海陸垂直基準統(tǒng)一的研究進展＊

孫學(xué)華,周興華,,孫 嘯

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266510;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061)

1 概 述

傳統(tǒng)上,水深和高程數(shù)據(jù)以不同的垂直基準面為參考,水深測量和地形測量是分別進行的,這就造成了陸海交界處的不連續(xù)性。隨著海岸帶管理、海洋劃界和海道測量等各種海上作業(yè)的廣泛開展,以及電子海圖的應(yīng)用也越來越普及,有必要建立各個垂直基準面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,實現(xiàn)海陸垂直基準的統(tǒng)一[1]。

我國的高程基準采用“1985國家高程基準”,是根據(jù)青島驗潮站1952-1979年潮汐資料推求的平均海面,與青島驗潮站的多年平均海面重合,只能視為局部近似的大地水準面。海圖圖載水深及其相關(guān)要素的起算面為理論深度基準面(理論最低潮面),通常取當?shù)仄骄Ｃ嫦乱欢ㄉ疃葹樵摶鶞拭?。當?shù)仄骄Ｆ矫媾c1985國家高程基準(大地水準面)并不重合,而是存在一定的偏差,即海面地形。有關(guān)資料表明,我國沿海海面地形值自北向南遞增,即平均海面的高度自北向南逐漸增加[2]。在沿岸測量特別是灘涂島礁測量中經(jīng)常遇到海面地形的問題,應(yīng)根據(jù)測量要求進行改正,以達到陸地測量和海洋測量成果資料的銜接與統(tǒng)一。

中國擁有近3×106km2的海洋國土,海上鄰國眾多,參考基準的不統(tǒng)一造成了陸圖與海圖之間以及海圖與海圖之間難以拼接的問題,難以實現(xiàn)與相鄰國家的海洋勘測圖件的有效拼接,無法滿足專屬經(jīng)濟區(qū)和大陸架劃界工作的需求,我國與周邊鄰國的海洋劃界問題不能得到很好的解決。目前,海洋權(quán)益爭奪日益加劇,實現(xiàn)海陸基準統(tǒng)一可改善海上界限和邊界的劃分,避免海上資源開發(fā)利用時與鄰國發(fā)生矛盾甚至沖突,解決國與國之間因海洋資源利用而起的爭端,維護我國海洋權(quán)益[3]。

2 國外研究進展

針對海岸帶管理和應(yīng)用,國際上許多相關(guān)組織和機構(gòu)深入研究了海陸垂直基準轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一的理論及技術(shù),尤其是無縫垂直基準面的建立,及在各種垂直參考框架中的表達。

2002年,國際測量師聯(lián)合會(the International Federation of Surveyors,FIG)成立了一個專門的工作組(WG4.2),研究無縫垂直參考基準面的構(gòu)建[4]。其中,2004年,Ahmed提出將WGS84橢球面作為無縫垂直參考基準面,Wells等提出了建立無縫垂直基準面的五個準則[1,5]。2006年,加拿大新布倫瑞克大學(xué)的海洋測繪組(Ocean Mapping Group,OMG)沿Saint John河建立了大地高與海圖高的轉(zhuǎn)換模型,并給出了該地區(qū)的局部無縫垂直基準面。

2001-2003年,英國地質(zhì)局(British Geological Survey,BGS)、陸地測量部(Ordnance Survey,OS)和英國海道測量局(United Kingdom Hydrographic Office,UKHO)共同參與了ICZMap(Integrated Coastal Zone Map)項目,使用Co-tidals值和外推法建立起英國海域海圖基準相對OS垂直基準面的關(guān)系模型,并應(yīng)用該模型合并BGS、OS和UKHO獲得的陸地和海底地形數(shù)據(jù)[6]。

美國國家海洋和大氣局(NOAA)開發(fā)了區(qū)域垂直基準轉(zhuǎn)換軟件VDatum,該軟件利用大地水準面模型、海洋動力模型與國家海洋局(NationalOcean Service,NOS)潮汐基準確定了各垂直基準面之間的關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)28種潮汐、正常高和橢球垂直基準面間的高精度轉(zhuǎn)換。2001年,Gesch和W ilson等[7]應(yīng)用VDatum建立了坦帕灣地區(qū)水深和地形數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型。

美國國家地理空間情報局(National Geospatial-Intelligence Agency,NGA)正在研究建立一個地理空間知識庫(Geospatial Know ledge Base,GKB),用于形成陸地地形和水深數(shù)據(jù)的連續(xù)高程面,該數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)以最低天文潮面和WGS84橢球為參考面。NOAA、加拿大海道測量局和英國海道測量局對GKB提出了以下幾點要求：1)能夠存儲全球的大地測量數(shù)據(jù);2)能夠處理跨海域測線,顯示大區(qū)域的數(shù)據(jù)集;能夠?qū)y深數(shù)據(jù)進行分類;3)能夠處理導(dǎo)航數(shù)據(jù);4)包含VDatum轉(zhuǎn)換功能。

確定海圖基準面與WGS84橢球間的關(guān)系,關(guān)鍵是建立分離模型。這是一項非常重要的研究和進展。Ahmed EL-RABBANY和Ruth ADAMS詳細分析了建立垂直基準面分離模型需考慮的因素和方法。建立分離模型要分兩步：首先,獲取離散點(通常是驗潮站)上海圖基準面與WGS84橢球之間的差值;然后,向近海外推建立整個海域的偏差模型。目前,世界上已有幾個國家建立了各自的分離模型。

加拿大是最早研究分離模型的國家,加拿大海道測量局選擇通過測量已知驗潮站的橢球高的方式,直接獲得海圖基準面與WGS84橢球間的分離值。利用海洋動力模型和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù),研究近海的潮汐變化建立近海海圖基準面模型[4]。2004年,Wells等[5]分析了海圖基準面、瞬時海面、平均海平面、大地水準面和無縫垂直基準面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。澳大利亞在昆士蘭海域開發(fā)了AUSHYDROID模型,該模型是海圖基準面在WGS84橢球中的表達模型。澳大利亞使用兩驗潮站的已知AUSHYDROID高建立分離模型,沿航道每點的AUSHYDROID高根據(jù)距驗潮站的距離插值得到[8]。英國海道測量局研究建立的分離模型稱作近海垂直參考框架(VerticalOffshore Reference Frame,VORF),利用驗潮站數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)建立平均海平面模型,然后聯(lián)合潮汐模型以WGS84橢球為參考建立了最低天文潮面、平均大潮高潮面、平均大潮低潮面和最高天文潮面模型。VORF的轉(zhuǎn)換函數(shù)就是這些潮汐基準面的模型[9]。

3 國內(nèi)研究進展

我國一些學(xué)者在陸海大地水準面拼接和統(tǒng)一、利用衛(wèi)星測高技術(shù)確定海面地形以及陸地高程和深度基準轉(zhuǎn)換方面做了大量的研究,為統(tǒng)一海陸垂直基準準備了重要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 陸海大地水準面拼接和統(tǒng)一

陸地重力大地水準面和海洋重力大地水準面是兩類不同的數(shù)據(jù)各自按不同原理和方法互相獨立確定的大地水準面,在陸海相接區(qū)域存在拼接差,需要用適當?shù)姆椒ㄓ枰韵魅趸蛳?/p>

徐菊生等[10]討論了綜合利用地球重力位模型、地面重力資料和GPS水準測量結(jié)果進行區(qū)域性垂直基準聯(lián)接的基本方法和需注意的問題。陳俊勇等[11]提出了擴展拼接技術(shù),聯(lián)合陸地實測重力數(shù)據(jù)和海洋測高重力數(shù)據(jù),統(tǒng)一推算陸海局部重力大地水準面,然后用擬合參數(shù)校正中國全部海域的重力大地水準面,最大限度地削弱了拼接點和測高海洋大地水準面的系統(tǒng)誤差。王正濤等[12]研究了將海洋重力似大地水準面與區(qū)域測高似大地水準面擬合的處理方法,推導(dǎo)出海洋上大地水準面差距與高程異常之間差值的公式,并由此給出了求定平均海面相對于區(qū)域高程基準的正常高以及測高似大地水準面的計算公式。劉纘武等[13]討論了基于有限元法銜接陸海局部區(qū)域大地水準面的數(shù)學(xué)思想,同時給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。金紹華等[14]在某陸海交界處采用距離倒數(shù)加權(quán)平均法將海洋重力似大地水準面擬合于GPS/水準數(shù)據(jù),計算得到的(似)大地水準面精度優(yōu)于3 cm。

3.2 衛(wèi)星測高技術(shù)確定海面地形

海面地形是平均海面基準與大地水準面基準轉(zhuǎn)換的紐帶,對確定全球統(tǒng)一的高程基準具有重要的作用和意義。衛(wèi)星測高技術(shù)是研究海洋大地測量的主要技術(shù)之一,利用長周期高分辨率、高精度的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù),可以確定全球精細平均海面,為確定精密海洋大地水準面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但如何把平均海面高分離為大地水準面高和海面地形,一直是大地測量學(xué)研究中的難題。

我國學(xué)者利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)建立了中國海域及鄰近海域的多個平均海平面模型和海面地形模型。王海瑛等[22]利用Geosat/ERM數(shù)據(jù)計算出1°×1°,利用T/P衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算出30′×30′分辨率的平均海平面模型。李建成等[15]利用經(jīng)過編輯和環(huán)境改正后的多代衛(wèi)星測高資料,通過聯(lián)合交叉點平差建立了中國海及鄰海2.5′×2.5′的平均海平面模型。姜衛(wèi)平[16]建立了2′×2′的全球WHU 2000平均海平面模型。

翟國君[17]提出了一些改進海面地形與大地水準面可分性的方法。張赤軍等[18]提出用球函數(shù)方法計算海面地形對大地水準面的影響,并列出了改正值。梁振英[19]提出采用內(nèi)插外推法計算淺海海域海面地形。張子占等[20]根據(jù)GGM 01C重力場模型和衛(wèi)星測高得到的平均海面高模型,構(gòu)造全球高分辨率穩(wěn)態(tài)海面地形,并詳細探討穩(wěn)態(tài)海面地形的譜結(jié)構(gòu)特性,為直接分離海面地形提供了參考。

陳俊勇等[21]利用T/P衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定了我國近海及鄰海的海面高及其變化,并給出了相應(yīng)的平均海面地形。王海瑛等[22]利用T/P衛(wèi)星測高資料,采用直接差分求解法和“剪切”法獲得了完整到20階次的中國近海及鄰域海面地形模型的球諧表達式。周旭華等[23]分別用IGGGRACE01S、EIGENGRACE02S和EGM 96地球重力場模型的前80階計算出全球大地水準面,再與多顆測高衛(wèi)星資料獲得的平均海面高模型KMS04進行差分,構(gòu)造出3種海面地形。章傳銀等[24]從流體動力學(xué)基本方程出發(fā),推導(dǎo)出近海定常環(huán)流的高程模式,由此高程模式利用有限差分法組成觀測方程,從而應(yīng)用最小二乘間接平差法解算聯(lián)合問題,最后聯(lián)合T/P、ERS-2衛(wèi)星測高和物理海洋觀測數(shù)據(jù),計算出東中國海(22°～ 41°N,116°～ 131°E)的平均海面地形 。

另有多位學(xué)者聯(lián)合多代衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)分別計算出平均海面模型和海洋大地水準面模型,并對其差值應(yīng)用移去-恢復(fù)法和高斯濾波技術(shù),得到海面地形模型。例如,姜衛(wèi)平[16]建立了中國海域15′×15′的海面地形模型,王正濤等[25]建立了全球穩(wěn)態(tài)海面地形,鄧凱亮等[26]建立了中國近海2′×2′格網(wǎng)分辨率的穩(wěn)態(tài)海面地形模型。

3.3 陸海統(tǒng)一高程/深度基準的建立

陸圖和海圖的高程和深度基準的不統(tǒng)一,不僅在沿海灘涂陸海圖拼接時出現(xiàn)麻煩,而且也不利于與國際接軌。現(xiàn)有深度基準隨時間和地點變化的特點,嚴重地影響測深資料的廣泛應(yīng)用和積累,因此有必要將陸上的高程基準延伸至海洋,建立陸海統(tǒng)一的高程/深度基準。

關(guān)于陸海統(tǒng)一的垂直參考基準面的選擇,梁振英[27]認為可以選擇大地水準面作為陸海共同的基準面,提出了一種建立我國陸海統(tǒng)一高程/深度基準的構(gòu)思模式,主要應(yīng)用了近海海域的海面地形信息。殷曉冬等[2]提出可采用多個驗潮站測得平均海面的平均值,或統(tǒng)一的中國近海海面地形為零的大地水準面(最好是海洋大地水準面),或非時變大地水準面,作為全國統(tǒng)一的高程基準面和深度基準面。暴景陽等[28]提出以平均海面作為陸?；敬怪被鶞实乃枷?。

關(guān)于測繪垂直基準相互轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一技術(shù)方法的研究,李毓麟[29]提出建立海洋高程基準的關(guān)鍵在于大陸高程基準向海洋高程基準的無縫過渡以及全球或地區(qū)統(tǒng)一高程基準的建立,并分析了建立我國陸海統(tǒng)一高程/深度基準需要研究的內(nèi)容。翟國君等[3]探討了建立海洋測繪垂直基準的必要性和具體方法,提出通過將國家高程基準等位面向海域延伸,建立以國家高程基準等位面為準的海面地形模型,統(tǒng)一水深和陸地高程基準。章傳銀等[30]討論了聯(lián)合GPS/水準、重力場探測與衛(wèi)星測高等數(shù)據(jù)實現(xiàn)不同測繪垂直基準的相互轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一技術(shù)方法。趙建虎等[31]研究了一種橫斷面線性內(nèi)插法,用于正高和海圖高間的轉(zhuǎn)換,解決了離散海圖基準面不連續(xù)的問題,并利用該方法構(gòu)造了Saint John河高程轉(zhuǎn)換模型,且得到實際驗證。殷曉冬等[32]探討了基于橢球面的、連續(xù)的、非時變的垂直基準實現(xiàn)海陸數(shù)據(jù)垂直基準統(tǒng)一的方法,并建立了統(tǒng)一海部水深離散點和陸部等高線的多源數(shù)據(jù)無縫數(shù)字高程模型(DEM)。暴景陽[33]分析討論了海洋測繪垂直基準的分級模式以及不同級別垂直基準的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,提出將大地水準面通過高程零點在全球大地水準面上的垂直偏差聯(lián)入國家高程基準面,用作海底地形的垂直基準。

4 結(jié) 論

1)大地水準面既能描述地球的幾何形狀,又保留了明確的物理意義,最好采用大地水準面作為陸地高程和海洋深度的共同起算面。

2)陸海高程/深度基準的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一可采用兩種技術(shù)路線：第一,利用區(qū)域基準下的海面地形模型,以國家高程基準為參考面表達海圖深度基準面;第二,應(yīng)用陸海統(tǒng)一的大地水準面模型和深度基準面大地高模型,構(gòu)建高程和深度基準間的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型。

3)需要深入研究的內(nèi)容：研究參考橢球面、大地水準面、平均海面和海圖深度基準面之間的相互關(guān)系,建立偏差模型;由衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)獲取高精度的潮汐參數(shù),構(gòu)建和精化潮汐模型;以潮汐模型為基礎(chǔ),構(gòu)建連續(xù)無縫的海圖深度基準面模型;精化海域大地水準面模型。

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