崔 楊，暴景陽(yáng)，許 軍，孫文川

(海軍大連艦艇學(xué)院 海洋測(cè)繪系，遼寧 大連 116018)

一、建立海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的重要性與必要性

海洋垂直基準(zhǔn)是陸地垂直基準(zhǔn)在海洋及其他水域的擴(kuò)展，是深度測(cè)量及其相關(guān)要素的起算面，也是對(duì)海洋進(jìn)行正確認(rèn)知和表達(dá)的重要依據(jù)?，F(xiàn)有的海洋垂直基準(zhǔn)包括地球橢球面、大地水準(zhǔn)面、平均海面、海圖深度基準(zhǔn)面等，但其尚不能解決海洋測(cè)繪等具體應(yīng)用中的諸多重要問(wèn)題。為了更好地認(rèn)識(shí)和表示海洋及相關(guān)水域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋找和建立合適的垂直基準(zhǔn)，但是僅適用于局部海域的一個(gè)個(gè)彼此孤立、離散、跳變的基準(zhǔn)，而無(wú)法順利解決這些問(wèn)題。在當(dāng)前的實(shí)際情況下，如能建立起一個(gè)合適的、彼此之間具有內(nèi)在科學(xué)聯(lián)系的海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，將是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

一方面，完善的海洋垂直基準(zhǔn)體系的建立，對(duì)于保證航行安全和進(jìn)行海洋資源的開(kāi)發(fā)具有重要意義。目前，我國(guó)采用的陸地高程基準(zhǔn)是“1985黃海高程基準(zhǔn)”，即特定地點(diǎn)(青島)的平均海面；海洋深度基準(zhǔn)則采用海圖深度基準(zhǔn)面，為保證航行安全并充分利用航道，目前采用的是理論最低潮面，其含義是理論上可能達(dá)到的最低潮面。由潮汐參數(shù)計(jì)算和確定的理論最低潮面應(yīng)為連續(xù)的曲面，但由于驗(yàn)潮站分布的離散性及根據(jù)各站資料得到的深度基準(zhǔn)面之間的差異，常常導(dǎo)致深度基準(zhǔn)面以各驗(yàn)潮站為中心呈離散分布，因此各深度基準(zhǔn)面間存在著躍變的階梯形態(tài)，而不是連續(xù)漸進(jìn)的[1]。

另一方面，現(xiàn)有高程和深度基準(zhǔn)的不統(tǒng)一及深度基準(zhǔn)的離散和跳變，必將給人類開(kāi)發(fā)利用海洋帶來(lái)許多問(wèn)題乃至國(guó)際間的爭(zhēng)端。如由于沒(méi)有海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，不同海域或相同海域不同時(shí)段獲得的數(shù)據(jù)間的拼接難以實(shí)現(xiàn)，以致海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用價(jià)值和測(cè)量效率大大降低，從而減緩了海圖的更新速度；由于沒(méi)有海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，深度數(shù)據(jù)在不同的參考基準(zhǔn)上難以方便地轉(zhuǎn)換、輸出與共享，為海洋空間地理信息表示精度的提高增加了難度，隨之而來(lái)的結(jié)果就是海洋和陸地?cái)?shù)據(jù)間的割裂，為使用者的識(shí)圖用圖帶來(lái)很多不便。

綜上可見(jiàn)，建立連續(xù)無(wú)縫的海洋垂直基準(zhǔn)體系，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

二、海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系建立的基本思想與現(xiàn)狀分析

1. 建立的基本思想

海洋垂直基準(zhǔn)有多種形式，每種都有其特點(diǎn)和適用性。建立海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，是為了適應(yīng)海岸帶與島礁區(qū)域測(cè)量及信息精確表達(dá)等需要，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：① 支持海岸帶與島礁區(qū)域周邊水域地形地貌的連續(xù)化精確測(cè)定和無(wú)縫自然表達(dá)，服務(wù)于海岸帶與島礁區(qū)域地形圖的編繪；② 在大地測(cè)量垂直坐標(biāo)框架體系下通過(guò)基準(zhǔn)變換，使得海岸帶與島礁區(qū)域基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品能夠應(yīng)用于航海圖生產(chǎn)；③ 為無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式的推廣，提供高精度垂直基準(zhǔn)信息保障。據(jù)此，可按以下思想建立海洋測(cè)繪無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系：首先，對(duì)無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面的定義和構(gòu)建原則進(jìn)行理論研究；然后，利用精密潮汐模型，構(gòu)建逐點(diǎn)變化的深度基準(zhǔn)面模型；最后，以高分辨率網(wǎng)格模型作為連續(xù)無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面的具體實(shí)現(xiàn)，并將該無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面通過(guò)連續(xù)的、相對(duì)于地球橢球面表達(dá)的平均海面高模型和陸海大地水準(zhǔn)面模型，納入大地測(cè)量垂直基準(zhǔn)體系，形成深度基準(zhǔn)面偏差模型。

2. 已有成果基礎(chǔ)

構(gòu)造無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的相關(guān)研究，是國(guó)際海道測(cè)量界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。國(guó)際大地測(cè)量與地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGG)、國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)、國(guó)際測(cè)量師聯(lián)合會(huì)(FIG)、國(guó)際海道測(cè)量組織(IHO)、國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)和國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局(IERS)均先后成立了研究組，給出了相應(yīng)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法及指導(dǎo)意見(jiàn)。加拿大、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)已建立了無(wú)縫垂直參考面或作出了規(guī)劃設(shè)計(jì)。

我國(guó)在無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面方面的研究雖然起步較晚，但越來(lái)越受到相關(guān)單位的重視，目前也已完成了一些相關(guān)的基礎(chǔ)工作。李燕初、暴景陽(yáng)等眾多學(xué)者開(kāi)展了基于T/P高度計(jì)數(shù)據(jù)的潮汐信息的提取和潮汐模型建立的研究[2]；羅志才、郭海榮等就大地水準(zhǔn)面相關(guān)內(nèi)容開(kāi)展了多個(gè)方面卓有成效的研究[3-4]；暴景陽(yáng)、許軍等提出以平均海面作為基本海洋垂直基準(zhǔn)的思想，并利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)初步建立了中國(guó)海的理論深度基準(zhǔn)面模型，給出了一種海洋測(cè)量深度的歸算方案[5-6]；梁振英等學(xué)者提出了建立我國(guó)陸海統(tǒng)一高程/深度基準(zhǔn)的構(gòu)思模式[7]。這些無(wú)疑都是深度基準(zhǔn)面研究方面的可喜成果。

此外，我國(guó)已有不少學(xué)者在局部地區(qū)進(jìn)行了無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面的研究，如許家琨等認(rèn)為將平均海面作為我國(guó)海洋的垂直基準(zhǔn)面是建立國(guó)家高程基準(zhǔn)統(tǒng)一的先決條件，也是實(shí)現(xiàn)海岸帶地形圖和水深圖無(wú)縫拼接的最佳選擇[8]；孫翠羽建議以CGCS2000橢球面作為我國(guó)統(tǒng)一的海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，并提出了海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換方法，且在研究偏差模型建立方法的基礎(chǔ)上提出了建立渤海偏差模型的方法[9]；柯灝選擇利用深度基準(zhǔn)面構(gòu)建海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)，結(jié)合長(zhǎng)江口水域的潮汐數(shù)據(jù)，研究了海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)的幾何和物理建模方法并進(jìn)行比較，確定基于潮汐調(diào)和常數(shù)的物理建模方法為最優(yōu)的連續(xù)無(wú)縫深度基準(zhǔn)面的建立方法[10]。這些研究顯然更是無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系研究的直接基礎(chǔ)。

3. 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究成果，可為海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的建立提供部分相關(guān)的理論技術(shù)基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面：① 利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)提取潮汐信息的研究成果，獲取了中國(guó)海域的精確潮汐調(diào)和常數(shù)，為潮汐模型的建立和深度基準(zhǔn)值計(jì)算準(zhǔn)備了基礎(chǔ)；② 深度基準(zhǔn)方面的研究成果，為連續(xù)無(wú)縫深度基準(zhǔn)面的建立提供了理論方法和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；③ 大地水準(zhǔn)面精化方面的研究成果，為基于無(wú)縫垂直基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換提供了基準(zhǔn)支持；④ 國(guó)外的相關(guān)理論研究和實(shí)用模型為我國(guó)海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的建立提供了可借鑒的模型和指導(dǎo)意見(jiàn)；⑤ 無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面現(xiàn)有的研究成果探索了局部海域無(wú)縫垂直基準(zhǔn)的建立方法，為全海域無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的建立奠定了基礎(chǔ)。

三、海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系建立過(guò)程存在的問(wèn)題與對(duì)策

1. 存在的主要問(wèn)題

從一個(gè)“體系”的建立角度而言，僅憑國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果是難以完成的，存在的主要問(wèn)題大致有以下4個(gè)方面：

1) 垂直基準(zhǔn)選擇的多樣性帶來(lái)的問(wèn)題。垂直基準(zhǔn)種類很多，有傳統(tǒng)的海圖深度基準(zhǔn)面、(似)大地水準(zhǔn)面、平均海面等物理意義明確的垂直基準(zhǔn)，以及如參考橢球等具有明確幾何定義的垂直基準(zhǔn)。每個(gè)基準(zhǔn)面都有各自的特點(diǎn)，選擇最優(yōu)的垂直基準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，使其既具備連續(xù)無(wú)縫的特征，又能符合人們?cè)诤胶＿^(guò)程中海圖標(biāo)定等使用習(xí)慣，已成為目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2) 海洋垂直基準(zhǔn)相互獨(dú)立帶來(lái)的問(wèn)題。目前已有的成果研究了渤海海域及長(zhǎng)江口水域中無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面的建立，但選取的基準(zhǔn)面不同，模型也相對(duì)獨(dú)立。其中，孫翠羽在渤海海域選取了CGCS2000橢球面作為無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，利用模型差值法建立了偏差模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證；柯灝在長(zhǎng)江口水域選用了深度基準(zhǔn)面建立海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，并選擇了理想的建模方法對(duì)其進(jìn)行了無(wú)縫化處理。顯然，已有的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面無(wú)論是物理意義還是數(shù)學(xué)模型都不相同，即相互獨(dú)立，而且這兩個(gè)區(qū)域都有一定特殊性，一個(gè)是中國(guó)唯一的內(nèi)海，另一個(gè)是長(zhǎng)江入?？凇Ｒ虼?，既無(wú)法將兩個(gè)研究成果的模型互換使用，也難以將兩個(gè)成果直接拓展應(yīng)用于全部海域。而我國(guó)領(lǐng)海廣闊，想要真正實(shí)現(xiàn)海域數(shù)據(jù)的共享與拼接，必須建立一個(gè)適用于整個(gè)中國(guó)海域的無(wú)縫模型。克服現(xiàn)有垂直基準(zhǔn)相互獨(dú)立的缺陷，統(tǒng)一全海域的垂直基準(zhǔn)模型是亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

3) 不同海洋垂直基準(zhǔn)間的過(guò)渡問(wèn)題。各海域的潮汐性質(zhì)和海況各不相同，現(xiàn)有的研究成果適用于小區(qū)域，在建立適用于整個(gè)海域的無(wú)縫模型時(shí)可以直接應(yīng)用上述成果，并利用轉(zhuǎn)換模型將這些成果聯(lián)接成為一整體。但這樣就引入了在海域交界處選擇合理模型的新問(wèn)題，因?yàn)榻唤绾Ｓ蛱幱诟骱Ｓ蜻吘墸赡芡瑫r(shí)具備相鄰兩海域的特點(diǎn)，所以尤為復(fù)雜。因此，該問(wèn)題的處理對(duì)于聯(lián)接各垂直基準(zhǔn)面，建立無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系是至關(guān)重要的。

4)海洋測(cè)繪無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的精度評(píng)定問(wèn)題。將要建立的海洋測(cè)繪無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，是由多個(gè)不同的垂直基準(zhǔn)面構(gòu)成的。由于傳統(tǒng)的垂直基準(zhǔn)幾乎沒(méi)有質(zhì)量和精度控制的概念，因此確定可靠的精度評(píng)定方法對(duì)于海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的完善顯然具有重要的意義。

2. 對(duì) 策

針對(duì)目前海洋垂直基準(zhǔn)體系建立中存在的上述問(wèn)題，特提出基于以下4個(gè)步驟的解決思路：

1) 根據(jù)各海域潮汐特點(diǎn)，分別選取適宜的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面。目前已有適用于局域的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)，我國(guó)領(lǐng)海廣闊，各海區(qū)潮汐性質(zhì)和海況不盡相同，適用的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)也會(huì)有相應(yīng)的差別。因此，可借鑒已有研究基礎(chǔ)的思路，針對(duì)不同海區(qū)的潮汐性質(zhì)和海況，分別確定適宜各海域的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面。

2) 建立無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面間的轉(zhuǎn)換模型。利用某一無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面作為橋梁，將連續(xù)的深度基準(zhǔn)面與橢球面的垂直偏差作為應(yīng)用的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，就要正確描述兩個(gè)垂直參考面之間的相互關(guān)系，采用的模型通常稱為垂直偏差模型或分離模型，兩者均具有相對(duì)的含義。深度基準(zhǔn)面相對(duì)平均海面的垂直偏差模型即深度基準(zhǔn)值模型，可簡(jiǎn)記為L(zhǎng)值模型；而深度基準(zhǔn)面的大地高模型標(biāo)識(shí)的是深度基準(zhǔn)面和地球橢球面之間的偏差模型，在不致含義混淆的情況下簡(jiǎn)稱為深度基準(zhǔn)面分離模型或偏差模型。基于這一思想，即可構(gòu)建垂直基準(zhǔn)面間的轉(zhuǎn)換模型。

3) 建立臨界海域的過(guò)渡模型。不同海域有適應(yīng)其自身特點(diǎn)的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，它們相互離散、獨(dú)立，因此可在臨界區(qū)域借鑒距離加權(quán)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)爻毕珨?shù)據(jù)綜合考慮相鄰兩種離散的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面對(duì)交界處的影響，得到最理想的過(guò)渡模型，從而將離散的多個(gè)無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面聯(lián)接為一個(gè)連續(xù)無(wú)縫的垂直基準(zhǔn)體系。

4)選擇垂直基準(zhǔn)的精度評(píng)定方法。深度基準(zhǔn)的精度可理解為海域任意地點(diǎn)基準(zhǔn)依賴數(shù)據(jù)和方法的變化程度。對(duì)于連續(xù)無(wú)縫深度基準(zhǔn)面和其他垂直參考面，可以將網(wǎng)格化潮汐模型作為基礎(chǔ)，并通過(guò)各基準(zhǔn)的計(jì)算公式，依據(jù)潮汐模型參數(shù)的精度評(píng)定結(jié)果，評(píng)價(jià)深度基準(zhǔn)模型的精度。

四、結(jié)束語(yǔ)

海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的建立，是現(xiàn)代海洋測(cè)繪研究的一項(xiàng)重要工作，對(duì)于完善海陸數(shù)據(jù)的拼接與共享，保障航海安全和海洋開(kāi)發(fā)利用等都具有重要意義。鑒于已有成果均是針對(duì)某一海域的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)面，而尚無(wú)適于全部海域的無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系，本文介紹了建立該體系的總體思想，分析了存在的問(wèn)題，并提出根據(jù)各海域潮汐特點(diǎn)分別選取適宜的垂直基準(zhǔn)面，在不同基準(zhǔn)間建立轉(zhuǎn)換模型，在臨界海域建立過(guò)渡模型，以最終確定適用于全部海域的海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的對(duì)策，且給出了評(píng)定垂直基準(zhǔn)精度的方法。本文對(duì)海洋無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系的最終建立具有指導(dǎo)意義。

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