海陆垂直基准统一的研究进展＊

2011-08-15孙学华周兴华

海岸工程 2011年2期

孙学华,周兴华,,孙啸

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266510;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061)

1 概述

传统上,水深和高程数据以不同的垂直基准面为参考,水深测量和地形测量是分别进行的,这就造成了陆海交界处的不连续性。随着海岸带管理、海洋划界和海道测量等各种海上作业的广泛开展,以及电子海图的应用也越来越普及,有必要建立各个垂直基准面之间的转换关系,实现海陆垂直基准的统一[1]。

我国的高程基准采用“1985国家高程基准”,是根据青岛验潮站1952-1979年潮汐资料推求的平均海面,与青岛验潮站的多年平均海面重合,只能视为局部近似的大地水准面。海图图载水深及其相关要素的起算面为理论深度基准面(理论最低潮面),通常取当地平均海面下一定深度为该基准面。当地平均海平面与1985国家高程基准(大地水准面)并不重合,而是存在一定的偏差,即海面地形。有关资料表明,我国沿海海面地形值自北向南递增,即平均海面的高度自北向南逐渐增加[2]。在沿岸测量特别是滩涂岛礁测量中经常遇到海面地形的问题,应根据测量要求进行改正,以达到陆地测量和海洋测量成果资料的衔接与统一。

中国拥有近3×106km2的海洋国土,海上邻国众多,参考基准的不统一造成了陆图与海图之间以及海图与海图之间难以拼接的问题,难以实现与相邻国家的海洋勘测图件的有效拼接,无法满足专属经济区和大陆架划界工作的需求,我国与周边邻国的海洋划界问题不能得到很好的解决。目前,海洋权益争夺日益加剧,实现海陆基准统一可改善海上界限和边界的划分,避免海上资源开发利用时与邻国发生矛盾甚至冲突,解决国与国之间因海洋资源利用而起的争端,维护我国海洋权益[3]。

2 国外研究进展

针对海岸带管理和应用,国际上许多相关组织和机构深入研究了海陆垂直基准转换和统一的理论及技术,尤其是无缝垂直基准面的建立,及在各种垂直参考框架中的表达。

2002年,国际测量师联合会(the International Federation of Surveyors,FIG)成立了一个专门的工作组(WG4.2),研究无缝垂直参考基准面的构建[4]。其中,2004年,Ahmed提出将WGS84椭球面作为无缝垂直参考基准面,Wells等提出了建立无缝垂直基准面的五个准则[1,5]。2006年,加拿大新布伦瑞克大学的海洋测绘组(Ocean Mapping Group,OMG)沿Saint John河建立了大地高与海图高的转换模型,并给出了该地区的局部无缝垂直基准面。

2001-2003年,英国地质局(British Geological Survey,BGS)、陆地测量部(Ordnance Survey,OS)和英国海道测量局(United Kingdom Hydrographic Office,UKHO)共同参与了ICZMap(Integrated Coastal Zone Map)项目,使用Co-tidals值和外推法建立起英国海域海图基准相对OS垂直基准面的关系模型,并应用该模型合并BGS、OS和UKHO获得的陆地和海底地形数据[6]。

美国国家海洋和大气局(NOAA)开发了区域垂直基准转换软件VDatum,该软件利用大地水准面模型、海洋动力模型与国家海洋局(NationalOcean Service,NOS)潮汐基准确定了各垂直基准面之间的关系,能够实现28种潮汐、正常高和椭球垂直基准面间的高精度转换。2001年,Gesch和W ilson等[7]应用VDatum建立了坦帕湾地区水深和地形数据的数字高程模型。

美国国家地理空间情报局(National Geospatial-Intelligence Agency,NGA)正在研究建立一个地理空间知识库(Geospatial Know ledge Base,GKB),用于形成陆地地形和水深数据的连续高程面,该数据库的元数据以最低天文潮面和WGS84椭球为参考面。NOAA、加拿大海道测量局和英国海道测量局对GKB提出了以下几点要求：1)能够存储全球的大地测量数据;2)能够处理跨海域测线,显示大区域的数据集;能够对测深数据进行分类;3)能够处理导航数据;4)包含VDatum转换功能。

确定海图基准面与WGS84椭球间的关系,关键是建立分离模型。这是一项非常重要的研究和进展。Ahmed EL-RABBANY和Ruth ADAMS详细分析了建立垂直基准面分离模型需考虑的因素和方法。建立分离模型要分两步：首先,获取离散点(通常是验潮站)上海图基准面与WGS84椭球之间的差值;然后,向近海外推建立整个海域的偏差模型。目前,世界上已有几个国家建立了各自的分离模型。

加拿大是最早研究分离模型的国家,加拿大海道测量局选择通过测量已知验潮站的椭球高的方式,直接获得海图基准面与WGS84椭球间的分离值。利用海洋动力模型和卫星测高数据,研究近海的潮汐变化建立近海海图基准面模型[4]。2004年,Wells等[5]分析了海图基准面、瞬时海面、平均海平面、大地水准面和无缝垂直基准面之间的转换关系。澳大利亚在昆士兰海域开发了AUSHYDROID模型,该模型是海图基准面在WGS84椭球中的表达模型。澳大利亚使用两验潮站的已知AUSHYDROID高建立分离模型,沿航道每点的AUSHYDROID高根据距验潮站的距离插值得到[8]。英国海道测量局研究建立的分离模型称作近海垂直参考框架(VerticalOffshore Reference Frame,VORF),利用验潮站数据和卫星测高数据建立平均海平面模型,然后联合潮汐模型以WGS84椭球为参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的转换函数就是这些潮汐基准面的模型[9]。

3 国内研究进展

我国一些学者在陆海大地水准面拼接和统一、利用卫星测高技术确定海面地形以及陆地高程和深度基准转换方面做了大量的研究,为统一海陆垂直基准准备了重要的理论和技术基础。

3.1 陆海大地水准面拼接和统一

陆地重力大地水准面和海洋重力大地水准面是两类不同的数据各自按不同原理和方法互相独立确定的大地水准面,在陆海相接区域存在拼接差,需要用适当的方法予以削弱或消除。

徐菊生等[10]讨论了综合利用地球重力位模型、地面重力资料和GPS水准测量结果进行区域性垂直基准联接的基本方法和需注意的问题。陈俊勇等[11]提出了扩展拼接技术,联合陆地实测重力数据和海洋测高重力数据,统一推算陆海局部重力大地水准面,然后用拟合参数校正中国全部海域的重力大地水准面,最大限度地削弱了拼接点和测高海洋大地水准面的系统误差。王正涛等[12]研究了将海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面拟合的处理方法,推导出海洋上大地水准面差距与高程异常之间差值的公式,并由此给出了求定平均海面相对于区域高程基准的正常高以及测高似大地水准面的计算公式。刘缵武等[13]讨论了基于有限元法衔接陆海局部区域大地水准面的数学思想,同时给出了相应的数学模型。金绍华等[14]在某陆海交界处采用距离倒数加权平均法将海洋重力似大地水准面拟合于GPS/水准数据,计算得到的(似)大地水准面精度优于3 cm。

3.2 卫星测高技术确定海面地形

海面地形是平均海面基准与大地水准面基准转换的纽带,对确定全球统一的高程基准具有重要的作用和意义。卫星测高技术是研究海洋大地测量的主要技术之一,利用长周期高分辨率、高精度的卫星测高数据,可以确定全球精细平均海面,为确定精密海洋大地水准面提供基础数据。但如何把平均海面高分离为大地水准面高和海面地形,一直是大地测量学研究中的难题。

我国学者利用卫星测高数据建立了中国海域及邻近海域的多个平均海平面模型和海面地形模型。王海瑛等[22]利用Geosat/ERM数据计算出1°×1°,利用T/P卫星测高数据计算出30′×30′分辨率的平均海平面模型。李建成等[15]利用经过编辑和环境改正后的多代卫星测高资料,通过联合交叉点平差建立了中国海及邻海2.5′×2.5′的平均海平面模型。姜卫平[16]建立了2′×2′的全球WHU 2000平均海平面模型。

翟国君[17]提出了一些改进海面地形与大地水准面可分性的方法。张赤军等[18]提出用球函数方法计算海面地形对大地水准面的影响,并列出了改正值。梁振英[19]提出采用内插外推法计算浅海海域海面地形。张子占等[20]根据GGM 01C重力场模型和卫星测高得到的平均海面高模型,构造全球高分辨率稳态海面地形,并详细探讨稳态海面地形的谱结构特性,为直接分离海面地形提供了参考。

陈俊勇等[21]利用T/P卫星测高数据确定了我国近海及邻海的海面高及其变化,并给出了相应的平均海面地形。王海瑛等[22]利用T/P卫星测高资料,采用直接差分求解法和“剪切”法获得了完整到20阶次的中国近海及邻域海面地形模型的球谐表达式。周旭华等[23]分别用IGGGRACE01S、EIGENGRACE02S和EGM 96地球重力场模型的前80阶计算出全球大地水准面,再与多颗测高卫星资料获得的平均海面高模型KMS04进行差分,构造出3种海面地形。章传银等[24]从流体动力学基本方程出发,推导出近海定常环流的高程模式,由此高程模式利用有限差分法组成观测方程,从而应用最小二乘间接平差法解算联合问题,最后联合T/P、ERS-2卫星测高和物理海洋观测数据,计算出东中国海(22°～ 41°N,116°～ 131°E)的平均海面地形。

另有多位学者联合多代卫星测高数据分别计算出平均海面模型和海洋大地水准面模型,并对其差值应用移去-恢复法和高斯滤波技术,得到海面地形模型。例如,姜卫平[16]建立了中国海域15′×15′的海面地形模型,王正涛等[25]建立了全球稳态海面地形,邓凯亮等[26]建立了中国近海2′×2′格网分辨率的稳态海面地形模型。

3.3 陆海统一高程/深度基准的建立

陆图和海图的高程和深度基准的不统一,不仅在沿海滩涂陆海图拼接时出现麻烦,而且也不利于与国际接轨。现有深度基准随时间和地点变化的特点,严重地影响测深资料的广泛应用和积累,因此有必要将陆上的高程基准延伸至海洋,建立陆海统一的高程/深度基准。

关于陆海统一的垂直参考基准面的选择,梁振英[27]认为可以选择大地水准面作为陆海共同的基准面,提出了一种建立我国陆海统一高程/深度基准的构思模式,主要应用了近海海域的海面地形信息。殷晓冬等[2]提出可采用多个验潮站测得平均海面的平均值,或统一的中国近海海面地形为零的大地水准面(最好是海洋大地水准面),或非时变大地水准面,作为全国统一的高程基准面和深度基准面。暴景阳等[28]提出以平均海面作为陆海基本垂直基准的思想。

关于测绘垂直基准相互转换与统一技术方法的研究,李毓麟[29]提出建立海洋高程基准的关键在于大陆高程基准向海洋高程基准的无缝过渡以及全球或地区统一高程基准的建立,并分析了建立我国陆海统一高程/深度基准需要研究的内容。翟国君等[3]探讨了建立海洋测绘垂直基准的必要性和具体方法,提出通过将国家高程基准等位面向海域延伸,建立以国家高程基准等位面为准的海面地形模型,统一水深和陆地高程基准。章传银等[30]讨论了联合GPS/水准、重力场探测与卫星测高等数据实现不同测绘垂直基准的相互转换与统一技术方法。赵建虎等[31]研究了一种横断面线性内插法,用于正高和海图高间的转换,解决了离散海图基准面不连续的问题,并利用该方法构造了Saint John河高程转换模型,且得到实际验证。殷晓冬等[32]探讨了基于椭球面的、连续的、非时变的垂直基准实现海陆数据垂直基准统一的方法,并建立了统一海部水深离散点和陆部等高线的多源数据无缝数字高程模型(DEM)。暴景阳[33]分析讨论了海洋测绘垂直基准的分级模式以及不同级别垂直基准的相互转换关系,提出将大地水准面通过高程零点在全球大地水准面上的垂直偏差联入国家高程基准面,用作海底地形的垂直基准。

4 结论

1)大地水准面既能描述地球的几何形状,又保留了明确的物理意义,最好采用大地水准面作为陆地高程和海洋深度的共同起算面。

2)陆海高程/深度基准的转换与统一可采用两种技术路线：第一,利用区域基准下的海面地形模型,以国家高程基准为参考面表达海图深度基准面;第二,应用陆海统一的大地水准面模型和深度基准面大地高模型,构建高程和深度基准间的转换关系模型。

3)需要深入研究的内容：研究参考椭球面、大地水准面、平均海面和海图深度基准面之间的相互关系,建立偏差模型;由卫星测高数据获取高精度的潮汐参数,构建和精化潮汐模型;以潮汐模型为基础,构建连续无缝的海图深度基准面模型;精化海域大地水准面模型。

[1] AHM ED E,ADAM S R.Relating data to a seam less vertical reference surface[R].A thens：FIG Working Week,2004.

[2] 殷晓冬,田光耀.21世纪我国面临的测绘基准面问题[J].测绘工程,2000,9(2)：26-31.

[3] 翟国君,黄谟涛,暴景阳.海洋测绘基准的需求及现状[J].海洋测绘,2003,23(4)：54-58.

[4] ADAMSR.The developmentofa vertical reference surfaceandmodel for hydrography-aguide[R].Munich：XXIII International FIG Conference,2006.

[5] W ELLSD,KLEUSBERG A,VAN ICEK P.A seam less vertical-reference surface for acquisition,management and disp lay(ECDIS)o f hydrographic data[R].New Brunswick：Departmento f Geodesy and Geomatics Engineering University of New Brunswick,2004.

[6] ADAMSR.Seam less data and vertical datum s-reconciling chart datum with a g lobal reference frame[J].The H yd rographic Journal,2004,113：10-14.

[7] GESCH D,W ILSON R.Development of a seam lessmu ltisource topographic/bathymetric elevationmodel for Tampa Bay[J].Marine Technology Society Journal,2001,35(4)：58-64.

[8] MARTIN R J,BROADBENT G J.Chart datum for hyd rography[J].The Hydrographic Journal,2004,112：9-14.

[9] ILIFFE JC,ADAMSR,ZIEBART M,et al.The VORF p rojec t-joining up land and marine data[J].GIS Professional,2006,13：24-26.

[10] 徐菊生,王建华,赖锡安,等.垂直基准定义及联接[J].地壳形变与地震,2001,21(1)：24-34.

[11] 陈俊勇,李建成,宁津生,等.中国新一代高精度、高分辨率大地水准面的研究和实施[J].武汉大学学报：信息科学版,2001,26(4)：283-289.

[12] 王正涛,李建成,晁定波.海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面的拟合问题[J].武汉大学学报：信息科学版,2005,30(3)：234-237.

[13] 刘缵武,陶大欣,姚红,等.基于有限元方法的陆海大地水准面衔接[J].地球物理学进展,2008,23(4)：1138-1142.

[14] 金绍华,暴景阳,刘雁春,等.陆海交界区域厘米级精度似大地水准面的确定[J].测绘科学技术学报,2008,25(2)：101-103,107.

[15] 李建成,姜卫平,章磊.联合多种测高数据建立高分辨率中国海平均海面高模型[J].武汉大学学报：信息科学版,2001,26(1)：40-45.

[16] 姜卫平.卫星测高技术在大地测量学中的应用[D].武汉：武汉大学,2001.

[17] 翟国君.卫星测高数据处理中海面地形与大地水准面的可分性问题[J].海洋测绘,1995,(1)：3-9.

[18] 张赤军,罗少聪.海面地形及其对大地水准面的影响[J].海洋测绘,1995,(3)：17-20.

[19] 梁振英.关于卫星测高中几个相关问题的讨论[J].测绘科学,1999,(1)：15-21.