基于云计算的水深测量潮位改正体系架构探索与实践

彭文祥

（1.上海市地质调查研究院，上海 200072；2.上海市地质资料信息专业技术服务平台，上海 200072）

水深测量是智慧海洋建设、陆海统筹地质环境监测预警、海岸带与海洋灾害监测预警等研究领域最基础的工作。在现代海洋测绘中，随着GNSS 技术、单波束、多波束测深技术的进步，水深测量的定位技术与测深技术的精度能满足水深测量的要求，但因水位是动态变化的，需要将瞬时水位改正到最低理论基面或其他基面，以保证航行安全。潮位改正（又称水位改正）已成为水深测量的主要技术难题[1]，其精度直接影响到最后测深数据的质量。对于沿岸水深测量的潮位改正，目前广泛使用的方法（为了叙述方便，以下简称为“广泛法”）为：首先使用已有长期潮位站，或临时潮位站进行实时水位观测,然后基于图解法、解析法、分带法[2]、时差法[3,4]或最小二乘拟合法[1,5]利用单站、双站、三站或多站改正模式，以推算研究区任意位置某时刻的瞬时水位，最后进行潮位改正。随着GNSS 技术的发展，进行了RTK、PPK、PPP 等无验潮方式潮位改正探索[6,7]。对于近海水深测量的潮位改正，也可采用广泛法，但因测区大，不易布设验潮站，一般可采用基于余水位的潮汐推算法（简称为“余水位法”）[8,9]。对于水深小于200 m 的远海水深测量的潮位改正，尽量采用广泛法与余水位法实施，若无法收集实测验潮站数据，可采用潮汐预报法[10]或GNSS 无验潮方式进行潮位改正。

目前潮位改正主要使用“广泛法”，主要利用国外的Hypack 软件进行潮位改正，该软件只支持双站与三站潮位改正[11]，若有多站，需将多站进行人工分带，使用非常繁琐，效率低下，显然不实用于大范围的海岸带测深数据的潮位改正。国内已报道的水位改正软件[12-15]，主要针对的潮位站数量不多时，可实施较好的潮位改正，但在潮位站较多的情况下（如超过20 个潮位站），没有高效的解决方法。本文在分析国外Hypack 软件潮位改正方法的基础上，将云计算与数据库技术集成，进行了潮位改正技术的体系架构探索与实践，并开发了完全具有自主知识产权的潮位改正信息系统，以期对大范围、涉及大量潮位站的水深测量数据进行高效的潮位改正。

1 潮位改正方法

潮位改正的理论方法比较多，本研究主要涉及广泛法的单站改正模型、双站改正模型与三站改正模型[1,2,5,16]，这些方法为后续系统研制奠定基础。

1.1 单站改正模型

在单站潮位站的有效控制距离内，以时间为横轴，潮高为纵轴，绘制潮位曲线。按照水深点的测量时间，在潮位曲线上内插潮位值，即可进行单站的潮位改正。

潮位数据测量的值是每10 分钟（或其他时间间隔）一次潮位数据，根据测量规范不满足要求，需要对潮位数据进行插值（每1 分钟一次）。插值方法可采用样条函数插值法、多项式函数插值法和三角多项式插值法。

1.2 双站改正模型

1.2.1 分带样条函数法

根据A、B 两站同步观测数据，利用二次样条插值方法，计算出相同时刻的最大潮高Δh，即可求得分带数。同时计算A、B 两站的同相潮时差tΔ ，这样，可求出双站的同相潮时tAi、tBi和同相潮高ZAi、ZBi。

根据图解法分带原理，各内插带的同相潮时和同相潮高可由式（1）与（2）求得：

式中： i = 1,2,3...N 为节点序号；p = 1,2,...k-1,带号；k 为分带数。

求得各内插站的型值点后，即可按照二次样条函数的数学模型，得到任意时刻的水位改正值。

1.2.2 直接计算法

如图1 所示，A、B 为验潮站，根据潮位数据，需要计算S 点的改正数。S’为S 在潮波传播方向AE 上的投影点，B’为B 在潮波方向上的投影点，具体计算如下：

图1 双站水位改正示意图Fig.1 Schematic diagram of water level correction of two stations

（1）根据A、B 站的同步观测数据可求同相潮时差ΔtAB。

（2）计算A 至B 的坐标方位角TAB、潮波传播的坐标方位角TAE、A 至S 的坐标方位角TAS，然后根据式（3）与（4）计算距离L与1L。

（3）由于潮波传播均匀，可根据式（5），计算S 和A 的同相潮时差。

（4）以定位时刻ts为基准，可求A、B 站同相潮时和同相潮高。

同相潮时为：

1.3 三站潮位改正模型

1.3.1 计算法

如图2 所示，A、B、C 为三个验潮站，S 为待计算的水深点水位，根据式（9）计算D 点的瞬时水位Dh,其中1x根据式（10）计算。

图2 三站水位改正示意图Fig.2 Schematic diagram of water level correction for three stations

从潮波传播的角度来看，a、b 站位于同一潮波的不同位置，所以还要考虑在时移中an与bn的相似性，即把a 对应的潮时tn都减上一个潮时差t，其对应的水位bn-t与an的相关系数见式（15）。

从式（15）可知，不同的t，an与bn-t的相关程度是不同的。如果t=t0,Ra b(t0)达到最大值，an与bn-t最相似，那么t0即为要求的两站间的潮时差。

求t0的方法可采用逐步试验比对法，取R AB(t0)值最大者的t为t0,有了t0再求得定位时刻tp与a、b 两站同相潮时。这样，就可以利用两站同步观测资料求两站间任意点、任意时刻的水位改正数。

对于多站潮位改正来讲，采用三角剖分法，根据三站或双站的潮位改正模型进行改正。

2 潮位改正系统的架构

潮位改正系统的总体架构分为云计算层、数据层、方法层与应用层，如图3 所示。为了保证数据的安全与高效使用，还需要建立安全保障体系与接口服务体系。

图3 潮位改正系统的总体架构Fig.3 Overall architecture of tide level correction system

2.1 云计算层

云计算（cloud computing）具有资源池化、弹性伸缩、安全可靠、需求定制、节约资金等优点[17]，其服务模式主要有基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）、功能即服务（FaaS）。基于云计算环境，当需要进行大量潮位站与大范围测深数据处理时，通过云管理平台自动扩展资源，并通过MapReduce算法[18]与潮位控制方案结合，高效进行潮位改正。

2.2 数据层

为了满足多方面的需求如海图编制、陆海统筹的海洋环境变化监测等，需要管理多基面（吴淞基面、黄海基面、最低理论潮面等）、多坐标系统（北京54、WGS84、国家2000 等）的数据。利用时空大数据技术，将海洋测绘的数据、潮位数据、潮位控制方案数据、潮汐数据等多源异构数据统一汇集，建立时空数据仓库。

2.3 方法层

分析国际海道测量软件Hypack 的数据格式，对Hypack 文件进行解析、分带、合并等运算，以便开发的潮位改正软件可以与Hypack 软件完美结合。分析潮位控制方案数据，对于CAD 格式的潮位控制方案数据，提取潮位站数据及其连接数据，完成潮位控制方案的分带；根据测量规范[16]，采用分带、分区和时差法时，需要满足相邻验潮站之间最大同步或同相潮高差不大于1 m，最大潮时差不大于2 h，因此需要提供潮位站部署验证方法。根据潮位改正的原理，在分带的基础上，自适应进行单站、双站、三站、多站的潮位改正。对于近海水深测量，若没办法布设验潮站，可以采用基于余水位的潮汐推算法[9]进行潮位改正。对于水深小于200 m 远海水深测量时，若无法收集实测验潮站数据，可以采用潮汐预报法或GNSS 无验潮方式进行潮位改正。

2.4 应用层

潮位改正后的水深数据，具有非常广泛的应用领域，可以进行海图制作、滩涂资源评价、冲淤分析、水下地形变形分析等，为智慧海洋与透明海洋的建设提供基础数据。

2.5 安全保障体系

在云计算环境中，数据的安全保障尤为重要，除了采用常用的网络安全技术如防火墙、数据加密与智能卡技术外，还需要采用新兴的网络安全技术如零信任、量子技术、通用人工智能、区块链等[19]。

2.6 接口服务体系

在云计算环境中，数据即服务（DaaS），功能即服务（FaaS），将DaaS、FaaS 等建立接口服务体系，以供外部系统调用。

3 潮位改正系统的实现

Web 技术已从Web1.0 发展到Web3.0[20]。Web1.0 即第一代互联网，主要实现了信息的展示。Web2.0 即第二代互联网，主要实现信息的动态交互，也是目前广泛使用的模式。Web3.0 即第三代互联网，将实现智能交互以及沉浸式交互。本次主要利用Web2.0 技术、C#、PostgreSQL 数据库等研制了潮位改正系统。

3.1 潮位控制方案及其分带文件生成

潮位控制尽量利用有关部门在岛礁码头上设立的长期验潮站，原有潮位站的密度不足时，按要求进行适当增设，采用长期验潮站和临时验潮站联合进行水位控制。测量区沿岸及岛屿上已有验潮站的区域，不再设站，直接利用其验潮数据。使用验潮数据前，要确认其潮位基面关系并可将潮位数据转换至所要求的深度（高程）基面上。设立临时验潮站时，若水下地形复杂、水文气象复杂区域设站间距不大于20 km；潮流性质一致、水深大于20 m、无突变水下地形，设站距离可适当延长。本次研究的潮位控制方案采用上海海岸带地质调查[21]的控制方案（图4）。水深测线超过7 000 km，潮位站超过20个，潮位改正分带有双站、三站、多站，若采用交互式的方式划分区域进行潮位改正，非常繁琐，效率非常低。利用方法层的潮位控制方案解析方法，自动生成分带文件非常高效，为后续潮位改正奠定坚实基础。

图4 潮位控制方案示意图Fig.4 Schematic diagram of tide level control scheme

3.2 潮位改正流程

将Hypack 文件与潮位控制方案结合，潮位改正的流程见图5。根据章节3.1 的潮位控制方案解析的分带文件、Hypack 格式的测深数据、验潮站的潮位数据、潮波传播方向等，系统提供计算法、时差法进行双站、三站、多站的潮位改正，并可同时进行多基面的潮位数据改正。

图5 潮位改正流程Fig.5 Tide correction process

3.3 潮位数据核对

为了保证潮位改正的正确性，需要对潮位数据进行核对，其曲线见图6。若发现潮位数据有粗差，可进行编辑修改。该项功能非常重要，因潮位数据的粗差直接影响改正后水深数据的精度。采用数据库的版本管理技术，可同时管理原始数据与修改后的数据。

图6 潮位数据曲线图Fig.6 Tide level data graph

3.4 验证潮位站部署是否满足规范

根据《海道测量规范》判断潮位站的部署是否满足规范。《海道测量规范》规定[16]：相邻验潮站间最大同步或同相潮高差不大于1 m；最大潮时差不大于2 h；潮汐的性质基本是一样的。主要思路如下：

（1）利用时差法计算相邻潮位站的最大潮高差与最大潮时差（表1）；

表1 潮时差与潮高差计算结果Table 1 Calculation results of tidal time difference and tidal height difference

（2）与规范比对，判断是否满足规范，若不满足规范，输出相关潮位站的信息。

如表1 所示，有的验潮站间的潮高差大于1 m，不满足规范要求，不能使用这些验潮站的数据进行潮位改正，需要优化潮位控制方案或重新测量。

3.5 质量控制

质量控制：根据测量规范[16]，检查线总长应不少于主测线总长的5%。在不同的水深范围，深度测量的极限误差要求是不一样的，如在0～20 m 水深范围，极限误差为±0.5 m；>100 m 水深范围，极限误差为±0.03Z（Z代表水深，单位为m）。

研究思路：选主测线与检查线，求交点，分别查找交点最近点的深度值，然后计算互差（表2），统计结果。

表2 交叉法的计算结果Table 2 Calculation results of the cross method

3.6 潮位改正模型的精度评估

利用某年某月某日的测深数据，以及A、B 与C 三个验潮站的潮位数据，分别采用自主研发的软件与国际Hypack 软件进行了三站潮位改正与双站潮位改正，比对结果汇总见表3。

表3 与Hypack 软件的比对结果Table 3 Comparison results with Hypack software

实测数据验证结果表明（表3）： 自主构建的潮位改正模型与国际测深数据处理Hypack 软件计算的改正数，最大互差为0.01m。然而，《海道测量规范》（GB 12327-2022）规定水位改正精度通常为0.1m。因此，利用所构建的模型进行潮位改正，其计算结果满足规范要求，完全可以在实际工作中应用。

4 结论

本文将云计算与潮位改正理论方法相结合，探索了潮位改正系统的框架；利用数据库与Web 技术研制了具有完全自主知识产权的通用潮位改正系统，为海图制作、陆海统筹的海洋环境变化监测预警，以及智慧海洋建设提供坚实的潮位改正技术支撑。该系统将数据管理与潮位改正有机结合，可提高工作效率。可处理的潮位站与文件数没有限制，只需准备好潮位控制方案、潮位数据与Hypack的测深数据文件，一键即可完成大量潮位站与大范围测深数据的潮位改正工作。系统可将测线编号自动入库，为应用系统开发奠定基础，可以自适应（不分单站、双站、三站、多站）改正潮位数据，并可同时对多基面数据（不分吴淞基面、黄海基面、理论基面）进行潮位改正。今后将研究基面转换模型、利用GNSS-R 遥感技术获取潮位数据的实用方法，并通过5G 网络传输验潮站的实测数据，以实现水深测量数据的实时潮位改正。