垂直基準在海洋測繪中的建立和轉(zhuǎn)換

許文彬

（1.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013）

垂直基準在海洋測繪中的建立和轉(zhuǎn)換

許文彬1，2

（1.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013）

海洋測繪是一項非常復(fù)雜的工作，其因為選取的基準面的不同結(jié)果也會不同。所以想要建立垂直基準，就必須先實現(xiàn)水深圖和海岸地帶地形圖想拼接。本文主要分析了海洋測繪當中的多個垂直基準面之間的關(guān)系和海洋測繪垂直基準應(yīng)當如何建立和轉(zhuǎn)換，并且提出一定的建議，希望可以幫助相關(guān)一線工作者。

海洋測繪；垂至基準；高程基準

沿海水深的測量、近海水深的測量和海岸地形的測量在垂直方向上均設(shè)計到了基準面的問題，目前海洋測繪工作匯中所使用的基準面有2000國家大地坐標系、參考橢球面、1985國家高程基準、大地水準面、深度基準面和平均海面等。當前的海岸地帶的地形測量和水深測量都采用的是不同的垂直基準面，所以所測得的數(shù)據(jù)也因為基準面的不同而不同。這就需要將測量成果的數(shù)據(jù)通過一定的轉(zhuǎn)換方式達到統(tǒng)一基準上時，才能夠?qū)⑺械臏y量數(shù)據(jù)成果無縫的拼接和合成，進而形成一幅完整的海洋測繪圖。

1.海洋測繪中多個垂直基準之間的關(guān)系

目前我國的海洋測繪垂直基準是以CGCS2000坐標系作為垂直基準進行深度測量。海洋勘測、海洋開發(fā)都必須先建立統(tǒng)一的海洋測繪基準。我國的海洋測繪基準主要問題是因為陸地和海洋不是使用同一基準面所造成的。海洋測量定位手段主要為GPS定位。海洋測量工作及其成果和多個垂直基準面之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1當中的H0表示G P S天線與CGCS2000參考橢球的垂直高度距離，也可以成為GPS大地高；H1表示平均海平面至CGCS2000參考橢球的垂直高度距離，也被稱為海面大地高；H2表示換能器和海底的垂直距離，主要是用于測量瞬時水深；H3表示GPS天線至換能器表面的垂直高度距離；H4表示CGCS2000參考橢球與海底的垂直高度距離，也被稱為海底聲納信號反射面的大地高；ξ表示為大地水準面和平均海面的垂直高度距離，也被稱為海面地形；N表示大地水準面和WGS84參考橢球的垂直距離，也可以成為大地水準面差距；L表示為從平均海面作為基準面算出的理論深度基準面數(shù)值；h表示深度基準面與海底聲納信號反射面的垂直高度距離，也被稱為海圖水深。

由上表能夠直接得出：

利用H0計算h的主要問題在于需要獲取準確的平均海面大地高H1、如果已經(jīng)了解大地水準面的距離N，則還需要建立大地水準面起算的海底地形高程，即N-H4。當前利用衛(wèi)星進行測量，然后進行計算所得出的平均海面大地高度的精度在10cm以內(nèi)。利用該圖標內(nèi)的數(shù)據(jù)能夠利用GPS大地高H0精密的轉(zhuǎn)換海圖成果水深h。

2.海洋測繪垂直基準的建立和轉(zhuǎn)換

目前我國普遍都是采用CGCS2000坐標系結(jié)合高斯投影的手段對海岸地形和水深進行測量，所以，海岸地形圖和海圖數(shù)字成果能夠在以平面的形式展現(xiàn)在統(tǒng)一圖表之內(nèi)，但是垂直方面卻具備比較大的差異。因為采用的是2000國家大地坐標，但是海圖是使用的當?shù)氐臉藴噬疃茸鳛榛鶞?，所以要想將地形圖和海圖進行憑借，就務(wù)必要求將海洋測繪的垂直基準轉(zhuǎn)換技術(shù)熟悉掌握，建立當?shù)厣疃然鶞屎透叱袒鶞实霓D(zhuǎn)換模型。

CGCS2000坐標系的定義和實現(xiàn)，參考橢球的定義常數(shù)和導(dǎo)出常數(shù)以及相關(guān)的正常重力公式，坐標系的幾點說明如下。圖2為CGCS2000坐標系的示意圖

原點在包括大氣、海洋的整個地球的質(zhì)量中心；長度單位為米，該尺度同地心局部框架的TCG時間坐標一致；定向在1984.0時和BIH的定向相同；定向會隨著時間的演變由整個地球的水平結(jié)構(gòu)運動無凈旋轉(zhuǎn)條件保證。由圖2所示，原點：地球的質(zhì)量中心；Z軸：指向IERS參考極方向；X軸：IERS參考子午面與通過原點且同z軸正交的赤道面的交線；Y軸：完成右手地心地固直角坐標系。CGCS2000的參考橢球為一等位旋轉(zhuǎn)橢球。等位橢球（或水準橢球）定義為其橢球面是一等位面的橢球。CGCS2000的參考橢球的幾何中心與坐標系的原點重合，旋轉(zhuǎn)軸與坐標系的z軸一致。參考橢球既是幾何應(yīng)用的參考面，又是地球表面上及空間正常重力場的參考面。

2.1水準聯(lián)測法

利用幾何水準測量方式，根據(jù)國家3、4等水準測量規(guī)定，直接聯(lián)測2000國家大地坐標系的水準點至驗潮站水準點的高差x，可以利用以下公式計算出驗潮站的平均海面高程△h：

在該公式中，△H可以利用常規(guī)的測量方法得到。

2.2固定點比較法

這種測量法主要是通過當?shù)仄骄Ｃ孀鳛楦叱袒鶞拭娴暮D或路地圖和2000國家大地坐標系為坐標高程準面的同一個海區(qū)的現(xiàn)行海圖上，發(fā)現(xiàn)共同的陸地上固定點，進而了解固定點在使用不同的高程基準面時的高程差?？梢栽趦煞鶊D上，選取多個固定點分別進行計算，將計算出的結(jié)果之間進行對比和校驗，然后選取最可靠的平均值△h，以此便可以極大程度的提高平均海面高程△h的準確度和可靠度。

2.3潮信資料法

將當?shù)氐钠骄Ｃ孀鳛楦叱袒鶞?，再將海圖上所記載的驗潮站大潮升數(shù)減去平均的海面數(shù)值，以此便可以得到當?shù)氐钠骄Ｃ嫫鹚愕钠骄蟪备叱泵娴母叨龋倮?000國家大地坐標系的現(xiàn)行海圖上所記載的同一驗潮站的大潮升數(shù)值減去平均海面數(shù)值，便可以得到2000國家大地坐標系的高程基準起算的平均大潮高潮面的高度。利用以上的兩個大潮平均高潮面的高度所得差便是△h。在計算△h時還需要了解海圖的歷史和出版年份，務(wù)必認真核對海圖中所采用的高程基準是否準確；如果海圖上記載了多個驗潮站的潮信資料，則需要分別將所有驗潮站的資料進行計算，將計算所得結(jié)果進行校驗，核算，選取最可靠的平均值。

根據(jù)梁震英的“大地水準面的嚴密定義和我國高程基準的選擇”研究證明，目前我國的平均海面高度是從北向南逐漸提升的，主要呈現(xiàn)3個階梯型的變化，兩個轉(zhuǎn)折點分別為江蘇的呂泗，福建省的山東，在每一個階梯面上，各個海區(qū)多年來的平均海面存在微小的起伏，其中最主要的黃渤海海區(qū)的平均海面幾乎與2000國家大地坐標系保持一致，最大的變化幅度在1cm±2，東海海區(qū)的變化幅度為2.3cm±3cm。

結(jié)語

海洋測繪垂直基準能夠檢測海岸地帶的地形、沿海水深和近海水深的測量技術(shù)，這也就代表海洋測繪垂直基準是目前現(xiàn)代大地測量基準的一項重要“成員”。想要將2000國家大地坐標系作為海平面模型，就必須實現(xiàn)還按地區(qū)的垂直基準轉(zhuǎn)換技術(shù)，其技術(shù)的關(guān)鍵在于計算不同區(qū)域的長時間的平均海平面高度△h和其理論深度基準L。

綜上所述，利用水準聯(lián)測法、固定點比較法或者潮信法對△h進行測量，通過多種測量方法的計算，能夠精確地確定平均海面高度△h。利用準確、完善和可拼接的高程基準給海岸經(jīng)濟的開發(fā)提供保障保障。

［1］歐陽永忠.基于高精度的GPS測高的海洋深度檢測技術(shù)［J］.海洋測繪，2014，18（4）：9-11.

［2］蘭明乾.沿岸當?shù)仄骄Ｃ娴母叱糖笕∨c應(yīng)用［J］.海洋測繪，2013，35（專輯）：190-192.

［3］鄧方，吳曉華.關(guān)于2000中國大地坐標系的建議［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2010，28（10）：832.

［4］周陽.2000國家打底坐標系橢球參數(shù)與GRS80和WGS84的比較［J］.測繪學(xué)報，2013，15（1）：125-127.

［5］梁震英.大地水準面的嚴密定義和我國高程基準的選擇［J］.測繪工程，2013，11（4）：11-13.

P229

A