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海洋测绘中水准高程缺失情况下高程基准传递方法研究及其应用分析

1 引言 海洋测绘实践中,部分海岛距离大陆较远,周围没有国家水准控制点,而且沿海区域高程异常变化比较剧烈,无法应用常规的陆地高程测量方法。常规海域高程基准的传递主要通过两种方法实施,一种是验潮站平均海水面传递(验潮法);另一种是精密三角...

作者:许家琨 欧阳永忠 王双喜 孙雪洁 汪平 周绍炜来源:2014测绘学|2015年04月26日

引言

海洋测绘实践中,部分海岛距离大陆较远,周围没有国家水准控制点,而且沿海区域高程异常变化比较剧烈,无法应用常规的陆地高程测量方法。常规海域高程基准的传递主要通过两种方法实施,一种是验潮站平均海水面传递(验潮法);另一种是精密三角高程测量方法传递。三角高程测量方法受通视条件限制,无法进行长距离传递。同时受海面地形影响及大气垂直折光、照准误差等影响。而验潮法可以实现在局部海域传递高程基准。在沿海海洋测绘具体测绘实践中,部分海区由于海岛较多,地形复杂,很难对每个海岛进行潮汐观测来获取平均海面等垂直关系。此时可以通过验潮法获取局部海域内的垂直基准,然后通过GPS高程拟合来获取每个岛屿的垂直基准关系。同时通过验潮法也可以验证潮汐观测计算以及陆地水准观测的准确性和精确性。

2基于潮汐方法的无水准海岛高程基准的确定

我国陆地垂直基准是1985国家高程基准,1985国家高程基准是通过青岛基准验潮站的平均海面定义的。平均海面是指某地一定时期内每小时海平面变化的算术平均值,它可由当地验潮站的长期验潮资料来确定。平均海面的变化幅度与取平均期间的长短有关,平均时间越长,其稳定性越好,平均海面值随时间变化越小。在同一水域,不同时段计算出的平均海面并不一致。但在局部区域平均海面的变化呈现一致性,这是推算当地平均海面的一个主要方法。

在验潮站,不同周期的平均海面有一定的差别,平均海面的稳定性随着观测周期的增大而提高。这主要是消除了气象及潮汐短周期分潮的影响。通过对长期验潮站的平均海面进行分析,月平均海面最大互差值可达几十厘米,而年平均海面互差只有10cm左右。因此,随着时间的增加,平均海面的稳定性也越来越好。由于不同时期平均海面的计算值都不同,在海道测量中,短期验潮站的多年平均海面是通过相邻长期验潮站的平均海面转测求得。这种短期验潮站的多年平均海面计算正是基于平均海面短期变化呈现一致性。

我国采用1985国家高程基准作为全国正常高程的起算点。沿海各地的平均海面的85高程是不同的,沿海各长期验潮站的多年平均海面经过几何水准联测两者存在一定的差值,两者差值呈现南高北底的系统特性,但在局部区域内差值基本一致,如表1所示。特别是随着卫星测高技术的发展,高精度,高分辨率的测高数据已经成为研究全球平均海面变化的重要手段。通过卫星测高数据与长期验潮站对比,卫星测高海面地形与沿岸长期验潮站水准测量结果也有很显著的一致性。

长期验潮站平均海面的85ΔH值(cm

验潮站

水准测量值

验潮站

水准测量值

  

-7.00

  

22.00

葫芦岛

-10.00

  

22.00

秦皇岛

-2.00

  

23.00

塘沽新港

-1.00

  

32.00

  

1.00

  

34.00

乳山口

2.00

  

36.00

  

0.00

  

45.00

石臼所

2.00

  

49.00

连云港

2.00

  

52.00

  

14.00

  

50.00

  

14.00

  

49.00

  

21.00

  

52.00

  

22.00

 

 

从实际应用的角度考虑,对于100~200km范围内的海区来说,平均海面的85高程变化量仅几厘米,因此可以将100~200km范围内平均海面的85高程可视为一个常量。实际应用时,可以用附近长期验潮站的ΔH作为参考,在±5cm范围内可以视为准确值。

海洋测绘实践中,部分海岛距离大陆较远,周围没有国家水准控制点,而且沿海区域高程异常变化比较剧烈,无法应用常规的陆地高程传递方法。此时可采用验潮的方法,利用7天同步验潮来获取海岛当地平均海面。在测量区域潮水的性质相同,潮差和潮时基本一致时,相关海域国家高程基准与当地平均海面一般相差也一致。采用同步方法获得当地平均海面后,根据海面地形在局部区域保持一致的特性,便可以利用附近有水准高程的验潮站计算出平均海面和1985国家高程的差值ΔH,这种方法要求验潮站平均海面推算准确可靠。

基于EGM2008模型的移去恢复法进行高程基准传递

3.1 移去恢复法进行高程拟合

大地水准面是一个不规则曲面,其起伏的频谱呈长波特征和短波特征。地球重力场模型恰恰表征大地水准面起伏的长波特征。利用数学拟合方法时,其控制点的高程异常精度很高,应用于高程异常变化平缓地区,效果也很理想。对高程异常变化复杂的地区拟合出来的高程异常误差很大。利用水准面的长波特征变化较小的特性,将地球重力场模型和数学拟合方法相结合,采用移去—恢复技术,先将地球位模型中包含较准确的重力场中长波信息移去,再进行拟合,提高了剩余高程异常的光滑度。

移去—恢复法的基本思路是:在利用已知水准点上的高程异常拟合区域似大地水准面模型时,首先移去由高精度地球重力场模型,如EGM2008模型计算得出的中长波部分,然后对剩余的高程异常利用曲面进行拟合和内插,在内插点上再利用EGM2008模型把移去的部分恢复,得到该点的大地水准面差值。移去1F;—恢复法的具体步骤是:

(1) 地球重力场模型中长波部分的计算

高程异常可以分解成三部分:

………………1

式中表示长波部分,可以通过重力场模型计算得到;表示中波部分,可以通过求解重力异常的边值问题得到;表示短波部分,通过求解地形改正得到。可以将高程异常中波部分和短波部分统称为剩余部分

………………(2

高程异常的长波部分的表达式为:

 ………(3

式中:为计算点的地心向径,地心纬度和经度;

GM为引力常数与地球质量的乘积;

为计算点的正常重力值;

a为参考椭球的长半轴;

为完全规格化系数;

为完全规格化Lagrandre函数;

N为地球重力场模型展开的最高阶数。

(2)对剩余高程异常进行拟合

首先将计算出来的高程异常长波部分移去,保留高程异常的剩余部分

………………4

各已知点的高程异常剩余部分采用多项式拟合的办法,拟合得出未知点的剩余高程异常。一般采用曲面拟合方法进行拟合,拟合一般采用二次多项式的六参数模型。为使法方程求解更稳定,平差计算前,要对控制点坐标做中心化处理。具体方法是:将各点的坐标平均值作为中心点(),然后计算各点到中心点的坐标差(),以坐标差作为拟合参数进行计算。具体的二次多项式的六参数模型为:

  (5)

通过六参数模型,拟合出各待求点高程异常剩余部分。

<!--[if !supportLists]-->(3) <!--[endif]-->拟合点高程异常的恢复

先通过重力场模型计算出各待定点高程异常的长波部分,然后将拟合后得到的高程异常剩余部分恢复,便可以得到该待定点的高程异常:

……………(6)

这种方法先移去了较为准确重力场中长波信息,然后再进行拟合,从而提高了拟合的精度。

3.2 基于EGM2008模型的局部海域高程拟合进行基准传递

在海洋测绘中,部分海域由于海岛较多,测区地形复杂,很难对每个海岛进行潮汐观测来获取平均海面等垂直关系。此时,垂直基准的控制与统一最有效的方法就是进行区域GPS高程拟合。但在沿海地区,高程异常变化比较剧烈,用常规的GPS高程拟合会存在较大误差。根据EGM2008模型与沿海似大地水准面近似的特点,可以基于EGM2008模型采用移去恢复法进行高程拟合。

研究表明由重力场模型计算得到的大地水准面差距存在明显的系统偏差,方国洪按海洋环流模式获得的结果24.70cm,焦文海按重力位方法求得的垂直偏差为(26±5) cm。地球重力场模型EGM2008计算的高程异常在我国大陆的总体精度为20cm,华东华中地区12cm,华北地区达到9cm,华南地区达到13cm,西部地区为24cm[7]。这也就意味着在沿海区域直接利用EGM2008模型在消除系统差后高程异常的精度为10cm左右。因此利用已知水准点采用移去恢复法进行高程拟合后达到的精度应该会更高,完全可以满足沿海岸线和岛礁测量精度的需要。这样就可以在大面积测量海域建立局部垂直基准,保证测区垂直基准的一致性。

无水准高程基准传递方法在海洋测绘中的应用分析

4.1 福建沿海历史资料变化分析

福建海岸曲折,岛屿众多,海面地形复杂,北部海区属于东海大陆架区,南部海区则是南海东北部大陆坡和深海盆地。经过历次沿岸测量,已经积累了丰富的历史测量资料。近两年我部又对福建部分海域进行了复测,但与历史测量资料对比时发现,当地平均海面与1985国家高程基准差值ΔH并不一致。笔者曾经对福建沿海各验潮站历史资料进行了详细统计。主要统计了2005年以前各验潮站资料的情况,当时的统计分析结果如下[4]

福建沿海的当地平均海面的85高程最大值0.401m,最小值0.176m(个别像沙埕0.10m、崇武0.16m、将军澳0.11m等未列入),平均海面的平均高程为0.251m,均方差为±0.255m,标准差为±0.045m。福建北部沿海(海尾至海口)当地平均海面的85高程约为:0.24m0.27m;福建中部沿海(大练岛至祥芝)当地平均海面的85高程约为:0.18m0.26m;福建南部沿海(深沪至东山)当地平均海面的85高程约为:0.26m0.40m

 

1  福建沿海历史资料当地平均海面变化趋势图(单位:m

 

通过历史资料分析发现,福建中部海区ΔH值出现明显偏低的情况,例如历史资料中沙埕0.10m、崇武0.16m、将军澳0.11m等明显偏低。卫星测高数据模型和927专项长期验潮站观测数据计算的ΔH进行对比,基本趋势是由北向南逐渐依次升高。近两年实测资料(如表2所示)则显示福建中部海区ΔH值基本上在30cm左右,符合卫星测高数据模型和927专项长期验潮站观测数据计算结果。

历史资料与2014年实测资料的ΔH值对比情况表

单位:m

验潮站

2004

2014

松村

0.18

0.27

梯吴

0.20

0.29

秀屿

0.10

0.32

假山

0.26

0.36

鹅尾山

0.18

0.32

 

从表2可以看出,历史资料和现势资料并不一致,个别验潮站的平均海面高程出现明显偏低的情况。出现这种情况的原因主要是由于历史资料中所采用的控制点以及相应测量技术手段的局限性,造成未能完全准确构建垂直基准关系。

4.2 潮汐法高程传递反推潮汐观测计算和水准测量的准确性

沿海局部海域(一般认为100-200km2范围内)ΔH值为常量的特性,在海洋测绘实践中可以在垂直基准的构建过程中起到检查验证的作用。图2为某验潮站各基准面关系图,可以分成陆地高程基准面和海洋潮汐基准面。沿岸陆地部分一般采用常规水准测量将水准点的85高引测到短期验潮站主要水准点上;海洋潮汐部分通过与长期验潮站进行同步观测,可以推算出短期验潮站的多年平均海面。ΔH值只有在两种观测和推算都准确的情况下才不会出现偏差。在实际应用中,偶尔会出现ΔH值异常,此时便可以检查相应水准测量资料和验潮站观测数据的准确性。例如在2014年度湄洲湾测量过程中,某短期验潮站验潮关系推算时,ΔH值为60cm,严重超出该区域ΔH值的实际情况,经检查水准测量、潮汐观测和计算过程,发现自动验潮仪出现故障导致采集数据有误,经改正处理后ΔH值为30cm,与当地平均海面高程相一致。再如在2013年度兴化湾测量过程中,某验潮站ΔH值为18cm,偏小10cm左右,经检查发现,在测量过程中,测量人员误将工作水准点当成主要水准点施测,而两者相差12cm

 

某验潮站基准面关系图

4.3 潮汐法和EGM2008模型高程拟合的综合应用

本次实例研究区域为福建湄洲湾,如图3所示。为了对整个测区进行潮汐控制,在测区范围内共设立7个验潮站,其中湄洲岛距离大陆较远,岛上没有进行水准联测。测区共设立22D级控制点,并加入当地CORS站数据进行解算,GPS高程拟合基于EGM2008移去恢复法求取。首先利用验潮站的同步潮汐观测获取验潮站的潮位数据,并与当地长期验潮站进行同步归算获取当地平均海面和理论深度基准面。为了保持验潮站的长期稳定保存,验潮站分别设工作点和主要点,陆地上6个验潮站都与高等级水准点进行了水准联测,获得了主要点的85高程。湄洲岛短期验潮站用潮汐方法进行高程传递。

 

湄洲湾测区控制网()示意图

通过附近长期验潮站和陆地6个短期验潮站的对比分析,陆地6个验潮站平均的ΔH值为32cm,相邻长期验潮站的ΔH值分别为30cm34cm测区ΔH值可设为常量32cm。湄洲岛平均海面通过与长期验潮站同步观测获得,工作水准点通过平均海面加上测区平均的ΔH值来获取其85高。而通过基于EGM2008模型高程拟合进行验证,主要点水准拟合高和潮汐方法获得的85高相差只有2cm可见,测区GPS高程拟合精度以及相关验潮站观测资料与水准点联测成果是正确的,精度是可靠的,满足《海道测量规范》(GB 12327-1998)要求。利用潮汐观测方法进行高程传递在反推其它测量资料的准确性方面也取得了很好的效果。今年在福建湄洲湾测区对湄洲岛验潮站平均海面的传递中,测区各验潮站大潮期间与长期验潮站进行同步观测,推算出各短期验潮站基准面关系,发现鹅尾山验潮站ΔH值达到60cm,明显偏高,找出的问题是自动验潮仪出现故障,因此进行了第二次潮汐同步观测,第二次计算结果为ΔH值为30cm,符合该测区平均海面高程变化的实际情况。至此,很好的解决了湄洲湾无水准海岛高程基准的传递问题,而且精度满足沿岸海洋测绘的需要。

结束语

海洋测绘中,经常会碰到沿岸部分岛屿没有进行水准联测的情况。本文通过对水准高程缺失情况下高程基准传递方法的研究,很好的解决了沿海岛屿地区难以通过常规高程传递方法进行高程传递的技术难题,并在实际应用中,利用潮汐法高程传递来反推潮汐观测计算和水准测量的准确性。通过实例表明,成果精度符合《规范》要求,满足我国沿岸海域测图的需要。

 

参考文献:

[1] 许家琨,吕界栋,王双喜. 典型海湾区域海洋测绘中垂直基准的构建研究[J]. 海洋测绘. 2013.07

[2] 许家琨,申家双,海洋测绘垂直基准的建立与转换[J]. 海洋测绘. 2011.01

[3] 许家琨沿岸当地平均海面的高程求取与应用[J]. 海洋测绘. 2002.05 

[4] 许家琨,林有财.福建沿岸当地平均海面的高程研究与应用[J] .海洋测绘. 2007.01

[5] 王双喜,黄文骞.海岸带空间数据综合中垂直基准的统一.中国测绘学会第二十届海洋测绘综合性学术研讨会论文集:102~106.

[6] 申家双,翟国君,黄谟涛,许家琨,暴景阳,.海岸带垂直基准转换技术.中国测绘学会第二十届海洋测绘综合性学术研讨会论文集,2008.9,47~51.

[7]章传银. EGM2008地球重力场模型在中国大陆适用性分析[J]. 测绘学报. 2009,38(4):283-289

[8] 刘晓刚刘雁雨曹纪东,. GPS水准采用移去恢复技术拟合大地水准面方法的研究[J]. 测绘工程.2008,17(3):70-73

[9] 黄谟涛,翟国君,刘雁春等.海洋测量平面控制基准及岛屿高程传递技术.中国国防科学技术报告.天津:海军海洋测绘研究所,2001.12.


 

作者简介:

许家琨(1956-),男,山东莒县人,高级工程师,主要从事海道测量、海洋工程应用与研究。

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