海岸带空间地理数据垂直基准的统一

黄文骞，王双喜，苏奋振，杨晓梅

（1.海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁　大连　116018；2.中国人民解放军92899部队，浙江　宁波　315200；3.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京　100101）

海岸带空间地理数据垂直基准的统一

黄文骞1，王双喜2，苏奋振3，杨晓梅3

（1.海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁大连116018；2.中国人民解放军92899部队，浙江宁波315200；3.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101）

海岸带不同的垂直基准严重地妨碍空间地理数据的集成，垂直基准的统一已是迫切需要解决的任务。分析了我国垂直基准的现状，研究了大地水准面作为统一的垂直基准面的不足与局限性，阐述了选择参考椭球面作为统一的垂直基准面的理由和优点，以及建议在陆地采用大地水准面作为次级的垂直基准表示高程，在海洋采用理论深度基准面作为次级垂直基准表示水深，并采用WGS84参考椭球面进行垂直基准的统一。同时，还给出了陆地高程基准的转换关系和方法，以及海域深度基准的转换关系和归算方法。研究成果将使已有的大量海陆测绘资料得到更好的应用，从而为我国的社会经济、国防和海岸带的可持续发展提供更加强有力的测绘保障。

海岸带；垂直基准；国家高程基准；理论深度基准面

垂直基准是国家大地测量基准的重要组成部分，也是空间地理基础框架的重要内容。在海岸带区域，垂直基准方面存在的问题尤为突出。海岸带是海陆交互作用的过渡地带，在我国海岸带各种测绘信息中，地形图的高程基准采用1985国家高程基准或1956年黄海高程基准，海图则是以理论深度基准面作为起算面。陆地的高程基准和海域的深度基准不一致，二者的高程基准之间存在明显的差异。此外，深度基准面在各地沿海也不尽相同。在应用不同时期、不同地点的陆海图资料时，存在地形图之间、海图之间以及陆海图之间的垂直基准不一致的问题。在对海岸带陆海测量数据进行综合处理时，垂直基准的一致已成为一项迫切需要解决的任务。此外，随着科技的发展，有关学科需要提供更高精度的高程基准。为此，本文对垂直基准的统一以及相互转换关系进行了研究。

1　统一垂直基准的选择

1.1垂直基准的现状

世界各个国家和地区高程基准所普遍采用的方法是在沿海的一个（或多个）地点建立验潮站，利用长期的验潮观测资料计算出该地区的平均海平面，将这一平均海平面作为高程的起算面，从而形成局部高程基准，并认为在高程基准点处的平均海面与大地水准面重合。在我国，历史上的高程基准比较混乱，各地分别采用各个单独的验潮站平均海面作为各自的高程基准。1954年建立了黄海平均海水面系统，是由青岛和坎门两站平均海面综合建立。1956年以后统一采用黄海高程系统，该高程系统是由1950-1956年青岛大港验潮站逐时平均海面获得。1987年后启用新的高程系统——1985国家高程基准，它以青岛验潮站1952-1979年的潮位资料，取19 a的资料为一组，滑动步长为1 a，得到10组以19 a为一个周期的平均海面，然后取平均值作为最终结果。由国家测绘总局于1987年在全国统一使用，并代替原来的1956年黄海高程基准。我国的高程基准其实就是将局部地区的平均海面作为高程零点。通过对全球海域平均海面的研究表明，平均海面与大地水准面存在着较大偏差，在某些地区，这种偏差将近2 m。平均海面相对于大地水准面的起伏称为海面地形。由于海面地形的存在，平均海面就不是严格的等位面。因此基于平均海面定义的大地水准面从理论上就存在一定的局限性。

与高程基准相比较，深度基准要复杂得多，深度基准面没有统一的定义，不但各国基准不统一，而且同一国家的不同海域也不统一，同一海域的不同历史时期也不统一。深度基准面是表示海洋深度的起算面，是在平均海面以下，与平均海面的距离为基准深度L。海图深度基准面的基本定义是根据当地潮汐变化幅度选定但略高于最低潮面的一个基准面。深度基准面定义的主要目的是保证航行安全和充分利用航道。1957年以前，我国的深度基准面采用过略最低低潮面。1957年以后统一采用前苏联弗拉基米尔斯基方法，以8～11个分潮调和常数计算的理论最低潮面，即理论深度基准面。图1为各垂直基准面的关系图。

图1　各垂直基准面关系图

1.2大地水准面作为统一的垂直基准面

大地测量的一个重要任务就是确定地球形状，而大地水准面是最能表达地球形状的一个面。因此大地水准面是一个不可缺少的基准参考面。从大地测量的实用角度来说，它又是大地测量中正高系统的起算面。大地水准面是地球重力场中的一个等位面，它是一个物理曲面。只要给定一点的重力位值，那么过该点的等位面就能唯一确定，大地水准面是一个与地球最为密合的特殊等位面。它是正高系统的高程基准面，由此确定的参考系统称为大地水准面参考系统。

目前，很多大地测量学家趋于用大地水准面来定义世界（全球）高程系统（World Height System，WHS）。这是因为大地水准面与平均海面紧密相联，平均海面是个习惯被人们所理解的概念。此外，大地水准面还是地球形状的数学物理描述，是陆地高程的起算面，是海面地形的基准面，是地面数字高程模型的基础。用大地水准面作为全球统一的高程系统包括两个方面的内容：一是确定一个理想的WHS基准面W0，二是求定各国（地区）局部基准与WHS基准面W0的位差。

但是用大地水准面作为统一的垂直基准目前还存在一些争议。虽然大地水准面是一种无缝的参考面，而且物理意义比较明显，然而想要实现将大地水准面作为统一垂直参考面，在实际应用中存在许多问题。目前，大地水准面模型精度还不是很高，而且在山区和开阔的海洋区域精度更差。此外，大地水准面差距还是相对于参考椭球面来测定和计算的，在测量中还需求取大地水准面差距，其模型和计算都比较复杂。而且模型的精度随着人们的逐渐认识会变得越来越高，因此还需要不断的更新。随着电子地图的广泛应用，大地水准面模型精度的提高，其数据库也需要跟着不断更新。作为一个统一的垂直基准应该具有高度的稳定性，不应随时间和地点的变化而变化，以减少不必要的麻烦。并且在实际航海应用中，由于潮汐等因素的影响，在航海应用中考虑到航行的安全，也无法直接用大地水准面作为深度表示的基准面。

1.3参考椭球面作为统一的垂直基准面

另外一种统一垂直基准的选择是采用参考椭球面。选择一个统一的垂直基准最重要的标准就是具有无缝性，不随时间和地点的改变而变化，而且尽可能容易被理解，在提取或插入数据时不容易发生混淆。因此最简单实用的基准面就是参考椭球面。只要确定椭球参数，参考面就不会发生变化，具有很好的稳定性，不会随着时间和地点的变化而变化。在海岸带陆海交接地带，用参考椭球面作为统一的垂直基准，可以很容易地实现无缝拼接。

选择参考椭球作为统一的垂直基准最重要的一个原因就是随着卫星导航系统的快速发展，通过精密卫星定位能够获得点位高精度的三维坐标，包括精确的平面位置，以及垂直方向的大地高。特别是近年来IGS参考站和连续运行卫星定位服务系统CORS的运行和快速发展，用户能够得到精密的卫星星历，利用精密星历和卫星载波相位进行定位，不管是在动态还是静态的情况下，使得解算模糊度变得容易，从而能够容易地获得精确的三维点位坐标。统一垂直基准最重要的一条就是把过去已测数据关联到新的垂直基准上来，过去测得的大量的数据，都需要进行转换，而通过高精度卫星定位，容易实现从现有的基准面转换到参考椭球面上来。

此外，我国目前所使用的54北京坐标系和西安1980坐标系，都是属于二维坐标系统，而且椭球参数与目前国际公认的椭球参数有不同之处。目前卫星定位技术得到广泛的应用，卫星定位的测量成果是三维的，而原来的大地坐标框架是二维的和平面的。因此高精度的卫星定位技术所确定的三维测量成果，与目前国家二维大地坐标框架不能互相适配。随着空间技术和虚拟现实技术的发展，采用符合客观空间实际的三维坐标，将是一种必然的发展趋势。因此采用参考椭球面作为垂直基准也正是基于这方面的考虑。

选择参考椭球面作为统一的垂直基准，虽然不容易被人们所理解，物理意义也不明显，但在测量实际操作和应用中有着明显的优势。比如选择参考椭球面作为统一的垂直基准面，可以提高测量效率，降低测量成本。特别是在海道测量中，用差分等精密定位手段，可以得到瞬时海面高精度的大地高，而瞬时海面到海底地形面的深度可以通过测深手段测得。从而无需知道潮汐信息以及测量船只的垂直动态信息，可以直接免去验潮和动态改正，因而大幅提高了测量效率以及测量精度。水深测量包括两方面，一是深度信息的获取，二是空间定位。目前水深测量在定位方面主要是应用GPS进行定位。随着GPS的快速发展，GPS定位的坐标精度也越来越高。用户通过精密卫星定位能够获得点位高精度的三维坐标，包括平面坐标以及大地高。此外，随着对GPS定位的误差模型的精化以及整周模糊度解算方法的不断改进，不仅是GPS精密单点定位的精度得到了提高，GPS相对定位，特别是中长距离GPS-RTK定位精度也进一步得到提高。这样对于沿岸水深测量的定位，特别是大地高方面的测量精度也进一步得到改善，从而可以满足用户在水深测量中对垂直精度的要求。

当然，采用椭球大地高作为点位高程（深度）的表示，这种表示形式在实际应用中可能存在一些问题。考虑航行安全因素，可以继续沿用保守的表示方法，即用理论深度基准面表示。因此，建议利用参考椭球面高度的稳定性，用参考椭球面作为统一的垂直基准面。同时，在陆地采用大地水准面作为次级的垂直基准来表示高程，在海洋采用理论深度基准面作为次级垂直基准来表示水深。这样所有的高程（深度）信息都是基于统一的垂直基准，同时，又可以用人们所习惯的高程（深度）基准作为辅助表示。在实际应用中，可以根据不同的用户选择不同的基准来表示。比如，船舶在航行时，可能更多的是需要知道航行路线前面的水深情况，为了保证安全，过去一直用保守深度来表示，即采用深度基准面。而对于一些特殊航道、海峡等，其瞬时海面的深度信息将非常有实际意义。对于这种情况，则可以通过潮汐预报等手段来获得瞬时海面的深度信息。

2　统一垂直基准的建立

国际地球自转服务（IERS）中心局每年将全球站的观测数据加以综合处理和分析，得到一个国际地球参考框架（ITRF）。建立一个精确的国际地球参考系统（ITRS）一直是天文学家、大地测量学家和地球物理学家们长期努力的目标。随着空间技术的不断发展、全球跟踪站数量的增加及均匀分布，ITRF坐标的精度已经越来越高。用参考椭球面作为统一的垂直基准，应该采用国际地球参考框架（ITRF）所定义的参考椭球。

而这里我们采用统一的垂直基准面为WGS84参考椭球面。WGS84是目前GPS所采用的大地坐标系。随着GPS的广泛应用，使得WGS84也逐渐成为全球广为采用的基准。此外，在目前的海道测量和陆地地形测量中，主要也是用GPS来进行测量。

更重要的是，目前采用的WGS84（G1150）与国际地球参考框架ITRF2000基本一致，因此与国际地球参考框架能够彼此兼容。WGS84采用了IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值，与大地参考系GRS80的椭球参数基本一致。因此，基于ITRF下的GRS80椭球高可以认为是WGS84的椭球高。

用WGS84参考椭球面作为统一的垂直基准面，一个重要的优势就是在今后的测量工作中可以大大提高测量的效率。GPS定位精度的提高，可以实现直接三维大地测量定位，从而传统的高程控制网和平面控制网不需要分离。在水深测量中，可以直接用GPS定位获得海底地形的大地高，不需要验潮站的实时水位改正。而在实际应用中可能需要多种基准的共同表示，包括1985国家高程基准和理论深度基准面，通过各区域的基准转换关系，也很容易恢复各种基准的表示。

3　垂直基准的相互转换

3.1陆地高程基准的转换

我国目前同时存在1956黄海高程基准与1985国家高程基准。以1956年黄海高程系推算出青岛水准原点的高程为72.289 m，以1985年国家高程基准推算出青岛水准原点的高程为72.260 m，因此在使用不同高程基准的地图之间转绘资料，就会遇到高程基准面改正问题。改正方法如下：

式中：H黄为1956年黄海平均海面上的高程；H新为1985年高程基准面上的高程；Δh为改正系数（值为0.029 m）。

要确定1985国家高程基准与WGS84椭球参考面的转换关系，在沿海地区，主要就是确定各水准点的精确的大地高，也就是测定大地水准面差距N。目前这方面的研究比较多，方法也相对比较成熟。此外，现代的GPS精密定位技术可以得到单点精密的大地高，单点测定大地高的精度能达到或优于厘米级水平。因此在对单个水准点进行基准转换时，可以直接测定其大地高，也避免了路线传递误差的积累。也就是说不管水准点基于1985国家高程基准的精度如何，只要确定水准点的大地高就可以得到此区域的高程转换关系。从某种程度上说，我国的大陆海岸线长度约为1.8万km，若都用这种方法来确定其转换关系，其工作量可能比较大，但若是针对一些重点区域采取这种方法来进行基准转换是很有意义的。

3.2海域深度基准的转换

理论深度基准面是离散的参考面，在我国沿海不同海区都有着不同的理论深度基准面，因此，统一归算模型很难建立。可以通过插值方法，首先在各主要点上建立深度基准面到WGS84参考椭球面的关系，然后进行内插或者外推，这样就可以把各海域的水深数据都转换到WGS84参考椭球面上来。

由于历史测量成果所采用的测量方法以及手段都不一致，造成测量精度的不同。我国目前的各海图的深度基准面是通过建立短期验潮站与长期验潮站的共同推算来确定的。由于各海区的潮汐性质不尽相同，无法建立统一模型对所有的深度基准面进行基准转换。根据海道测量规范要求，主要水准点应与国家水准点进行联测。因此，大多数沿海水深测量的深度基准面都与国家高程基准建立了联系。图2是2005年福建沿海测量建立的假山短期验潮站各基准面的关系图。

图2　假山验潮站关系图

从图2可以看出，在假山验潮站推算出的理论深度基准面与1985国家高程基准的差值L0= 3.481 m，这样就可以确定此海区的理论深度基准面到1985国家高程基准的转换关系。如果只有深度基准面与平均海面的关系，可通过求取当地平均海面与WGS84参考椭球面的关系，从而获得各深度基准面到WGS84参考椭球面的转换关系。用这种方法把过去的水深数据转换到WGS84参考椭球面上是比较直接，相对来说也比较可行。

想要得到各理论深度基准面的椭球大地高，还有一种方法可以对各海域的深度基准面与WGS84参考椭球面进行转换。主要是通过在区域范围内建立同潮时图（Co-tidal）来确定各深度基准面的转换关系。这种方法可以大面积地确定其转换关系，而且一旦确定就可以一直保持和应用，这种方法有着很大的实用价值。但是现有的方法确定同潮时图的精度不是很高，因此基准转换的精度受到限制，还有必要对此进行全面的讨论和研究。

4　结论

垂直基准是现代大地测量基准的一个重要组成部分，由于传统的建立高程基准起算面的方法存在缺陷，造成现在的高程系统比较混乱。本文对垂直基准的现状以及垂直基准的建立过程进行了详细的讨论，提出了以参考椭球面作为统一的垂直基准。通过分析表明，用参考椭球面作为统一的垂直基准具有一定的优势，而且可以大大提高测量作业的效率。

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Research on Seamless Vertical Datum for Coastal Spatial Geographical Data Integration

HUANG Wen-qian1，WANG Shuang-xi2，SU Fen-zhen3，YANG Xiao-mei3
1.Department of Hydrography and Cartography，PLA Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.Troop 92899，the People's Liberation Army of China，Ningbo 315200，Zhejiang Province，China；
3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China

One of the main obstacles to coastal spatial data integration is different definitions of vertical reference frames，so it is urgent to unify vertical datum.This paper analyzes the status of the vertical datum in China，discusses the defects of using the geoid as unified vertical datum，and expounds the reasons and merits of using the reference spherical surface as unified vertical datum.It is suggested that geoid be used as sub vertical datum to represent elevation on land，the lowest normal low water as sub vertical datum to represent depth in the sea，and WGS84 reference spherical surface be used to unify vertical datum.Meanwhile，this paper presents the conversion relation and method of altitude datum on land，as well as the conversion relation and calculating method of sounding datum in the sea area.The research results will enable substantial existing surveying and mapping data to be better used，thus providing a solid support for China's sustainable socio-economic development，national defence and coastal zone exploitation.

coastal zone；vertical datum；national height datum；lowest normal low water

P22

A

1003-2029（2016）03-0017-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.003

2015-12-10

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA12A406）；国家自然科学基金资助项目（40371097，40971224，41271409）；海军大连舰艇学院2110工程三期资助学术预研课题（DLJY-XY2015018）

黄文骞（1962-），男，博士，教授，主要从事海洋测绘、遥感、模式识别研究。E-mail：hwenqian@163.com