橢球面作為深度基準面具有計算簡單、易于轉(zhuǎn)換的特點,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)的基準面及其相互轉(zhuǎn)換進行了討論,提出釆用數(shù)值模式進行高精度連續(xù)深度基準面的構(gòu)建方法,應用POM 模式,建立基于參考橢球面的動態(tài)海面模型。通過高精度GNSS直接進行海底地形測量,并通過基于參考橢球面的深度基準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間段內(nèi)的海面變化算術(shù)平均值,可由驗潮站觀測數(shù)據(jù)計算算術(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)各項訂正后可以精確刻畫平均海平面高。

    1.2 深度基準面

    深度基準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。深度基準面構(gòu)建標準應是可以使船舶安全航行保障率達到95%以上。其作為海道測量和海圖水深的垂直基準面,一般指的是位于平均海平面以下的一個面。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?shù)刈畹统备浇辈畲蟮暮^(qū)比潮差小的海區(qū)深度基準面低。因此,海圖水深受深度基準面的計算精度的影響較大。

    深度基準面利用調(diào)和分析法計算求得,由M2、N2、Q1、K2、S2、K1、O1、P1這8 個分潮疊加可能出現(xiàn)的最低值計算得到?!逗5罍y量規(guī)范GB 12327—1998》(海軍司令部, 1998) 中規(guī)定計算采用13個分潮模型,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 不同基準面間轉(zhuǎn)換關(guān)系

    與水位記錄零點相關(guān)的潮汐基準信息在傳統(tǒng)觀測的方法中,是由驗潮站水位觀測數(shù)據(jù)的分析計算得到,進而通過驗潮站大地聯(lián)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)與高程基準的聯(lián)系,反映離散驗潮站點的垂直基準轉(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)基準面之間的關(guān)系如圖1 所示。

    圖1 各基準面之間的關(guān)系

    孫翠羽(2011) 歸納了參考橢球面、平均海面、大地水準面和深度基準面等幾個基準面的特點。其中參考橢球面具有數(shù)學表達嚴格、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,能夠?qū)崿F(xiàn)直接大地高測量,缺點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,與海圖高的使用習慣不相符合。

    2 基于潮波模擬的深度基準面構(gòu)建

    2.1 研究方法

    深度基準面推算模型構(gòu)建有兩種方法,其一是通過驗潮站多年觀測數(shù)據(jù)的離散點內(nèi)插完成,其二是通過潮波動力學數(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,這種方法成本高昂,并且受制于內(nèi)插模型的適用性,深度基準面模型誤差較大。本文采用的潮波運動數(shù)值模擬的方法不僅可以得到各點逐時的潮位變化情況,同時還能夠得到模擬區(qū)域內(nèi)各格網(wǎng)點的潮流流速、流向。通過一段時間的模擬潮位可進一步計算出各格網(wǎng)點處的潮汐調(diào)和常數(shù),進而根據(jù)深度基準面模型構(gòu)建整個海區(qū)的連續(xù)深度基準面。

    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),后由普林斯頓大學和美國國家大氣海洋局地球流體動力學實驗室等部門聯(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,為提高模式計算效率,該模式應用時間分裂的算法。包括熱力學的過程(李冬等,2010),使用靜力近似。為了進一步提高模擬的精度,采用Blending 同化法(許軍,2008)將實際觀測數(shù)據(jù)融合到動力學模型中。Blending 同化法是指將實際衛(wèi)星測高數(shù)掘直接插入到動力學模型中,把待求格網(wǎng)點的預報潮高看成是實際觀測數(shù)據(jù)與動力學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:

    如果控制點的潮汐參數(shù)是真值,則f 應取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測水深進行調(diào)整,各網(wǎng)格點的潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)來自俄勒岡州立大學發(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)格格點數(shù)為200伊265伊13,由13 個分潮組成: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)值計算得到。由POM 模式分別運行Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2等8 個分潮,開邊界與T/P 點的輸入都對應單分潮的水位。淺水分潮也同時運行,此時開邊界與T/P 點的輸入為MS4、M2、S2、M4與M6。垂直方向上分為13個sigma 層,較好地擬合了海底地形和海岸線,可以較好地反映真實的地形。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)模式時間步長取60 s,外模式時間步長取2 s,模式運行480 h,最后48 h 每小時輸出一次水位場,通過最小二乘調(diào)和分析法得到計算域內(nèi)各網(wǎng)格點上的潮汐調(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 驗潮站分布圖

    為了評估潮汐數(shù)值模擬的精度,選用14 個長期驗潮站作為驗證點(圖3),分別收集至少12 個月的實測驗潮數(shù)據(jù),對驗證點進行調(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)插出驗證點處的調(diào)和常數(shù),將內(nèi)插得到的調(diào)和常數(shù)與由實測數(shù)據(jù)得到的調(diào)和常數(shù)相比較來驗證模擬精度。表1為其中4 個驗證點處8 個主要分潮的調(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

    為直觀表征驗潮點各分潮的振幅和遲角誤差,來檢驗POM 模擬精度,從圖4 和圖5 中可以看出,4 個驗潮點中除個別幾個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雜的地方處理不夠精細,還有可能就是水深資料不夠準確,造成局部誤差過大。但總體來講,調(diào)和常數(shù)的計算值與實測調(diào)和常數(shù)值相差較小,模擬精度基本符合要求。通過對驗證點的振幅差和遲角差分析,實現(xiàn)渤海M2、S2、K1、O14 個主要分潮的伴隨同化數(shù)值模擬。所得4 個主要分潮的調(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,較前人(高秀敏,2010;朱學明,2009)相比,本文研究的精度均有所提高。

    圖4 4 個驗潮點各分潮振幅誤差對比圖

    圖5 4 個驗潮點各分潮遲角誤差對比圖

    對比調(diào)和常數(shù),計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好,對計算結(jié)果進行準調(diào)和分析,對M2、K1、O1和S2分潮同潮圖進行分析(圖6),其中M2、S2半日分潮在計算區(qū)域內(nèi)形成了兩個無潮點,其中一個比較明顯的點位于秦皇島外海附近海域,較不明顯的一個點位于老黃河口位置,由于填海造陸等人類活動的影響,導致海岸線急劇變化,從而影響了潮流的運動,導致無潮點已退化到陸上,通過與(朱學明,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,在渤海也存在兩個無潮點,且兩個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無潮點,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)應用數(shù)值模型計算各網(wǎng)格點的13 個分潮的值,(3)按照《海道測量規(guī)范(GB12327—1998)》1998 規(guī)定的13個分潮模型構(gòu)建整個研究區(qū)域的連續(xù)深度基準面值,(4)通過網(wǎng)格點的(B,L,H)擬合三維曲面,此曲面即連續(xù)深度基準面。由于我國渤海灣近岸海域缺乏長期驗潮數(shù)據(jù)且該區(qū)域存在無潮點,潮汐性質(zhì)復雜。為了與歷史上沿用的海圖基準面一致,同時又保持基準面分布的平滑性,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 個驗潮站處的海圖基準面,用下列方法對計算的深度面做了調(diào)整。

    圖6 分潮同潮圖

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

    (2)計算驗潮站處基準面數(shù)值與網(wǎng)格點插值結(jié)果之比。

    其中,Z 表示基準面數(shù)值;下標O 和C 分別表示觀測值和網(wǎng)格點插值結(jié)果,通過此式來幫助建模和驗證模擬精準面精度,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)格點結(jié)果進行調(diào)整,權(quán)重函數(shù)如下:

    其中,N 是所選驗潮站的個數(shù);d(N)是第N 個驗潮站到網(wǎng)格點的距離;a 取0.9 時既可以撫平短期波動,還起到了平滑的作用。

    (4)對調(diào)整后的結(jié)果進行平滑。

    渤海灣西部驗潮站深度基準面值與模擬數(shù)據(jù)計算深度基準面值如表2 所示。

    表2 渤海灣西部驗潮站深度基準與模擬結(jié)果

    如表2 所示,各驗潮站處的實測數(shù)據(jù)計算深度基準值與模擬數(shù)據(jù)計算深度基準面值的偏差很小,3 個站點處的深度基準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海口處。顯然,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推算精度較高。

    2.6 CGCS2000 深度基準面模型建立

    為實現(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)深度基準面模型,結(jié)合海底地形,將海圖水深的基準面換算為CGCS2000 橢球面。

    CGCS2000 參考橢球面與深度基準面之間的關(guān)系不能直接求得,需要建立與其他基準面的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型,找出CGCS2000 參考橢球面與深度基準面之間的關(guān)系。通過對海底地形的測量,建立海底地形模型、深度基準面模型和平均海平面模型,可以實現(xiàn)深度基準面到CGCS2000 參考橢球的轉(zhuǎn)換。這幾個基準面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1 所示。通過計算可得出深度基準面與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面等海洋垂直基準基礎(chǔ)上,可以采用精密POS 及測深儀進行精密的海底地形測量。在CGCS2000 地心坐標系中,陸地表面和海底表面的每一個點都有明確的坐標,并且在一定時段內(nèi)保持穩(wěn)定。同時,通過精密POS進行三維測量,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)過精密計算,能夠得到與衛(wèi)星天線高的精度相當?shù)暮5状蟮馗??;诰躊OS 的海底地形測量時衛(wèi)星接收機天線架設及高程計算原理如圖7 所示。

    圖7 GNSS 高程計算原理圖

    由GNSS 和測深設備直接測量海底點的大地高的公式為:

    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 通航水深的應用

    裝備了高精度GNSS 的船舶進行航行時,可實時進行船舶的大地高測定,并通過已知海底的地形模型計算實時水深:

    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測量和通航水深應用模式跳過了復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費用增加等問題,通過航行船舶自身的高精度GNSS,可獲取瞬時海面到海底的深度,能夠解決船舶在港口水域水深利用率低和港口航道維護費用高的問題。實時水深測量應用模式如圖8 所示。

    圖8 即時水深測量應用模式圖

    3.3 基于e-航海的通航水深智能服務

    由高精度GNSS 測量和應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 等實時數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)布給用戶,實現(xiàn)一種自主、高效、可靠、經(jīng)濟的個性化智能服務模式,為用戶提供水深淺點預警信息、潮汐信息、電子海圖更新等推送服務。信息推送技術(shù)有助于很好的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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劃上傳至岸端服務器,利用高精度通航水深應用模式,由岸端服務器計算出該航行區(qū)域的實時水深圖。e-航海服務端還可為用戶智能推送最佳航線和通航時段,其具體服務模式流程如圖9 所示。

    圖9 通航水深智能服務流程圖

    4 結(jié)論

    本文對基于高精度GNSS 的通航水深服務模式進行了探討,采用計算精密海面數(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行了潮波運動模擬,模擬所得網(wǎng)格點潮汐特征符合當?shù)貙嶋H潮汐特征,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高精度的連續(xù)深度基準面,根據(jù)模型計算結(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、深度基準面和海底建立轉(zhuǎn)換模型,將深度基準面歸算到CGCS2000 參考橢球面。

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

    (4)e-航海服務體系能夠為船舶提供智能化通航水深服務。

    本文提出的通航水深服務模式應用精密POS測量技術(shù)進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,建立與時間及空間位置相關(guān)的潮汐變化模型,在船舶航行時,能夠?qū)崟r解算船舶所在位置或未來某一時刻船舶航行至某位置的水深值,由此可指導船舶在水深比較接近船舶吃水區(qū)域的航線、航行時間的選擇。除此之外,該服務模式在港口建設和海洋科學研究中也將發(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。

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