海域无缝垂直基准面表征和维持体系论证

【编者按：本文论证了海域无缝垂直基准面的概念和体系结构，剖析了传统海洋测绘技术的垂直基准缝隙存在形式，分析了建立和维持无缝垂直基准面的技术背景，探讨了垂直基准面构建、维持和质量控制的技术方案，指出了构建和维持无缝垂直基准面是一个庞大的系统工程。本文发表在《海洋测绘》2013年第2期上，读了本文让原本许多海洋垂直基准混淆的概念变得清晰起来，是到了需要建立统一体系的时候了，现经作者同意编辑发表，望朋友们阅读分享。暴景阳，1965年出生，男，辽宁凌源人，教授，博士，博士生导师，主要从事海洋大地测量研究。】

文/暴景阳 许军 崔杨

一、引言

测绘基准的建立和维持是测量工作实施和空间信息产品开发和生产的基础，大地测量基准延伸至海洋，除高精度位置基准(平面基准)和重力基准属自然的空域扩展外，从信息获取和表达的应用角度看，高程基准则主要演化为表现形式多样的海洋垂直基准。因此，海洋测绘工作所涉及的特色型测绘基准主要是海域垂直基准。

海洋测绘垂直基准包括两种类型，即大地测量意义上的垂直基准和海洋测绘信息获取和表达的应用垂直基准，而后者本质上属于潮汐基准，即考虑潮汐变化规律和信息利用原则所规定的基准，虽然，目前国际上用统计方法或潮汐参数计算方法定义的潮汐基准众多，但对信息获取和表达最为相关的基准主要包括深度基准(净水深基准)和特征地物、障碍物的净空高度基准(以下简称净空基准)。

国内近年来关于深度基准的研究多限于我国所采用的深度基准，即理论最低潮面的确定方法及改进，或理论最低潮面与国际推行的最低天文潮面的比较分析。这种研究主要关注深度基准面确定的量值、精度和保障率等因素，研究方法仅适用于已有长期水位观测，且获得可靠潮汐调和常数的验潮站处的深度基准面确定与更新。部分研究侧重于深度基准面传递方法，主要用于短期和临时验潮站深度基准面的确定。

国际上，关于连续无缝海域垂直基准面的研究日益成为海洋测绘及相关领域的研究热点之一。一批学者和一些国家的海洋测绘服务机构业已在理论和技术体系上论证了连续无缝海域垂直基准面的种类和实现方式，描述了各类潮汐基准与大地基准的关系，国际测量师联合会出版了专门报告，以期对各国连续无缝垂直基准面的建立提供指导。在国内，也对无缝垂直基准面做了构建方法和应用需求等的研究，但总体而言，没有从根本的理论和技术体系上进行深入系统的论证。

本文将对连续无缝垂直基准面得以研究的技术背景、基准面体系及内涵、构建方法和不同基准间转换的基本技术进行系统分析和论述。

二、垂直基准面体系与框架

⑴垂直基准面的类型及具体形式

海域垂直基准分为大地测量类型的高程基准和海洋测绘专用基准两类。每一类型又有多种实现方式。

属于大地测量类型的垂直基准包括与大地坐标系相联系的大地高系统，与地球重力场信息相关的正高、正常高和力高系统。当然，在海洋区域，由于大地水准面与似大地水准面重合，正常高系统的基准也即正高系统的基准。

海洋测绘专用垂直基准为潮汐基准，重要的基准包括平均海面、海图深度基准面和某种意义的高潮面。在我国对这些基准的系统化论证尚不充分，更缺乏系统性的技术文件对海洋测绘工程的应用做明确约定。而在美国，含大地测量型和潮汐类型的垂直海域均有明确的定义方式，列有28种之多。

海图深度基准通常简称为深度基准，它是一个较大的概念，国际上，深度基准面的通行确定原则是考虑航行保证率和航道利用率两个方面，它的确定要求海面(特别是低潮面)可以但很少落入该面之下。深度基准面的概念可以与高程基准面做相应的类比，正像不同的国家或地区分别采用正高系统和正常高系统一样，深度基准面也具有不同的确定方式，世界各国选用的深度基准面类型有20余种之多。我国的深度基准面在1956年之前，也曾采用多种定义形式。而后统一采用了理论最低潮面。这种对深度基准面实现方式的统一规定，实质上是规定了深度基准面的系统。尽管我国对深度基准面采用统一的具体特征潮面规定，随着《海道测量规范》的几次修订，该基准的具体实现方式却几经变迁，因此，不同验潮站或不同海区的深度基准面却存在着不同的低潮含义，按现行《海道测量规范》计算各长期验潮站深度基准面可以发现，大多数站采用值与重新按统一公式计算值之间存在明显差异。

除深度基准之外，在海洋测绘中还存在净空基准。即表示灯塔光心高度、海上道桥与悬空线缆的净空高度的基准，同时用作海岸线的标定基准。该基准也通常选定为某种潮汐基准面，存在不同的定义或选择方式，如美国选用平均高潮面，我国则规定为平均大潮高潮面。然而，迄今为止，对这类基准的研究论证明显欠缺，甚至各验潮站成果的报表信息也没有对该面进行明确标定，在海洋测绘实践中也存在以理论最高潮面代替的现象，从而使得采用的净空基准面偏高。

⑵潮汐基准面的维持体系与框架

潮汐基准面，特别是深度基准面和净空基准面是根据海区潮汐强弱确定的，即采用逐点定义方式，通常相对当地多年平均海面计算。因此，这类潮汐基准面以平均海面(尽管该面也是一种潮汐基准面，因具有潮汐振动平衡面的特性，便于用作表示其他潮汐基准的参考面)为参考。在现代技术条件下，由于卫星测高技术为确定平均海面高模型和海面地形模型提供了可能，也就便于经由平均海面这一过渡面，将海洋测绘专用垂直基准面表征在大地坐标系(大地高系统)和高程基准等大地测量类型的垂直基准体系中。因此，平均海面、地球椭球面和大地水准面(国家高程基准)均可构成潮汐类海域垂直基准面的表达基准，目前将深度基准面和净空基准面以高精度标定在大地坐标系和国家高程基准仍是需要实现的重要目标。关键是通过对潮汐模型的精确构建或精化，全面掌握海域潮汐规律，从而根据潮汐信息，按统一的公式(规定的系统)逐点计算深度基准面和净空基准面，正像用高精度高分辨率大地水准面作为国家高程基准的表达形式一样，以高分辨率数值形式建立起这两类应用基准面的数值表征体系和模型。

无论潮汐模型将如何构建和精化，验潮站的潮汐数据必将对模型起最基本的控制作用。事实上，国际上关于构建连续无缝深度基准面的技术指南，将验潮站深度基准面的内插或拟合作为一种基本的实现方式。

适当密度的验潮站不仅可直接提供一系列站点的潮汐基准数据，而且，由长时间水位观测分析获得的潮汐参数也是对潮汐模型控制和精化的基础数据。

一般而言，为支撑海洋测绘信息处理服务，国际上将验潮站分为基本站(一类站)、二类站和三类站三种类型。其中，基本站应具有19年以上的水位观测数据，用以精确确定潮汐参数，并按规定的历元提供最高精度的潮汐数据和基准数据。二类站应有1年以上的连续水位观测，三类站要求连续的水位观测必须满1个月以上。二类站和三类站必须通过与邻近长期验潮站同步观测数据的差分处理，精化其潮汐参数，并由传递法确定其深度基准面。因此，验潮站网构成了潮汐参数和垂直基准的维持框架。在我国，海道测量应用的验潮站，不仅所规定的长期站、短期站和临时站与国际通行做法的规定时间要求对应地低一个数量级，而且，验潮站对潮汐基准的框架维持作用也不明显。

三、海域基准面缝隙存在的形式

⑴不同类型基准面之间垂向缝隙

海域垂直基准面包括潮汐基准面和高程基准面，尽管高程基准面在海域地理信息获取和表示方面基本不被采用，但在海岸带区域，由于陆图和海图采用的垂直基准不同，垂直基准与垂直属性数据均存在与潮汐基准在国家高程基准中表达量级等同的差异，即垂向缝隙。因此，存在地形测量和水深测量数据的校核问题。这种缝隙主要表现在深度基准、净空基准与国家高程基准之间的差异，而这些基准面的相互表达关系正是海域垂直基准转换的核心内容。

⑵深度基准面间的横向缝隙

传统海域垂直基准的缝隙主要指深度基准面的不连续性。尽管净空基准存在同样的问题，却因关注度稍弱，重视程度较低。

深度基准面不连续性产生的原因主要包括以下几个方面。

①深度基准面的离散表示形式。因潮汐状态的复杂性，深度基准面采用逐点定义和实现方式，故深度基准面相对平均海面而言，本应为连续曲面，然而，深度基准的具体数值仅在离散的验潮站点获得，所以，即便每点的深度基准面都按完全相同的定义和算法确定，基准面也仅以离散点列为表达形式，类似于大地测量中的一系列水准点表示高程基准的作用。

②深度基准面的低潮含义缺乏一致性。尽管都采用理论最低潮面系统，但由于各验潮站深度基准面采用的具体算法或方式不同，也会造成各验潮站点深度基准面的低潮含义不同，从而，不同站点间的深度基准面并不相互匹配。算法的不同表现在：由于规范具体规定的变迁，深度基准面的计算曾采用分别由8个分潮、11个分潮和13个分潮调和常数计算的不同形式，其中3个浅水分潮和2个长周期分潮所起的作用曾经是根据相应的判定条件，对由8个半日分潮和全日分潮计算的理论最低潮面施加必要的改正方式得以体现，而现行的《海道测量规范》则将方法统一为直接确定13个分潮组合可能获得的最小值。各验潮站深度基准面确定方式还存在直接计算法和传递法的差异，传递法主要用于短期，特别是临时验潮站深度基准面的确定，其中又存在潮差比法、4个主要分潮振幅和比值法以及简单的依据周边验潮站深度基准值的距离倒数加权内插(外推)法，不同的传递方法得到的结果往往具有不同的含义，使得短期和临时验潮站的深度基准面确定的可靠性受到影响，难以与周边长期验潮站深度基准面的理论最低潮含义合理匹配。

③水位改正技术不同造成的水深点深度基准的台阶性跃变。水位改正是在验潮站深度基准和水位观测数据控制下实现的，而单站以点代面的改正方法，和双站分带及多站分区方法，都会在测区的边缘，或分带与分区的边缘产生深度基准的阶梯性跃变。当然，近年来，和国际连续分带法相类似，国内采用的时差法或最小二乘拟合法实现的测区水位连续建模技术基本克服水位改正引起的基准阶跃现象。而在不同历史时期水深测量数据处理和整合时，水位改正法导致的深度基准的不连续问题仍然是必须关注和解决的。

四、海域无缝基准面构建的相关问题

⑴建立无缝垂直基准体系的现实需求

海域连续无缝垂直基准面的构建之所以成为近年来国内外海洋测绘领域的研究热点之一，主要是海洋测绘数据获取、处理、管理和应用不断对其提出适应技术发展的现实需求。

首先，在精密卫星定位技术的支持下，测量过程中获得的位置数据已不局限用于平面定位，而是对瞬时海面，乃至通过水深数据对所测量的海底，在大地测量坐标系中实现精确的垂直定位，因此，催生了无验潮模式的水深测量技术。正像大地水准面精化在测量工程中日益发挥高程基准支持作用一样，新模式的水深测量需要高精度、且成体系的深度基准面模型作为基准支持。在这种模式下，水深数据可以在深度基准面大地高模型和实测的海底大地高之间截取，而且可削弱测量载体动态升沉变化的有关误差。因此，连续无缝深度基准面的构建是可靠实施无验潮水深测量的先决条件。

其次，海洋测绘信息处理和管理已跨入数字化时代，在数据库管理技术下，对不同历史时期、不同技术条件下获得的水深数据进行统一处理或管理，不仅是必要的，也是必须的。在历史数据整合过程中，对数据基准的统一则是首要的基础工作。同时，水深数据的数字化处理与管理，使得水深测量的工作模式可以摆脱面向航海图编制这一单一目标所采用的基准利用形式，首先关心和保证测量成果的质量指标，利用更灵活的基准表示形式。

最后，水深数据的应用已不限于单一的航海图产品制作。通过构建科学合理的海域垂直基准体系，以及实现不同垂直基准的变换，实现多用途海洋测绘信息产品的研发和分发。

⑵建立无缝垂直基准体系的有关技术问题

①无缝基准面的选择与相互变换

关于海域无缝垂直基准面，国际和国内的一个典型观点是将该面选择为地球椭球面。该基准面优良的几何性质和连续平滑特性毋庸置疑，而且可以与定位所用的大地坐标系完全相容。因此用作基础数据的组织和管理是适合的，但需要顾及数据获取采用的技术手段，以及由传统测量技术获得的数据向这类基准面转换的质量控制问题。

从应用的角度看，海域无缝垂直基准面应按多个种类和多种层级选择。即包括地球椭球面和大地水准面等大地类型的垂直基准，又应选择深度基准面和净空基准面等不同应用目标的专用基准。研究工作的重点是确定不同垂直基准面的相互关系。

在现代大地测量技术支持下，以地球椭球面为最底层的连续无缝垂直基准面，能够实现多种类型基准面相对该基准的近连续形式(高分辨率网格)表达。具体实现方案是：利用大地水准面精化技术构建海域大地水准面模型，利用卫星测高数据构建平均海面高模型。得到以上两种模型的差异分布即获得海面地形模型。而深度基准面和净空基准面又是根据潮汐数据，相对当地多年平均海面确定的，因此，潮汐类型的垂直基准面可以通过平均海面高模型表示在大地高系统中或通过海面地形模型表示在国家高程基准中，实现潮汐类型垂直基准面与大地类型垂直基准面的相互转换，即实现基于地球椭球的基础数据库数据和海图目标数据的变换以及海图数据与地形数据的转换。

在各层级无缝垂直基准面的具体构建工程中，布设适当数量的实测检核点是必要的。包括GPS水准点用以控制和修正大地水准面模型。验潮站的精密三维定位数据(连同本站的平均海面高数据和水准观测数据)控制平均海面高模型。另外，由潮汐模型数据构建的深度基准面模型和净空基准面模型也需由长期验潮站的相应计算值控制。

②基准面的高分辨率网格形式表示

由离散的基准表现形式发展为连续形式，有多种技术实现方案，比如，国际和国内部分研究者所采用的利用验潮站基准数据的拟合技术，但从根本上，由潮汐因素决定的垂直基准面应顾及海域潮波变化的物理机制，即以潮汐模型为基础，构建高分辨率网格形式的基准面模型，该方案同样可类比于根据重力数据的大地水准面精化技术，只不过在物理大地测量学中，大地水准面的确定和精化顾及的是重力场的物理机构，而在潮汐基准构建中，必须遵从潮波运动满足的物理规律。考虑到潮波的长波特性，以分辨率达到1～5分的网格形式表示深度基准面和净空基准面不仅是必要的，而且是可行的。

③潮汐基准面精度指标与确定原则

用于水深数据获取、处理、管理和应用的无缝垂直基准面，关键作用是实施基准的转换，因此，其精度指标的确定应以不损失不同基准下地理信息数据的转换精度指标为原则。在浅海区域，水深的精度一般限定在20～30cm。故深度基准面的确定应明显高于该精度指标，按误差传播律，规定深度基准面确定精度为水深精度的1／3是适合的，然而，对无缝垂直基准面构建而言，这样的精度指标实质上是比较苛刻的，据英美等国家的无缝海域垂直基准面构建的经验，目前也仅达到20～30cm误差量级的精度水平。因此，根据我国现有潮汐模型构建的成果水平以及近岸验潮站的分布情况，限定开阔海域精度达到10cm，海峡和海湾等特殊区域精度达到15cm，仍然需要做艰苦细致的工作。

构建连续无缝的海域潮汐类型垂直基准面，必须充分考虑不同海域的潮汐特点和可用数据分布情况。一般而言，潮汐模型对开阔海域的潮汐分布能够做到比较精准的刻化，而在沿岸、内海和其他的半封闭海域，潮汐模型的精度会明显降低。而上述这种类型的海域以及所有浅于200m的大陆架水域，正是海洋测绘工程的重点区域。因此，必须根据这类区域的特点，设计科学合理的无缝垂直基准面构建方案。基本思路应该是充分利用沿岸的长期验潮站及海道测量工程实施中布设的短期和临时验潮站潮汐参数信息及基准信息，控制和约束无缝潮汐基准面的构建成果。具体措施是由长期验潮站的调和常数参与潮汐模型同化，保证潮汐类无缝垂直基准面基础数据的精度。同时，将各类验潮站构成基准控制网，在对长期验潮站潮汐基准进行历元确定和对基准按统一计算公式进行更新的基础上，用作短期和临时验潮站基准面确定的控制条件，由传递法确定短期和临时验潮站的基准，并做出可行的质量评价。最终，由所有验潮站的基准确定数据，对根据潮汐模型确定的深度基准和净空基准进行修正与改进。

五、结束语

海域无缝垂直基准面的构建和维持作为海洋测绘的基础性系统工程，不仅要与现代大地测量技术和海洋测绘技术的发展相适应，以支持海洋空间信息的获取、组织与管理，又要充分利用这些测量技术提供的技术成果。关键是确立起建立和维持现代海洋测绘垂直基准体系的理念，使得所建立和维持的基准具有明确的定义，具有明确的无缝表达形式和维持框架以及必要的质量控制指标。