海陸垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換與地形數(shù)據(jù)集成應(yīng)用研究

邢喆，奚歌，樊妙，李鵬，李四海

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，陸地不可再生資源的日益枯竭，海洋開發(fā)戰(zhàn)略已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。由國(guó)家海洋局承擔(dān)的“我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)突出了海洋開發(fā)戰(zhàn)略的主題，“數(shù)字海洋”作為其中的重要組成部分，得到專項(xiàng)的足夠重視。構(gòu)建“數(shù)字海洋”首先需要建立地理空間數(shù)據(jù)框架，其核心是在陸海垂直基準(zhǔn)統(tǒng)一基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)陸海地形數(shù)據(jù)的無縫集成。

通過本次專項(xiàng)調(diào)查獲取了大量我國(guó)海島海岸帶區(qū)域航空LIDAR 數(shù)據(jù)和近海海底多波束/單波束水深數(shù)據(jù)，然兩者高程基準(zhǔn)并不統(tǒng)一，專項(xiàng)獲取的航空LIDAR 數(shù)據(jù)以大地高作為高程基準(zhǔn)，水深資料則采用深度基準(zhǔn)。以上兩種基準(zhǔn)面作為海陸高程/水深的起算面，不可避免存在陸地高程和海洋深度數(shù)據(jù)不能有效銜接的缺陷，故亟待構(gòu)建航空LIDAR 數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其歸算到統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)下，為“數(shù)字海洋”基礎(chǔ)框架構(gòu)建提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 機(jī)載LIDAR 數(shù)據(jù)

機(jī)載LIDAR 是一種安裝在飛機(jī)上的激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，無需任何或僅需少量地面控制點(diǎn)，獲得高精度、高密度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可用來構(gòu)建目標(biāo)物的三維立體模型（張玉方等，2008）。LIDAR系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，為獲取高分辨率地球空間信息，提供了一種全新的技術(shù)手段。LIDAR 數(shù)據(jù)的處理包括航跡重構(gòu)、激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)處理、“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)處理以及DEM 構(gòu)建等過程，流程如圖1 所示。

圖1 LIDAR 數(shù)據(jù)處理流程

1.2 海底地形資料

自單波束和多波束海底聲吶探測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用以來，獲取全面、精細(xì)的海底水深數(shù)據(jù)變得切實(shí)可行。數(shù)據(jù)采集階段結(jié)束以后，原始數(shù)據(jù)首先經(jīng)導(dǎo)航信號(hào)編輯、噪聲編輯、吃水改正、聲速改正、潮位改正等前期的數(shù)據(jù)處理過程，獲得大量水深離散點(diǎn)，再用有一定結(jié)構(gòu)關(guān)系的網(wǎng)格點(diǎn)代替離散點(diǎn)，通過數(shù)值插值方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的海底水深離散數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插網(wǎng)格化處理，從而構(gòu)建生成海底DEM，進(jìn)行各種應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 海底地形數(shù)據(jù)處理流程

2 海陸地形轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)

由于上述兩種資料采用基準(zhǔn)面的不同，在垂直方向存在較大差異，無法滿足航空DEM 和海底DEM 拼接的需要，必須建立兩種數(shù)據(jù)源垂直基準(zhǔn)向地理信息表達(dá)通用高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型。

在資料采集及資料成果在垂直方向上主要涉及以下基準(zhǔn)面（許家琨等，2011），如圖3 所示。

圖3 垂直方向上各基準(zhǔn)面關(guān)系圖

圖3 中，H 為L(zhǎng)IDAR 觀測(cè)數(shù)據(jù)大地高；Hr 為正常高；ζ 為高程異常值；X 為驗(yàn)潮站水準(zhǔn)點(diǎn)與1985 國(guó)家高程的垂直距離，即驗(yàn)潮站水準(zhǔn)點(diǎn)在1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)中的高程；ΔH 為驗(yàn)潮站水準(zhǔn)點(diǎn)與水尺驗(yàn)潮零點(diǎn)的垂直距離；MSL 為平均海面到水尺零點(diǎn)的垂直距離；Δh 為當(dāng)?shù)仄骄Ｃ媾c1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的垂直距離，即海面地形；h 為從深度基準(zhǔn)面起算的成果水深；h1 為海底在1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)中的高程負(fù)值，即海陸拼接后使用統(tǒng)一高程基準(zhǔn)的海底地形高程。

由圖3 知，以下關(guān)系式成立：

通過式（1） 可將LIDAR 測(cè)得的大地高歸算到正常高，通過式（2） 可將水深成果從理論深度基準(zhǔn)面歸算至1985 國(guó)家高程，至此構(gòu)建了區(qū)域高程基準(zhǔn)和深度基準(zhǔn)的相互轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型。

由式（1）、（2） 可知，實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確計(jì)算ζ、Δh 及L。

（1） ζ 的計(jì)算方法：采用GPS 觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)方法獲取測(cè)區(qū)內(nèi)的大地高和正常高，通過高程擬合，建立兩者之間的轉(zhuǎn)換模型。

（2） L 的計(jì)算方法：我國(guó)深度基準(zhǔn)面采用由13 個(gè)分潮（Sa，Ssa，Q1，O1，P1，K1，N2，M2，S2，K2，M4，MS4，M6） 確定的理論最低潮面（簡(jiǎn)稱TLT）。根據(jù)《海道測(cè)量規(guī)范·GB12327—1998》TLT 計(jì)算公式計(jì)算求得。也可取海圖（及潮汐表）采用值。

（3） Δh 的計(jì)算方法：采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法，按照國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量要求，直接聯(lián)測(cè)1985 國(guó)家高程的水準(zhǔn)點(diǎn)至驗(yàn)潮站主要水準(zhǔn)點(diǎn)（或工作水準(zhǔn)點(diǎn)） 的高差x，根據(jù)下式計(jì)算得到該驗(yàn)潮站平均海面的高程Δh：

式中，ΔH 通過常規(guī)測(cè)量方法可得。

3 應(yīng)用研究

在上海海岸帶區(qū)域，選取12 個(gè)GPS 控制點(diǎn)，其中包括3 個(gè)上海市E 級(jí)GPS 控制網(wǎng)點(diǎn)。以該3個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，測(cè)量其余9 個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)WGS84 坐標(biāo)（B，L，H），同時(shí)按照四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，獲得其正常高。同時(shí)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻采集了10 個(gè)校核點(diǎn)的WGS84 坐標(biāo)，按四等水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)其正常高。

在上海沿岸布設(shè)5 個(gè)臨時(shí)水位站，點(diǎn)位布設(shè)如圖4 所示。采用直立式直讀水尺，人工觀測(cè)潮水位，潮位觀測(cè)漲、落潮均按每半小時(shí)觀測(cè)一次，為在其周邊2 m 等深線以淺海域單波束測(cè)量提供水位改正數(shù)，將測(cè)深成果歸算至深度基準(zhǔn)，水深測(cè)量測(cè)線布設(shè)間隔為100 m。

基于外業(yè)觀測(cè)成果，采用二次曲面擬合方法，求解出陸上各觀測(cè)點(diǎn)的高程異常值，并通過檢校點(diǎn)進(jìn)行了精度評(píng)定，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可見，高程擬合的殘差基本在厘米級(jí)，中誤差為0.05 m，滿足專項(xiàng)海岸帶調(diào)查DEM 數(shù)據(jù)處理1 ∶10 000 比例尺精度要求（國(guó)家海洋局908專項(xiàng)辦公室，2006）。

對(duì)臨時(shí)水位站的水位觀測(cè)值進(jìn)行了潮位計(jì)算及校核，并繪制成相應(yīng)的水位過程線作合理性分析，根據(jù)測(cè)量瞬時(shí)水深和相應(yīng)潮位計(jì)算出測(cè)點(diǎn)高程，經(jīng)解算求得Δh = 0.023 m；依據(jù)《2011年潮汐表》中，得L=0.202 m，再由式（2） 即可建立深度基準(zhǔn)面和1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)之間的關(guān)系。

圖4 上海市海岸帶地區(qū)外業(yè)觀測(cè)點(diǎn)位布設(shè)圖

圖5 擬合高程與水準(zhǔn)高程值對(duì)比

利用測(cè)區(qū)LIDAR 資料和單波束觀測(cè)結(jié)果分別構(gòu)建了陸、海DEM，并基于轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了拼接，圖6（a） 顯示了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換前陸海拼接模型（大地高和深度基準(zhǔn)面），可以明顯地看出陸海拼接處有一縫隙，地形剖面變化值顯著；圖6（b） 顯示了統(tǒng)一到1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)后的海陸拼接模型，可以看處，地形剖面變化值平緩，海陸接邊處實(shí)現(xiàn)了無縫拼接。

4 結(jié)論與展望

圖6 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換前后海陸拼接模型對(duì)比

本文在分析研究海陸地形轉(zhuǎn)換構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上，以上海市海岸帶為例，采用高精度GPS 測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量，確定了區(qū)域大地高和正常高之間準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并結(jié)合潮位數(shù)據(jù)，應(yīng)用水深觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立起深度基準(zhǔn)面與1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了海陸高程數(shù)據(jù)的無縫拼接，研究成果可為“數(shù)字海洋”構(gòu)建、海洋公益性數(shù)據(jù)服務(wù)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警等提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。但本文數(shù)據(jù)源多依靠外業(yè)觀測(cè)手段獲取，對(duì)于資料稀缺或難以施測(cè)區(qū)域的應(yīng)用有待進(jìn)一步深入研究。

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