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海洋测绘垂直基准的建立与转换

发布时间:2019-07-18 18:04 来源:未知 编辑:admin

  中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集175 海洋测绘垂直基准的建立与转换 (1.92899部队,浙江宁波315200;2.海军海洋测绘研究所.天津300061)摘要:在我|目海洋测绘采用的多个基准面的复杂进程111,乖直摹准的建:证与实现已’r始初褥端倪并越来越引起大 家的审视。就海洋测量垂直基准的现状、垂直基准嘶问的关系、海岸带地形测量.‘j水深测量基准嘶转换技术等方IfIi进 行探讨,以期实现海岸带地形图和水深图的尤缝拼接。 关键词:海i羊测绘;垂直基准:现状及进展;平均海面:建立与转换 l引言 海岸带地形测最、沿岸水深测最、近海水深 测最以及中远海水深测最在垂直基准方向上涉 及到的丛准面主要有参考椭球面、大地水准面、 1985国家高程基准、平均海面和深度基准面等。 海岸带是海岸线分别向陆地、海洋扩展一定宽度 的带状区域,是影响人类活动的重要地带。目前 海岸带地|叉:的地形测最和水深测最分别采用不 同的垂直基准面,即陆地地形图高程基准为1985 国家高程基准面,水深图采用理论深度基准面。 由于采用不同的垡准面,导致了测帚成果数据必 须通过一定的转换才能达到基准上的统一,制约 了两图成果数据的无缝合成和拼接。为解决两种 数字成果在垂:卣方向的拼接问题,需要就海洋测 量垂直基准的现状、垂直基准的选择、垂直基准 面问的关系、海岸带地形测最与水深测最基准面 转换技术等方面进行研究,以期实现海岸带地形 图和水深图的无缝拼接。在此基础上探讨海岸带 区域垂直基准转换的关键技术,构建海洋测绘在 垂直基准上的融合和统一。为经济建设和国防建 设提供可靠的海洋地理空间信息。 2海洋测绘基准的现状和垂直基准的研究进展 当前,我国的海洋测绘垂直基准主要是以 1985国家高程基准的高科丛准和以理论最低潮 面为基准的深度基准。建立统一的海洋测绘基准 是进行海洋勘测、海洋开发和研究的先决条件。 世界上一些主要海洋国家历米非常重视海洋测 绘基准的建立和统一问题。我国的海洋测绘基准 主要是在陆地和海洋所采川的不是一个基准面, 所以一直存在着数据转换和图件的拼接问题。更 难以实现我国与相邻国家的海洋勘测幽的有效 拼接,所以无法满足专属经济区、毗连区和大陆 架划界T作的需要。 在海洋测绘垂直基准研究方面,梁振英选择 大地水准面作为陆海共同的基准面:暴景阳教授 提出以平均海面作为陆海基本垂直基准面的思 想;王双喜博:t:认为把参考椭球面、大地水准面 以及理论深的基准面相结合从而构成海岸带连 续基准:李凯、田震等则认为选择参考椭球面作 为陆海数据交换的中介并进而过度到无缝衔接: 于彩霞博十等从制图角度出发,通过对多个高程 基准的转换关系,得出米局部高科改正的模型, 为海幽和地形图的无缝拼接奠定了基础。翟国 君、黄谟涛教授等认为海洋测绘垂直基准应分级 设定,作为基础海洋地理信息获取方式的海底地 形测量,选取平均海面基准作为水位控制的基础 应该是保证数据质量和可重复性的主要解决思 路。而我认为,在海道测量中,平均海面是一个 标准的起算基准面,在其上关系到陆地测母高度 的高程基准,在其下决定着海洋水深测量的深度 基准,进而由深度基准决定着海岸线基准,而深 度基准面的高度从当地平均海面起算,当地平均 海面应与国家高科基准进行联测。冈此,以平均 海面作为我国海洋测绘的垂直基准面是建立国 家高科基准统一的先决条件,也是实现海岸带地 形图和水深图无缝拼接的最佳选择。 3平均海面是海洋测绘垂直基准的最佳选择 实际上,多年以来,我国的平均海面已经作 为全国统一的高稗基准面。人家都知道,我们在 长达35年的时间里采用“1956年黄海平均海水 面”这个中国统一的高样基准面测鼙了近50 000 多个一、二等三角点和65 000km的水准路线万条.并已J“泛应用-丁.测绘 收稿日期:2010.03-16 作者简介:询:家琨(1956.)。男,山东^县人.舟级-T程师.牛要从事海道测置、海洋T程臆用‘J研究。 176 中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集 及相关领域。1956年,}|{总参测绘局与水利部联 合组成中国东南部地区精密水准网平差委员会, 选定青岛1950~1956年七年的平均海面作为仝闲 的统一高程基准面。命名为“黄海平均海水面”, 又称“一九五六年黄海高程系”,于1959年经陶 务院批准试行。自该平均海面建市以来,一直沿 用到1990年,在州防建设、经济建设和科学研 究等方面起到了重要作用。 经H务院批准,陶家测绘局于1987年5月 26门发布启用“1985刚家高程基准”、围家水准 原点的新高程值以及“国家一等水准网成果”: 后经总参谋部批准,从1988年1月l 军开始启用“1985闲家高程基准”。1985困家高程基准的确定,是根据平均海面 的定义,采用Mo(中数法)、Xo(杜德逊 Doodson,A.T.)、Zo(鲁斯特RossiterJ.R.)、No(陈 宗镛1960)、Go(戈丁Godin,G)五种低通滤波公 式,对青岛验潮站1952~1979年28年的潮汐资 料进行计算,分别得出了10组18.61年和19年 的平均海面值,经分析,最后选取10组19年的 平均海面值冉取平均值,即为“1985 N家高程基 准”。幽家技术监督局于1990年12月l几发布 实施。实际上掰个基准面相差甚微,只有0.029m。 其换算公式为:“1985 N家高程基准”的高程值= “1956年黄海平均海面”的高程值一0.029 在海洋测量工作中,我们经常使用的是平均海面的中数法定义。即:视潮高为一时间jl!I!测序 为平均海面。就是将一天24小时整点潮高的算术平均值称为几平均海面:30天【1平均海面的算 术平均值称为月平均海面:12个月平均海面的算 术平均值称为年平均海面;多年年平均海面的算 术平均值称为多年平均海面(孟德润,阳光耀, 刘雁春,1993)。当地多年年平均海面的算术平 均值称为当地多年平均海面。 1985蚓家高程基准,使用28年潮汐观测资 料,采用移动平均得方法,取连续19年的平均 海面为一组,滑动步长为1年,计算10组不J—J 连续时段的19年平均海面值的平均值作为高程 起算面。…于采用移动平均法,原观测数列的短 周期波动被相应的削弱,从而保证了最后结果的 高精度,进jm生确保了平均海面的高精度和…此 产生的1985国家高程基准地高精度。 在海岛(礁)高程传递力‘面,过去很多岛屿 采用当地平均海面作为独立的高程基准面。现在 一般采用GPS测高和水准联测技术实现岛屿高 程的传递,但仍然必须以平均海面的高程作为起 始点和通过以平均海面传递技术获取的高程作 为可靠性验证,保证海岛礁高程传递的精度,确 保海洋测绘产品的一致性和无缝拼接。凶此,远 离大陆的岛、礁,其高程基准采用当地平均海面 是确市海洋测绘垂直基准的标准选择。 在海图深度基准面方面,以理论最低潮面作 为深度基准面,而深度基准面的高度从当地平均 海面起算,即海图深度基准面是牛H对于平均海面 定义的,所以,平均海面也应该成为海洋测绘垂 直基准的基本选择。 在灯塔、灯桩的灯光巾心高度起算方面,灯 塔、灯桩的灯光中心高度从平均大潮高潮面起 算,而平均大潮高潮面是以理论深度基准面起算 的,然而深度基准面的高度又是从当地平均海面 起算的,所以,平均海面也是海洋测绘垂直基准 的必然选择。各基准面的关系如图1所示。 图l基准向的关系 中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集 177 总之,以平均海面作为我N海洋测绘的垂直 基准面是建市州家高程基准统一的先决条件,也 是实现海岸带地形图和水深图尢缝拼接的最佳 选择,当然,平均海面是海洋测绘垂直基准的最 件选择。 4海洋测绘垂直基准面的关系 目前GPS是海洋测量的丰要定位于段之一。 通常海洋测量作、Ik过程及测量成果丰要涉及的 各利-垂直基准面之间的关系如图2所示。 图2一I-各符号的定义如下t 凰为GPS天线参考椭球面的垂 直距离,即GPS大地高;l为平均海面至WGS 84参考椭球面的垂直距离,即平均海面大地高: 飓为换能器表面至海底的垂直距离,即测深仪器 记录的瞬时水深t飓为GPS天线至换能器表面 的垂直距离,在补偿各种姿态变化后.nJ认为飓 为常量;凰为海底至WGS 84参考椭球面的垂直 距离,即海底声纳信号反射面的大地高:f为平 均海面至大地水准面的垂直距离,即海面地形: 为大地水准面至WGS 84参考椭球面的垂直距 离,即大地水准面差距;£为从平均海面起算的 理论深度基准面的数值:h为深度基准面至海底 声纳信号反射面的垂直距离,即海图成果水深。 图2海洋测绘垂直基准嘶的关系 为了直观反映参考椭球面和深度基准面之 问的芙系,以下将建立依赖以上两种垂苴基准面 而表达成果的大地高程凰和海图成果水深h二 者之间的数学转换模型。 由图2知,以-卜.关系式成立,即: Ho=H2+3+乩 h=HI—L+Ho+H2+H,f41 f11编计算h的关键在于获取精确地平均海 面大地高。。若已知大地水准面差距,还nJ建 立大地水准而起锋的海底地形高科即一Ha。同 前用卫星测高数据计算的离片较远区域的平均 海面大地高精度优于10cm,通过(4)式.n丁实现该 区域GPS大地高凰和海图成果水深h之问的精 密转换,I司时该式也是利用GPS进行无验潮水深 测量的理论基础和重要环节。 5海洋测绘垂直基准转换的关键技术 海岸地形测最和水深测最作业一般均采用 1954北京啦标系结合高斯投影方式进行,凶此, 海岸地形图和海图数字成果在平面方实现了统 一表示。但在乖直方向则存在较大筹异,由于地 形图采用1985 H家高程基准Im海图则采用当地 的琊论深度基准面,凶此为了实现地形图和海图 的拼接,必须研究海洋测绘的垂‘白.丛准转换技 术,建立高程基准和深度基准的相_可转换数学模 海岸;特区域的测帚作业过程及测最成果在垂直方向上年要涉及以下基准面,如图3所示。 图3中各符号的定义如下: X为水准原点与1985国家高科的垂-氲距离: 178 中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集 日为水准原点与水尺验潮零点的垂直距离; 由图3知,以下关系式成立,即: MSL为平均海面剑验潮零点的垂直距离;Ah为ho=h+L 当地平均海面与1985刚家高程基准的垂直距离: 玩为从平均海面起算的成果水深;h2为从1985A:L—Ah 国家高程基准起算的成果水深,即海图与地形图 由上可得: 拼接后使用统一高程基准的海底地形高程;为 |It'=h+L—Ah 地形图与海图拼接的重要参数,随地点位置不同h=允一L+Ah 而变化。图3中其余参数意义同图2,实际上图 2与图3的各垂直基准面之间是密切联系的。 图3海岸带区域在垂直方向有关的基准面 通过(8)式可将海图水深成果从当地理论深 度基准面归算至1985国家高程,通过(9)式可将 陆地地形成果从1 985国家高程归算至当地理论 深度基准面,至此建立了海岸带区域高程基准和 深度基准的相互转换数学模犁,利用以上模犁就 可实现陆地地形图和水深地形图(海图)两种数字 成果在垂直方向的无缝拼接。从(8)、(9)式可知, 实现海岸带垂直丛准转换的关键技术在于如何 准确计算Ah及£。下面首先分析幽的计算方法。 主要有以下几种: (1)水准联测法。采用集合水准测最的方法, 按照国家三、四等水准测最要求,直接联测1985 困家高程系的水准点至验潮站丰要水准点(或工 作水准点)的高差工.根据下式计算得到该验潮站 平均海面的高程Ah: Ah=MSL-(AH一曲 (10) 式中,通过常规测最方法可以得剑。 (2)固定点比较法。就是在以当地平均海面 为高程基准面的海图(或陆图)上和以1985‘图家 高程基准为离程丛准面的同一‘海区的现行的海 图(或陆图)上找到共同的陆上固定点。该固定点在采用不同高程基准面的两幅图上的高程差就 是当地平均海面的1985高程(或黄海高程)。为提 高精度和可靠性,在两幅图上,应选择一定数量 的固定点分别计算,对计算结果进行相互校核和 印证,然后选择其中最可靠的点取平均值作为 Jl。另外,有时还璺碰到1956黄海高程系的高 程基准问题,因为有时要用到近代历史沿用海图 和陆图,此类海图和陆图的高程基准大多采用黄 海平均海面为高程基准,所以在采用该方法时, 要顾及到这一点,就是说在求得平均海面的黄海 高程同时也就求得了平均海面的1985高程J,。 (3)潮信资料法。以当地平均海面为高程起 算面的海图上记载的验潮站大潮升数值减去平 均海面数值,即得到当地平均海面起算的平均大 潮高潮面的高度,然后再将采用1985凼家高程 基准的现行海图上记载的同一‘验潮站的大潮升 数值减去平均海面数值,即得到1985国家高程 基准起算的平均大潮高潮面的高度。以上两个平 均大潮高潮面的高度之著即为该验潮站当地平 中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集 179 均海面的1985高科舳。利用潮信资料法求取平 均海面的1985高程时,还要注意分析海图的历 史,出版年,j,认真核对海图所采用的高科基准: 当海图上记载有儿个或多个验潮站的潮信资料 时,要分别计算,将计算结果进行比较校核,取 其可靠的平均值作为当地平均海面的1985高程 63。 经计算,中刚海区的多年平均海面高度 63(从1985国家高程起算)自北向南逐渐增加, 早现个阶梯形的变化,其转折点分别是福建的 东山和江苏的吕泗,在每个阶梯面上各海区的多 年平均海面存在微小起伏,其中黄渤海海l又:多年 平均海面与1985国家高平}i!丛准基本一致,其变 化幅度在!cm士3cm,东海海区变化幅度在 23cm土3cm,南海海区变化幅度在34cm士3cm[12J。 中国海区部分长期验潮站的多年平均海面高度 63见表1。 部分长期验潮站多年平均海面高度63(cm)数据 变化 海区 序号 时段63 幅度 I18-2 222 0黄327 O1士3海51l 3613 0714 28739723 10 20 20 东ll 略22 22 23士3 海12 926 13 523 14 20 24 15 20 35 16 25 37 17 13 3l 南18 略12 35 34士3 海19 12 37 20 20 33 2l 734 22 19 34 在100~200kin范围的海区,多年平均海面 变化量仅几厘米,I_J时多年平均海面在较长时段 内也是很稳定的,凶此验潮站多年平均海面的高 程肭可以代表该验潮站限定控制范围内各处多 年平均海面的高度J,。 6结论 海洋测绘垂直基准是现代大地测量基准的 霞要组成部分。建立基于1985刚家高程基准的 平均海面模型,实现海岸带地区垂直基准转换的 关键技术在于计算不I司区域的多年平均海面高 度幽及理论深度基准面£,难点在于如何科学确 定£的数值和平均海面的1985高程幽。 统一我l词海洋测绘高程基准是阑家经济发 展和州防建设地需要。实现陆地地形图与海图数 字成果的无缝拼接,统一陆海垂直基准,建市深 度基准面与1985阑家高程基准面(平均海面)的 转换参数模型,无论是理论述是技术条件都已基 本成熟。在为海岸带经济开发、信息化保障和三 军协同作战用图提供一致性、准确性和可拼接性 的高程基准方面都具有十分重要的意义。 参考文献: 【l】翟国辩。黄谟涛.暴景阳.海洋测绘对测绘基准的需 求及现状fJl.海洋测绘,2003.(4)-54--58. 【2】刘雁春.海洋测深窄问结构及其数据处理【M】.北京: 测绘fl{版社.2003. 【3】赵建虎,张红梅,John EHughes Clarke.局部无缝垂 直参考基准lfii的建立方法研究【J】.武汉大学学报, 2006t(5):448--450. 【4】王双喜。黄文蹇.海岸带空间数据综合t{ 乖商基准的 统--[A].中国测绘学会第二十届海洋测绘综合性学 术研讨会论文集Ic].2008,102—106. 【5】申家双,翟Iq君.黄谟涛,等.海岸带乖商基准转换 技术【A】.中困测绘学会第一二十届海洋测绘综合性学 术研讨会论文集[c1.2008,9:47—51. 【6】中家双,翟京,p,翟I间君,等.海岸带地形图及其测 量方法研究川【J】.测绘通报,2007,(8):29—32. 川暴景吼I,章传银.关‘j:海洋垂直基准的讨论【J】.测绘 通报.2001.(6):72—80. 【8】欧tqI水忠,陆秀甲.黄谟涛,等.基二J二高精度GPS 测离的海洋深度测量技术【J】.海洋测绘.2005,(1): “13. 震.张志玮.基于参考椭球衙的陆海基准统一的研究【A】.中国测绘学会第一二|._一届海洋测 绘综合性学术研讨会论文集[CI.2009.9:94-97. 【10】-j:彩霞,卢岩,林林。等.基‘j:不同离程基准地 卿监索的转换.‘j统--[AI.中国测绘学会第一二.I厢海 洋测绘综合性学术研讨会论文集IC】.2008,9: 107一I lO. 对:方法研究fAJ.qJ【目测绘学会第十。‘届海}丫=测绘综合性学术研讨会论文集ICl.2009,9:90—93. 【12l诈家琨.沿岸当地甲均海嘶的岛程求取‘J应用【J】. 海}t测绘.2002.(5):16--19.

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