长江口外远距离海上平台垂直基准体系的建立

许宝华

摘要：为了解决复杂水文条件和远距离等因素给垂直基准传递带来的精度低、可靠性无法验证的难题，提出并研究了长江口外远距离海上平台垂直基准体系的建立方法。首先，建立了覆盖平台水域的GNSS控制网;然后，给出了联合似大地水准面精化模型、平均海平面及海面地形的1985国家高程计算方法、平均海平面和深度基准面综合确定方法;最后，形成了平台垂直基准远距离传递的完整方案。借助于上述方法开展了长江口外远距离海上平台垂直基准传递研究，获得了互差为2 mm的平台1985国家高程以及精度优于3 cm和5 cm的平台平均海平面和深度基准面，在此基础上，建立了长江口外远距离海上平台的垂直基准体系。

关 键 词：海上平台; 垂直基准体系; 1985国家高程; 平均海平面; 深度基准面; 长江口

中图法分类号： P229

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.021

0 引 言

为满足上海城市防汛安全和建设管理、长江口水土资源开发利用、水环境治理和保护等基本需求，上海市水务局在长江口外新建了海上平台监测站。基于海上平台，可以开展长江口外的海面、潮位和水下地形等监测工作。完整的平台垂直基准体系（1985国家高程、平均海平面和深度基准面及基面间关系）建立可以为上述工作提供参考基准，但目前尚未有相关体系。

借助局域似大地水准面精化技术可以获得高程异常，联合GNSS实测大地高，可以实现1985国家高程确定[1-3]。该方法在内陆和沿海岸具有厘米级的高程确定精度，但针对海区的外推精度验证研究却较少[4]。联合长期平均海平面（Mean Sea Level，MSL）和海面地形可以实现海上测点1985国家高程的确定[5]，但高程传递精度受距离影响[3]。短期验潮站的MSL可以借助于长期验潮站的同步潮位数据及长期潮位站的长期MSL，采用同步改正法、回歸分析法、最小二乘综合传递法等来传递[6-7];短期站的深度基准面L值，可以借助于长期验潮站的同步潮位及长期潮位站的L值来传递[6-7]。MSL和L的传递方法相对成熟，不同传递方法的机理不同，且传递精度受距离、水文条件等因素影响[8]。长江口外受周期性海潮和长江水流综合影响，水文条件复杂，加之平台距离岸边潮位站距离较远（最远达60 km），给MSL和L的高精度、可靠性传递带来了挑战。

为此，本文开展了长江口外远距离海上平台垂直基准体系建立方法的研究，寻求1985国家高程、MSL和L远距离、高精度传递的最优方法，以解决复杂水文条件、远距离等因素给垂直基准高精度、可靠传递带来的难题，建立了长江口外海上平台的垂直基准体系。

1 GNSS控制网建立及平台CGCS2000大地坐标确定

为实现海上平台三维基准的确定，建立了由31个GNSS控制点组成的、覆盖长江口和平台水域的GNSS控制网（见图1）。全网由B级和C级GNSS控制点、长期潮位站上的水准点、海上平台控制点组成。GNSS控制网按照C级观测要求开展静态观测。

为确保控制点解算成果的可靠性，基线解算采用GAMIT软件，GNSS网平差采用武汉大学研制的COSA软件来完成。得到的基线解算精度为1/1 020 000，平面点位精度为1.7 cm，大地高解算精度为1.6 cm，表明GNSS解算精度满足项目要求。

根据GNSS网平差得到的平台CGCS2000大地高，联合2018年建立的覆盖整个长江口及口外的似大地水准面模型计算得到的平台位置的高程异常ζ，根据式（1）可以计算该点的1985国家高程h85为

h85=HCGCS2000-ζ（1）

式中：HCGCS2000为由GNSS控制网平差计算得到的平台大地高;ζ为由似大地水准面模型计算的该点的高程异常。由式（1）得到平台的1985国家高程为3.424 m。

2 海上平台平均海平面的综合传递

考虑平台潮位观测时序长度较短，仅有7个月潮位，平台的平均海平面MSL采用传递的方法来确定（见图2）。选择与平台开展同时段潮位观测的长期潮位站，利用同步潮位，采用同步改正法（距平）、回归分析法、最小二乘综合传递法，分别开展短期潮位站长期平均海平面的传递，再综合这些传递结果，最终确定平台的MSL。由于采用不同方法开展平台MSL传递，需要评估各自方法的精度，再根据各自精度加权平均得到平台的最终MSL。为了得到各方法的精度，利用各方法逐月传递平台MSL的值，采用统计分析方法计算该方法的传递精度。

σj=167i=1（MSLji-MSLj0）2，MSLj0=177i=1MSLji（2）

式中：σj为第j个方法传递的平台MSL的标准差;MSLj0为第j个方法7个时段传递的平台平均海平面MSLi（i=1～7）的平均值，则第j个方法传递得到的平台最终MSLj为

MSLj=12（MSLj0+MSLjall）（3）

式中：MSLjall为第j个方法用所有7个时段的同步潮位数据传递得到的平台MSL。

利用同步法、回归分析法、综合传递法从某长期站传递得到的平台MSL为

MSL=1P3j=1pjMSLj（4）

式中：pj=σj，p为总权重。

基于以上方法，选取连兴港、鸡骨礁和牛皮礁3个长期潮位站与海上平台7个月的公共潮位时序，推算平台MSL，推算结果如表1～3所列。

由表1可知：每个时段传递的MSL非常接近。同步法和最小二乘综合传递法计算的MSL接近，互差在0.015 m;而回归分析法得到的MSL略小，与前2种方法计算的MSL最大偏差为0.088 m;比较分段传递结果和整个同步期间的传递结果，二者传递结果的最大互差0.009 m，表明二者传递结果接近，可求取二者的平均值作为该方法的最终传递结果。比较不同方法的传递精度，认为同步法和最小二乘综合传递法精度较高，加权平均得到连兴港向平台传递的最终MSL1为1.948 m，精度为±0.018 m。F3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3

由表2可以看出：每个时段传递的MSL接近，3种方法传递结果的平均值MSL的互差最大为0.012 m，表明3种方法的传递结果可信;比较分段传递结果和整个同步期间的传递结果，二者最大互差0.020 m，取二者的平均值作为该方法的最终传递结果。由于潮汐性质近似，3种方法传递MSL均获得了较高的精度和一致性，对3种方法的传递结果加权平均，得到鸡骨礁向海上平台传递的最终MSL2为1.965 m，精度为±0.032 m。

由表3可以看出：同步法和综合传递法的平均MSL相近，互差在0.020 m，回归法与其他2种方法传递的平均MSL互差较大，最大为0.084 m。由于数据缺测较多，利用2019年12月至2020年6月同步期间的潮位数据，借助回归法和综合传递法无法传递MSL。比较利用同步法分段传递结果的平均MSL和整个同步期间传递的MSL，传递结果相同。比较3种方法所得平均MSL，同步法和综合传递法精度最高，对这2种方法的传递结果加权平均，得到牛皮礁向海上平台传递的最终MSL3为1.940 m，精度为±0.029 m。

3个站传递MSL的最大互差小于3 cm，具有较好的一致性，表明本文在各站对不同方法传递MSL采用的取舍方法的正确性。为进一步提高平台MSL传递的可靠性，综合以上3站传递结果及精度，采用加权平均方法，得到最终的海上平台MSL=1.950 m。

3 平台深度基准面L值的综合和确定

利用以上相同的长期潮位站和同步潮位序列，借助潮差比法、综合传递法开展海上平台深度基准面L值的传递。采用的传递方法与传统MSL近似，即利用各长期站与平台的每月同步潮位，分别利用差比法、综合传递法推算平台的L值，再根据各方法的传递值和精度，加权平均得到平台的L值和精度;然后综合各站的传递结果和精度，加权平均得到平台最终的L值和精度。各站传递平台L值得到的结果如表4～6所列。

由表4可知，潮差比法和综合传递法分段传递平均值互差为0.086 m。分段传递结果平均值与整个同步时间段的传递结果比较，潮差比法互差非常小，为0.012 m，综合法较大为0.073 m。为此，本站的传递结果采用潮差比法结果。对潮差比法分段传递结果平均值和整个同步时间段的传递结果求平均，潮差比法的最终传递结果为2.285 m，标准差为±0.023 m。

由表5可知：将分段传递结果平均并与整个同步时间段的传递结果比较，利用潮差比法和综合传递法得到的二者互差都非常小，前者互差为0.007 m，后者互差为0.014 m。以上结果表明，得益于潮汐性质近似，2种方法传递L的精度均较高，可用于计算平台最终的L值。对分段传递结果平均值和整个同步时间段的传递结果求平均，潮差比法的最终传递结果为2.356 m，标准差为±0.020 m;综合传递法的最终传递结果为2.234 m，标准差为±0.012 m。

由表6看出：潮差比法傳递的各时段L相对平均L的最大偏差为0.061 m，标准差为0.048 m;综合传递法的各时段L相对平均L的最大偏差为0.020 m，标准差为0.015 m。因数据中多个时段存在数据空缺，导致综合传递法无法计算，考虑传递结果的可信性，放弃其传递结果。将潮差比法分段传递结果平均，并与整个同步时间段的传递结果平均，潮差比法的最终传递结果为2.279 m，标准差为±0.048 m。

3个站传递结果的最大互差小于7 cm，具有较高的一致性。为确保结果的可靠性，对以上各站的有效推求结果加权平均，则得到海上平台的最终L值推算结果为2.285 m。

4 平台1985国家高程传递

基于以上结果，获得了平台的1985国家高程和平台水域的平均海平面、深度基准面。

考虑平台外海水域GNSS水准数据较少，联合GNSS控制网解算结果和似大地水准面结果计算得到的平台1985国家高程可靠性缺少验证。为此，根据大地测量理论，利用长期验潮站上水准点的1985国家高程和平均海平面，计算长期站水域的海面地形;再根据平台的平均海平面和海面地形，计算平台的1985国家高程。

hp85=MSLp-Δ=MSLp-（MSLL-hL85）（5）

式中：hp85，hL85分别为平台和长期站的1985国家高程;MSLp，MSLL分别为两站的平均海平面，SymbolDA@为计算的海面地形。

3个长期验潮站中只有连兴港在岸边，具有水准点。由3个长期站传递平台MSL具有高度一致性可以认为，由3个长期站和平台包围的水域海面地形变化一致且稳定。据此，根据连兴港站的长期平均海平面和1985国家高程，可以计算得到该水域的海面地形;再结合平台的MSL，利用式（5）计算得到平台的1985国家高程为3.420 m。

相较于利用GNSS解算所得大地高和似大地水准面计算得到的平台1985国家高程，二者的偏差仅为0.002 m，表明前面分析认为垂直基准传递水域海面地形变化一致的结果正确，2种方法确定的平台1985国家高程可信。最终的平台1985国家高程为

hp85=（3.420+3.424）/2=3.422（m）（6）

综上，建立了由1985国家高程基准、平均海平面和深度基准面组成的平台垂直基准体系。

5 结 论

本文开展了平台的1985国家高程、平均海平面和深度基准面传递研究，实现了长江口外远距离海上平台垂直基准体系的高精度建立，结论如下。

（1） 平台MSL传递中，回归分析法仅适用于潮汐性质相似的两站间MSL传递，且精度较低;同步法和最小二乘综合传递法具有较好的适用性和较高的传递精度。

（2） 平台深度基准面传递中，潮差比法适用性较强，传递L值的精度和可靠性均相对较高;最小二乘综合传递法传递精度受两站间潮汐性质的相似性、潮位数据的连续性等影响，建议采用该方法前对潮位数据进行检核和相关性分析。F3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3

（3） 盡量多地选用开阔、与平台潮汐性质近似的沿岸长期潮位站，对于确保如长江口外水文条件复杂的远距离平台MSL和L传递的精度和可靠性非常重要。

（4） 联合基于似大地水准面精化模型确定平台1985国家高程方法与顾及MSL和海面地形确定平台1985国家高程方法，较好地解决了似大地水准面模型向外延伸带来的成果和精度不可靠问题以及海面地形变化复杂带来的成果精度偏低问题，为长江口外远距离平台1985国家高程确定提供了一种较好的解决方案。

参考文献：

[1] 暴景阳，翟国君，许军.海洋垂直基准及转换的技术途径分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（1）：52-57.

[2] 暴景阳，章传银.关于海洋垂直基准的讨论[J].测绘通报，2006（6）：10-11.

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

[4] KE H，LI F，AI S，et al.Establishment of Chart Datum and Vertical Datum Transformation for Hydrography in the Chinese Great Wall Bay，Antarctic Peninsula[J].Journal of Surveying Engineering，2020，146（2）：05020003.

[5] 孙翠羽.海洋无缝垂直基准面建立方法研究[D].青岛：山东科技大学，2011.

[6] 赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

[7] 许军，暴景阳，于彩霞，等.海洋潮汐与水位控制[M].武汉：武汉大学出版社，2020.

[8] 柯灝，张红梅，鄂栋臣，等.利用调和常数内插的局域无缝深度基准面构建方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：616-620.

（编辑：刘 媛）

Establishing of vertical datum system for offshore platform outside Yangtze River Estuary

XU Baohua

（Yangtze River Estuary Investigation Bureau of Hydrology and Water Resources，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China）

Abstract：

For solving the low accuracy and low reliability of vertical datum transmission caused by complex hydrological conditions and long distance，this paper proposed a method of establishing vertical datum for long-distance offshore platforms outside the Yangtze River Estuary.Firstly，the GNSS control network was established in the water area.Subsequently，combined with the quasi-geoid refinement model，the mean sea level and sea surface topography，a method for determining 1985 national elevation was given，based on which the comprehensive method for determining the mean sea level and chart datum was given.Finally，a completed scheme for the long-distance transmission of vertical datum was formed.To verify the validity of the proposed method，this paper had determined the vertical datum of the offshore platform by the proposed method.The results showed that the mutual difference of determining the 1985 national elevation was 2 mm and the standard deviations of determining the mean sea level and the depth datum L of the platform were 3 cm and 5cm respectively.

Key words：

vertical datum system;offshore platform;1985 national elevation;mean sea level;depth datum;Yangtze River EstuaryF3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3