关于海洋无缝垂直基准体系建立的思考

崔 杨，暴景阳，许 军，孙文川

(海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁 大连 116018)

一、建立海洋无缝垂直基准体系的重要性与必要性

海洋垂直基准是陆地垂直基准在海洋及其他水域的扩展，是深度测量及其相关要素的起算面，也是对海洋进行正确认知和表达的重要依据。现有的海洋垂直基准包括地球椭球面、大地水准面、平均海面、海图深度基准面等，但其尚不能解决海洋测绘等具体应用中的诸多重要问题。为了更好地认识和表示海洋及相关水域，国内外学者一直在寻找和建立合适的垂直基准，但是仅适用于局部海域的一个个彼此孤立、离散、跳变的基准，而无法顺利解决这些问题。在当前的实际情况下，如能建立起一个合适的、彼此之间具有内在科学联系的海洋无缝垂直基准体系，将是具有现实意义的。

一方面，完善的海洋垂直基准体系的建立，对于保证航行安全和进行海洋资源的开发具有重要意义。目前，我国采用的陆地高程基准是“1985黄海高程基准”，即特定地点(青岛)的平均海面；海洋深度基准则采用海图深度基准面，为保证航行安全并充分利用航道，目前采用的是理论最低潮面，其含义是理论上可能达到的最低潮面。由潮汐参数计算和确定的理论最低潮面应为连续的曲面，但由于验潮站分布的离散性及根据各站资料得到的深度基准面之间的差异，常常导致深度基准面以各验潮站为中心呈离散分布，因此各深度基准面间存在着跃变的阶梯形态，而不是连续渐进的[1]。

另一方面，现有高程和深度基准的不统一及深度基准的离散和跳变，必将给人类开发利用海洋带来许多问题乃至国际间的争端。如由于没有海洋无缝垂直基准体系，不同海域或相同海域不同时段获得的数据间的拼接难以实现，以致海洋观测数据的使用价值和测量效率大大降低，从而减缓了海图的更新速度；由于没有海洋无缝垂直基准体系，深度数据在不同的参考基准上难以方便地转换、输出与共享，为海洋空间地理信息表示精度的提高增加了难度，随之而来的结果就是海洋和陆地数据间的割裂，为使用者的识图用图带来很多不便。

综上可见，建立连续无缝的海洋垂直基准体系，具有重要的理论意义和实用价值。

二、海洋无缝垂直基准体系建立的基本思想与现状分析

1. 建立的基本思想

海洋垂直基准有多种形式，每种都有其特点和适用性。建立海洋无缝垂直基准体系，是为了适应海岸带与岛礁区域测量及信息精确表达等需要，主要表现在3个方面：① 支持海岸带与岛礁区域周边水域地形地貌的连续化精确测定和无缝自然表达，服务于海岸带与岛礁区域地形图的编绘；② 在大地测量垂直坐标框架体系下通过基准变换，使得海岸带与岛礁区域基础测绘产品能够应用于航海图生产；③ 为无验潮水深测量模式的推广，提供高精度垂直基准信息保障。据此，可按以下思想建立海洋测绘无缝垂直基准体系：首先，对无缝垂直基准面的定义和构建原则进行理论研究；然后，利用精密潮汐模型，构建逐点变化的深度基准面模型；最后，以高分辨率网格模型作为连续无缝垂直基准面的具体实现，并将该无缝垂直基准面通过连续的、相对于地球椭球面表达的平均海面高模型和陆海大地水准面模型，纳入大地测量垂直基准体系，形成深度基准面偏差模型。

2. 已有成果基础

构造无缝垂直基准体系的相关研究，是国际海道测量界研究的一个热点。国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG)、国际大地测量协会(IAG)、国际测量师联合会(FIG)、国际海道测量组织(IHO)、国际天文联合会(IAU)和国际地球自转服务局(IERS)均先后成立了研究组，给出了相应的基础理论、技术方法及指导意见。加拿大、美国、法国、德国和日本等国已建立了无缝垂直参考面或作出了规划设计。

我国在无缝垂直基准面方面的研究虽然起步较晚，但越来越受到相关单位的重视，目前也已完成了一些相关的基础工作。李燕初、暴景阳等众多学者开展了基于T/P高度计数据的潮汐信息的提取和潮汐模型建立的研究[2]；罗志才、郭海荣等就大地水准面相关内容开展了多个方面卓有成效的研究[3-4]；暴景阳、许军等提出以平均海面作为基本海洋垂直基准的思想，并利用卫星测高数据初步建立了中国海的理论深度基准面模型，给出了一种海洋测量深度的归算方案[5-6]；梁振英等学者提出了建立我国陆海统一高程/深度基准的构思模式[7]。这些无疑都是深度基准面研究方面的可喜成果。

此外，我国已有不少学者在局部地区进行了无缝垂直基准面的研究，如许家琨等认为将平均海面作为我国海洋的垂直基准面是建立国家高程基准统一的先决条件，也是实现海岸带地形图和水深图无缝拼接的最佳选择[8]；孙翠羽建议以CGCS2000椭球面作为我国统一的海洋无缝垂直基准面，并提出了海洋无缝垂直基准面的转换方法，且在研究偏差模型建立方法的基础上提出了建立渤海偏差模型的方法[9]；柯灏选择利用深度基准面构建海洋无缝垂直基准，结合长江口水域的潮汐数据，研究了海洋无缝垂直基准的几何和物理建模方法并进行比较，确定基于潮汐调和常数的物理建模方法为最优的连续无缝深度基准面的建立方法[10]。这些研究显然更是无缝垂直基准体系研究的直接基础。

3. 现状分析

现有的国内外研究成果，可为海洋无缝垂直基准体系的建立提供部分相关的理论技术基础，主要体现在5个方面：① 利用卫星测高数据提取潮汐信息的研究成果，获取了中国海域的精确潮汐调和常数，为潮汐模型的建立和深度基准值计算准备了基础；② 深度基准方面的研究成果，为连续无缝深度基准面的建立提供了理论方法和数据准备；③ 大地水准面精化方面的研究成果，为基于无缝垂直基准的转换提供了基准支持；④ 国外的相关理论研究和实用模型为我国海洋无缝垂直基准体系的建立提供了可借鉴的模型和指导意见；⑤ 无缝垂直基准面现有的研究成果探索了局部海域无缝垂直基准的建立方法，为全海域无缝垂直基准体系的建立奠定了基础。

三、海洋无缝垂直基准体系建立过程存在的问题与对策

1. 存在的主要问题

从一个“体系”的建立角度而言，仅凭国内外现有研究成果是难以完成的，存在的主要问题大致有以下4个方面：

1) 垂直基准选择的多样性带来的问题。垂直基准种类很多，有传统的海图深度基准面、(似)大地水准面、平均海面等物理意义明确的垂直基准，以及如参考椭球等具有明确几何定义的垂直基准。每个基准面都有各自的特点，选择最优的垂直基准来构建海洋无缝垂直基准体系，使其既具备连续无缝的特征，又能符合人们在航海过程中海图标定等使用习惯，已成为目前亟待解决的关键问题。

2) 海洋垂直基准相互独立带来的问题。目前已有的成果研究了渤海海域及长江口水域中无缝垂直基准面的建立，但选取的基准面不同，模型也相对独立。其中，孙翠羽在渤海海域选取了CGCS2000椭球面作为无缝垂直基准面，利用模型差值法建立了偏差模型，并进行了验证；柯灏在长江口水域选用了深度基准面建立海洋无缝垂直基准面，并选择了理想的建模方法对其进行了无缝化处理。显然，已有的无缝垂直基准面无论是物理意义还是数学模型都不相同，即相互独立，而且这两个区域都有一定特殊性，一个是中国唯一的内海，另一个是长江入海口。因此，既无法将两个研究成果的模型互换使用，也难以将两个成果直接拓展应用于全部海域。而我国领海广阔，想要真正实现海域数据的共享与拼接，必须建立一个适用于整个中国海域的无缝模型。克服现有垂直基准相互独立的缺陷，统一全海域的垂直基准模型是亟待解决的重点问题。

3) 不同海洋垂直基准间的过渡问题。各海域的潮汐性质和海况各不相同，现有的研究成果适用于小区域，在建立适用于整个海域的无缝模型时可以直接应用上述成果，并利用转换模型将这些成果联接成为一整体。但这样就引入了在海域交界处选择合理模型的新问题，因为交界海域处于各海域边缘，可能同时具备相邻两海域的特点，所以尤为复杂。因此，该问题的处理对于联接各垂直基准面，建立无缝垂直基准体系是至关重要的。

4)海洋测绘无缝垂直基准体系的精度评定问题。将要建立的海洋测绘无缝垂直基准体系，是由多个不同的垂直基准面构成的。由于传统的垂直基准几乎没有质量和精度控制的概念，因此确定可靠的精度评定方法对于海洋无缝垂直基准体系的完善显然具有重要的意义。

2. 对 策

针对目前海洋垂直基准体系建立中存在的上述问题，特提出基于以下4个步骤的解决思路：

1) 根据各海域潮汐特点，分别选取适宜的无缝垂直基准面。目前已有适用于局域的无缝垂直基准，我国领海广阔，各海区潮汐性质和海况不尽相同，适用的无缝垂直基准也会有相应的差别。因此，可借鉴已有研究基础的思路，针对不同海区的潮汐性质和海况，分别确定适宜各海域的无缝垂直基准面。

2) 建立无缝垂直基准面间的转换模型。利用某一无缝垂直基准面作为桥梁，将连续的深度基准面与椭球面的垂直偏差作为应用的无缝垂直基准面，就要正确描述两个垂直参考面之间的相互关系，采用的模型通常称为垂直偏差模型或分离模型，两者均具有相对的含义。深度基准面相对平均海面的垂直偏差模型即深度基准值模型，可简记为L值模型；而深度基准面的大地高模型标识的是深度基准面和地球椭球面之间的偏差模型，在不致含义混淆的情况下简称为深度基准面分离模型或偏差模型。基于这一思想，即可构建垂直基准面间的转换模型。

3) 建立临界海域的过渡模型。不同海域有适应其自身特点的无缝垂直基准面，它们相互离散、独立，因此可在临界区域借鉴距离加权法进行数据分析，并结合当地潮汐数据综合考虑相邻两种离散的无缝垂直基准面对交界处的影响，得到最理想的过渡模型，从而将离散的多个无缝垂直基准面联接为一个连续无缝的垂直基准体系。

4)选择垂直基准的精度评定方法。深度基准的精度可理解为海域任意地点基准依赖数据和方法的变化程度。对于连续无缝深度基准面和其他垂直参考面，可以将网格化潮汐模型作为基础，并通过各基准的计算公式，依据潮汐模型参数的精度评定结果，评价深度基准模型的精度。

四、结束语

海洋无缝垂直基准体系的建立，是现代海洋测绘研究的一项重要工作，对于完善海陆数据的拼接与共享，保障航海安全和海洋开发利用等都具有重要意义。鉴于已有成果均是针对某一海域的无缝垂直基准面，而尚无适于全部海域的无缝垂直基准体系，本文介绍了建立该体系的总体思想，分析了存在的问题，并提出根据各海域潮汐特点分别选取适宜的垂直基准面，在不同基准间建立转换模型，在临界海域建立过渡模型，以最终确定适用于全部海域的海洋无缝垂直基准体系的对策，且给出了评定垂直基准精度的方法。本文对海洋无缝垂直基准体系的最终建立具有指导意义。

参考文献：

[1] 暴景阳.海洋测绘垂直基准综论[J].海洋测绘, 2009,29 (2): 70-73.

[2] 李燕初,蔡文理,李立,等.由TOPEX/POSEIDON卫星高度计资料导出福建和台湾邻近海域的潮汐特征[J].海洋学报,2002,24(S1):154-162.

[3] 罗志才,宁津生,徐菊生.区域性高程基准的统一[J].测绘科学,2004,29(2):13-15.

[4] 郭海荣,焦文海,杨元喜.1985 国家高程基准与全球似大地水准面之间的系统差及其分布规律[J].测绘学报,2004,33(2):100-104.

[5] 暴景阳,章传银.关于海洋垂直基准的讨论[J].测绘通报, 2001(6):10-11.

[6] 许军.卫星测高技术在海洋动态垂直基准中的应用研究[D]. 大连:海军大连舰艇学院,2005.

[7] 梁振英. 建立我国陆海统一高程/深度基准的构思模式[J].测绘科学,1999(3):20-28.

[8] 许家琨，申家双，黄辰虎，等. 海洋测绘垂直基准的建立与转换[J].海洋测绘,2011,31(1)：4-8.

[9] 孙翠羽.海洋无缝垂直基准面建立方法研究——以渤海海域为例[D]. 青岛:山东科技大学,2011.

[10] 柯灏.海洋无缝垂直基准构建理论和方法研究[D]. 武汉:武汉大学,2012.