復(fù)雜海域高精度海底地形測量關(guān)鍵問題研究

王雙喜，肖 強，孫雪潔

（92899 部隊，浙江 寧波 315200）

蘇北淺灘海域輻射狀沙洲群，灘闊槽深、地形獨特，屬于強潮區(qū)。影響此區(qū)域的潮流系統(tǒng)有東海的前進波、黃海的旋轉(zhuǎn)波和蘇北的沿岸潮流，這些不同流系在前進的過程中達到某一諧振狀態(tài)，剛好與淺灘沙脊地形配合，在潮流水道里迅速形成海水堆積，堆積速度過快，超出某一限度時，極易引起局部流速驟增、水位急漲的現(xiàn)象，簡稱“怪潮”[1]。“怪潮”極易引發(fā)嚴(yán)重的海難傷亡事故，對蘇北沿海地區(qū)的生產(chǎn)安全構(gòu)成了非常嚴(yán)重的威脅[2]?！肮殖薄焙Ｓ虻念A(yù)警和研究離不開高精度海底地形數(shù)據(jù)，但在蘇北淺灘這種潮汐性質(zhì)比較復(fù)雜的區(qū)域，應(yīng)用常規(guī)水深測量方法無法進行有效的潮位改正，主檢比對、相鄰圖幅拼接誤差會非常明顯。進行常規(guī)水深測量時，潮位處理的精度取決于驗潮站的布設(shè)密度和分布情況。為了應(yīng)對“怪潮”，原國家海洋局建立了多個海洋觀測平臺和樁基潮位站[3]。而在這種潮汐性質(zhì)非常復(fù)雜的區(qū)域，這些驗潮站很難滿足高精度水深測量的要求。

在遠距離進行高精度海底地形測量研究方面，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS） 動態(tài)后處理技術(shù)（Post Processed Kinematic，PPK）進行潮位觀測和無驗潮水深測量上。趙建虎等[4]基于PPK技術(shù)對潮位觀測和垂直基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換方法進行了研究，在基線距離100 km 范圍內(nèi)，基于深度基準(zhǔn)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）潮位精度優(yōu)于10 cm。魏榮灝等[5]基于PPK 定位技術(shù)對杭州灣河口水下地形測量進行了實際應(yīng)用，定位精度滿足實際工作需要。汪連賀[6]聯(lián)合GPS 和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU） 姿態(tài)，得到瞬時水位的精確高程，驗潮距離100 km 內(nèi)，精度優(yōu)于10 cm。但在蘇北淺灘這些遠離海岸區(qū)域?qū)嵤y量，面臨更多的挑戰(zhàn)。短時間GNSS PPK 潮位無法實現(xiàn)當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ娴木_傳遞，故不能直接使用GNSS 驗潮，需要在蘇北淺灘這種無依托的軟質(zhì)海底設(shè)立驗潮站，采用自動驗潮儀和GNSSPPK 同步的方法進行深度基準(zhǔn)面大地高的測量。此外，各種測量手段和方法獲取的海底地形大地高需要轉(zhuǎn)換到深度基準(zhǔn)面上，因此還需要在蘇北淺灘“怪潮”海域建立一個無縫的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型，通過海洋垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換獲得高精度的海底地形。

1 關(guān)鍵問題研究

1.1 軟質(zhì)海底無依托驗潮站的布設(shè)

自容式壓力式驗潮儀以其輕便靈活、無須設(shè)置驗潮井等優(yōu)勢在海洋測繪中得到了廣泛應(yīng)用。以TGR-2050 驗潮儀為例，其觀測精度可達1 cm 以內(nèi)。自動驗潮儀通過檢測海水的壓力變化來計算海面的波動。實測水下固定位置的壓力，將絕對壓力值再減去同一時刻的大氣壓值就可以得到該驗潮點的水壓值[7]。

蘇北淺灘底質(zhì)大部分是屬于沙泥性質(zhì)，相對比較松軟，而且遠離海岸無依托。在無依托海域設(shè)置驗潮站，針對不同的海底底質(zhì)和水深情況往往有著不同的驗潮站布設(shè)方法。但需要慎重選擇拋投地點，并采取必要的保護措施，保證驗潮站的自身安全穩(wěn)定和潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。

在較淺（低潮水深在3 m 以內(nèi)）的軟基海域一般布設(shè)樁基式驗潮站。長樁桿埋入海底，在樁桿底部綁定安裝自容式驗潮儀。其他海域可以用拋投式方法布設(shè)海上定點驗潮站。拋投式潮位站一般選擇在海底平坦、海流較小的海域，盡量避開航道和漁網(wǎng)區(qū)。拋投式驗潮站一般固定安裝在基座上，為了有效保護驗潮站基座安全，基座通過足夠長的纜繩與鐵錨連接，基座沿4 個方向展開分別設(shè)置防沉板。此外，拋投式潮位站需設(shè)置警示浮筒和網(wǎng)位儀，采用錨拖式方法進行回收。

1.2 GNSS 同步法確定驗潮站深度基準(zhǔn)面大地高

高精度的動態(tài)大地高測量一般采用實時動態(tài)定位技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）、PPK 或精密單點定位技術(shù)（Precise Point Positioning，PPP），RTK 需要通過電臺實時傳遞差分信息，作業(yè)距離在15 km 以內(nèi)[8]。遠距離時可以采用PPK 或PPP，PPK測量的基本原理與RTK 相同，只是不需要實時傳遞差分信息，移動站只接收GNSS 信息，事后進行差分處理，作業(yè)距離可以達到100 km 甚至更遠[9]。而PPP 測量模式不受作業(yè)距離限制，但動態(tài)情況下PPP 大地高測量精度低于RTK 和PPK，特別是大地高方向的精度稍差。隨著北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的成熟，遠距離PPK 測量時，利用GPS、GLONASS（Global Navigation Satellite System）和北斗三模GNSS接收機，再應(yīng)用精密衛(wèi)星軌道和鐘差，就能得到更高精度的三維坐標(biāo)。

實際海底地形測量應(yīng)用時以參考橢球面作為測量基準(zhǔn)獲取的數(shù)據(jù)最終應(yīng)轉(zhuǎn)換成深度基準(zhǔn)面下的水深，這需要構(gòu)建深度基準(zhǔn)面和參考橢球面的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型[10-12]。而對于每個驗潮站來說，則需要獲得其深度基準(zhǔn)面的大地高。針對蘇北淺灘海域這種遠離岸邊的驗潮站，可以通過測量船錨定方法，在驗潮站附近用GNSS PPK 技術(shù)并綜合自動驗潮儀數(shù)據(jù)進行深度基準(zhǔn)面大地高測量。具體過程如下。

（1）自動驗潮儀與長期站同步觀測，推算出當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ鍹SL 和深度基準(zhǔn)面L。

（2）錨定情況下通過遠距離GNSS PPK 獲取大地高h。

（3）對測船姿態(tài)進行改正，對高程信息進行濾波。

（4）GNSS PPK 測量的瞬時水位HW與自動驗潮儀潮位進行比對，計算得到該驗潮站的深度基準(zhǔn)面大地高。

測量船錨定情況下通過姿態(tài)傳感器和GNSS 數(shù)據(jù)進行PPK 解算，獲得該驗潮站的瞬時水面信息。GNSS 同步法如圖1 所示，通過PPK 解算能夠準(zhǔn)確測定GNSS 天線的大地高，天線到水面的天線高可以在碼頭靠泊時通過全站儀測量得到。因此瞬時水面的大地高計算公式如下。

圖1 GNSS 同步法確定深度基準(zhǔn)面大地高

式中，HW為瞬時海面的大地高；Ght為GNSS 天線大地高；z 為GNSS 天線到海水面的高差。

與自動驗潮儀潮位數(shù)據(jù)進行對比，可以獲取深度基準(zhǔn)面的大地高，計算公式如下。

式中，HCD為驗潮站深度基準(zhǔn)面大地高；TCD為自動驗潮儀以深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的潮位。經(jīng)濾波得到的GNSS 潮位信息能夠正確反映海上定點驗潮站的潮位信息，從而驗潮站就能獲得基于參考橢球面和深度基準(zhǔn)面的兩種基面的潮位觀測值。直接比較潮位序列即可確定基面的關(guān)系，即深度基準(zhǔn)面大地高。

式中，n 表示潮汐序列的總個數(shù)；TGNSS表示GNSS 潮位。

為了保證精度，GNSS 同步法需要連續(xù)觀測4 h以上，觀測時間至少要有一個低平潮或者高平潮過程，最好進行完整潮汐周期對比。自動驗潮儀布設(shè)期間應(yīng)該進行兩次GNSS 同步觀測，然后將計算得到的深度基準(zhǔn)面大地高進行對比，消除各種系統(tǒng)誤差影響。

1.3 復(fù)雜海域無縫垂直基準(zhǔn)模型的構(gòu)建

以蘇北淺灘為例，淺灘面積大，局部地形水深相對較淺，低潮時大面積干出。如果只采用水深測量方法則效率較低，只能搶在高潮時進行測量，還容易造成船只擱淺產(chǎn)生事故，人員安全無法保證。在大面積干出灘進行測量時，可以采用氣墊船和機載LIDAR（Light Detection And Ranging）測量手段，并輔以人工測量進行驗證。在重點航道，地形復(fù)雜的深水區(qū)域可以采用多波束無驗潮水深測量，其他區(qū)域可以高潮時段進行單波束無驗潮水深測量。這些測量手段和方法的共同點是實際獲得的測量數(shù)據(jù)為海底地形的大地高，因此需要構(gòu)建連續(xù)無縫的垂直基準(zhǔn)模型[13]，以保證每個測量點的大地高能夠轉(zhuǎn)換到深度基準(zhǔn)面上，而且還可以進行無縫連接。

如圖2 所示，測量數(shù)據(jù)的參考基面為參考橢球面，根據(jù)平均海面與地球重力場模型EGM2008 大地水準(zhǔn)面模型相近似的特征，可以采用移去恢復(fù)法，根據(jù)EGM2008 模型，通過驗潮站深度基準(zhǔn)面大地高構(gòu)建出復(fù)雜海域無縫垂直基準(zhǔn)模型，具體步驟如下。

圖2 垂直基準(zhǔn)關(guān)系

（1）先確定復(fù)雜海域包括驗潮站在內(nèi)的所有測量范圍。

（2）在測量區(qū)域建立深度基準(zhǔn)面規(guī)則格網(wǎng)，格網(wǎng)大小根據(jù)實際的潮汐性質(zhì)來確定，通過各驗潮站的深度基準(zhǔn)面L 值在網(wǎng)格點進行插值。

（3）測區(qū)范圍內(nèi)建立一個大地水準(zhǔn)面差距N 的格網(wǎng)文件。

（4） 建立海面地形的插值模型，通過GNSS PPK 測量和當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ嬗嬎?，求出?dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ娴拇蟮馗逪MSL，并與大地水準(zhǔn)面差距N 進行比較，得到海面地形HTSS如下。

（5）建立整個測區(qū)的深度基準(zhǔn)面大地高模型，深度基準(zhǔn)面大地高HCD的計算公式如下。

2 實例分析

2.1 技術(shù)方案

實驗區(qū)域選擇蘇北淺灘海域，本區(qū)域包含各種海底地形，包括“怪潮”容易產(chǎn)生海域、大面積干出灘、港口和航道等。為了得到高精度的海底地形，本文通過以上關(guān)鍵問題技術(shù)研究，制定了一套針對“怪潮”海域的海底地形測量作業(yè)的技術(shù)方案。為了構(gòu)建大范圍測量海域的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型，共布設(shè)6 個拋投式無依托海上驗潮站，測區(qū)已有6 個長期驗潮站。驗潮站都采用TGR-2050 自容式驗潮儀，并與長期驗潮站同步觀測1 個月。驗潮儀布設(shè)24 h 后采用錨定法進行第一次GNSS 同步觀測，驗潮儀回收前再進行第二次GNSS 同步觀測，觀測時長4 h 以上，其中包含低平潮或高平潮，長期站也進行兩次GNSS 同步觀測。自動驗潮儀回收后，所有數(shù)據(jù)都穩(wěn)定有效，沒有出現(xiàn)明顯的沉降和位移。

2.2 精度分析

GNSS 接收機采用雙頻多模接收機，GNSS PPK測量采用雙基站模式，最遠基線長度為94 km。為了驗證遠距離GNSS PPK 解算的精度，設(shè)計了兩種驗證方案：一是用兩個基準(zhǔn)站（相距62 km）中的一臺當(dāng)流動站進行處理；二是利用三臺接收機，流動站與基站相距92 km 左右，與另一個已知控制點相距5 km 以內(nèi)?？刂泣c的坐標(biāo)先通過靜態(tài)相對測量進行解算獲得毫米級的三維定位精度，以此控制點作為基準(zhǔn)站進行短距離動態(tài)解算，解算結(jié)果認(rèn)為是真值，再評估遠距離GNSS PPK 解算結(jié)果的精度。觀測數(shù)據(jù)采用Waypoint 軟件進行處理，遠距離時下載IGS（International GNSS Service） 精密星歷參與解算。兩種方案計算出的大地高對比情況如圖3 和圖4 所示。

圖3 遠距離靜態(tài)測量時動態(tài)處理結(jié)果對比

圖4 遠距離動態(tài)測量結(jié)果對比

以初始坐標(biāo)為參考，評估靜態(tài)情況下的動態(tài)處理的精度，統(tǒng)計結(jié)果顯示大地高差值Δh 的誤差區(qū)間為[-0.08 m，0.12 m]，集中分布在5 cm 以內(nèi)，中誤差為±0.032 m；以近距離解算結(jié)果為真值，評估動態(tài)模式的精度，統(tǒng)計結(jié)果顯示大地高差值Δh 的誤差區(qū)間為[-0.13 m，0.14 m]，集中分布在10 cm 以內(nèi)，中誤差為±0.045 m。兩種情況的大地高精度都在10 cm 以內(nèi)，80%以上在5 cm 以內(nèi)。靜態(tài)測量時精度要明顯高于動態(tài)測量，這是由于靜態(tài)測量時的PPK 解算中的濾波算法精度更高，此外遠距離動態(tài)測量時只能與近距離測量結(jié)果進行對比，近距離PPK 測量本身也會存在一定的誤差。

采用同步法進行驗潮站深度基準(zhǔn)面大地高推算時，GNSS PPK 采用的兩個基準(zhǔn)站分別位于測區(qū)南北，兩站相距62 km。解算時為提高精度采用雙基站模式，以其中1 個基站3 次24 h 精密單點定位解算的平均值作為初始坐標(biāo)，另外一個基準(zhǔn)站用靜態(tài)相對測量進行解算。12 個驗潮站分別進行了兩次GNSS 同步觀測，經(jīng)綜合計算后的GNSS PPK 潮位與基于深度基準(zhǔn)面潮位進行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 GNSS 同步法兩次結(jié)果對比

從表1 可以看出，兩次GNSS 同步測量的結(jié)果相差在5 cm 以內(nèi)，具有很好的一致性。同步時間較長的驗潮站，深度基準(zhǔn)面大地高的精度也相對較高。此外，驗潮站站間距離對垂直基準(zhǔn)關(guān)系的計算也有一定的影響，驗潮站與基準(zhǔn)站相距較遠時，深度基準(zhǔn)面大地高的精度相對較低。但站間距離在100 km 范圍內(nèi)，內(nèi)符合精度仍優(yōu)于5 cm。

為了驗證外符合精度，在小洋口長期驗潮站架設(shè)了GNSS 天線進行靜態(tài)測量，通過長期站已知的各基面關(guān)系，直接推算出長期站的深度基準(zhǔn)面大地高，經(jīng)計算兩者僅相差1.8 cm。結(jié)果表明，直接計算的精度與GNSS 同步法基本一致，滿足相應(yīng)規(guī)范精度要求。

為了驗證構(gòu)建的垂直基準(zhǔn)模型精度，小洋口等10 個驗潮站參與垂直基準(zhǔn)模型計算，模型格網(wǎng)設(shè)置為2 km。利用黃沙洋和火星沙兩個驗潮站作為檢查站。經(jīng)模型插值計算得到的兩個檢查站的深度基準(zhǔn)面大地高與實際測量值進行對比，兩站分別相差3.9 cm 和2.1 cm。結(jié)果表明，無縫垂直基準(zhǔn)模型的精度在5 cm 以內(nèi)，考慮到遠距離GNSS 的測量精度，其綜合精度優(yōu)于10 cm。

為了驗證最終海底地形測量成果的精度，選取測區(qū)1∶25 000 的水深成果圖，分別采用常規(guī)水位改正方法和本文方法進行水位改正處理，水深成果主檢測線交叉點不符值共檢測1 758 個點，對比如表2 所示。

從表2 可以看出，采用常規(guī)水位方法時，水深測量精度不符合規(guī)范要求，這是由于潮汐性質(zhì)的差異較大，而驗潮站布設(shè)密度不足所引起。而以參考橢球為測量和數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)，應(yīng)用本文方法進行水深改正時得到的最終水深成果具有較高的精度，能夠滿足在復(fù)雜海域?qū)嵤┖５椎匦螠y量的精度規(guī)范要求。

表2 水深成果主檢測線交叉點不符值對比分析

3 結(jié) 論

本文通過蘇北淺灘測量實踐進行研究，重點解決了復(fù)雜海域潮位改正和垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換中存在的問題，結(jié)合實際應(yīng)用得到的主要結(jié)論如下。

（1）在軟基海底布設(shè)無依托海上驗潮站時，淺水海域采用樁基式，較深海域采用拋投式能夠獲得較為穩(wěn)定的潮位數(shù)據(jù)。

（2）GNSS PPK 基線距離在92 km 時，大地高的解算精度優(yōu)于10 cm，能夠滿足測量規(guī)范精度要求。

（3） 通過對12 個驗潮站GNSS 同步法計算出的深度基準(zhǔn)面大地高進行對比分析，基線距離小于100 km 時，兩次GNSS 同步測量的結(jié)果互差在5 cm以內(nèi)，兩者精度具有一致性。

（4）通過構(gòu)建垂直基準(zhǔn)模型可以對整個測區(qū)水深數(shù)據(jù)進行無縫轉(zhuǎn)換，無縫垂直基準(zhǔn)模型的精度優(yōu)于5 cm，考慮到遠距離的GNSS 測量精度，綜合精度優(yōu)于10 cm。

本文針對蘇北“怪潮”海域這種特殊海底地形測量進行研究分析，技術(shù)方案與精度評估結(jié)論對其他潮汐復(fù)雜海域的海底地形測量也有一定的參考價值。