【編者按：本文論證了海域無縫垂直基準面的概念和體系結構，剖析了傳統(tǒng)海洋測繪技術的垂直基準縫隙存在形式，分析了建立和維持無縫垂直基準面的技術背景，探討了垂直基準面構建、維持和質量控制的技術方案，指出了構建和維持無縫垂直基準面是一個龐大的系統(tǒng)工程。本文發(fā)表在《海洋測繪》2013年第2期上，讀了本文讓原本許多海洋垂直基準混淆的概念變得清晰起來，是到了需要建立統(tǒng)一體系的時候了，現(xiàn)經(jīng)作者同意編輯發(fā)表，望朋友們閱讀分享。暴景陽，1965年出生，男，遼寧凌源人，教授，博士，博士生導師，主要從事海洋大地測量研究。】

文/暴景陽 許軍 崔楊

一、引言

測繪基準的建立和維持是測量工作實施和空間信息產品開發(fā)和生產的基礎，大地測量基準延伸至海洋，除高精度位置基準(平面基準)和重力基準屬自然的空域擴展外，從信息獲取和表達的應用角度看，高程基準則主要演化為表現(xiàn)形式多樣的海洋垂直基準。因此，海洋測繪工作所涉及的特色型測繪基準主要是海域垂直基準。

海洋測繪垂直基準包括兩種類型，即大地測量意義上的垂直基準和海洋測繪信息獲取和表達的應用垂直基準，而后者本質上屬于潮汐基準，即考慮潮汐變化規(guī)律和信息利用原則所規(guī)定的基準，雖然，目前國際上用統(tǒng)計方法或潮汐參數(shù)計算方法定義的潮汐基準眾多，但對信息獲取和表達最為相關的基準主要包括深度基準(凈水深基準)和特征地物、障礙物的凈空高度基準(以下簡稱凈空基準)。

國內近年來關于深度基準的研究多限于我國所采用的深度基準，即理論最低潮面的確定方法及改進，或理論最低潮面與國際推行的最低天文潮面的比較分析。這種研究主要關注深度基準面確定的量值、精度和保障率等因素，研究方法僅適用于已有長期水位觀測，且獲得可靠潮汐調和常數(shù)的驗潮站處的深度基準面確定與更新。部分研究側重于深度基準面?zhèn)鬟f方法，主要用于短期和臨時驗潮站深度基準面的確定。

國際上，關于連續(xù)無縫海域垂直基準面的研究日益成為海洋測繪及相關領域的研究熱點之一。一批學者和一些國家的海洋測繪服務機構業(yè)已在理論和技術體系上論證了連續(xù)無縫海域垂直基準面的種類和實現(xiàn)方式，描述了各類潮汐基準與大地基準的關系，國際測量師聯(lián)合會出版了專門報告，以期對各國連續(xù)無縫垂直基準面的建立提供指導。在國內，也對無縫垂直基準面做了構建方法和應用需求等的研究，但總體而言，沒有從根本的理論和技術體系上進行深入系統(tǒng)的論證。

本文將對連續(xù)無縫垂直基準面得以研究的技術背景、基準面體系及內涵、構建方法和不同基準間轉換的基本技術進行系統(tǒng)分析和論述。

二、垂直基準面體系與框架

⑴垂直基準面的類型及具體形式

海域垂直基準分為大地測量類型的高程基準和海洋測繪專用基準兩類。每一類型又有多種實現(xiàn)方式。

屬于大地測量類型的垂直基準包括與大地坐標系相聯(lián)系的大地高系統(tǒng)，與地球重力場信息相關的正高、正常高和力高系統(tǒng)。當然，在海洋區(qū)域，由于大地水準面與似大地水準面重合，正常高系統(tǒng)的基準也即正高系統(tǒng)的基準。

海洋測繪專用垂直基準為潮汐基準，重要的基準包括平均海面、海圖深度基準面和某種意義的高潮面。在我國對這些基準的系統(tǒng)化論證尚不充分，更缺乏系統(tǒng)性的技術文件對海洋測繪工程的應用做明確約定。而在美國，含大地測量型和潮汐類型的垂直海域均有明確的定義方式，列有28種之多。

海圖深度基準通常簡稱為深度基準，它是一個較大的概念，國際上，深度基準面的通行確定原則是考慮航行保證率和航道利用率兩個方面，它的確定要求海面(特別是低潮面)可以但很少落入該面之下。深度基準面的概念可以與高程基準面做相應的類比，正像不同的國家或地區(qū)分別采用正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)一樣，深度基準面也具有不同的確定方式，世界各國選用的深度基準面類型有20余種之多。我國的深度基準面在1956年之前，也曾采用多種定義形式。而后統(tǒng)一采用了理論最低潮面。這種對深度基準面實現(xiàn)方式的統(tǒng)一規(guī)定，實質上是規(guī)定了深度基準面的系統(tǒng)。盡管我國對深度基準面采用統(tǒng)一的具體特征潮面規(guī)定，隨著《海道測量規(guī)范》的幾次修訂，該基準的具體實現(xiàn)方式卻幾經(jīng)變遷，因此，不同驗潮站或不同海區(qū)的深度基準面卻存在著不同的低潮含義，按現(xiàn)行《海道測量規(guī)范》計算各長期驗潮站深度基準面可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)站采用值與重新按統(tǒng)一公式計算值之間存在明顯差異。

除深度基準之外，在海洋測繪中還存在凈空基準。即表示燈塔光心高度、海上道橋與懸空線纜的凈空高度的基準，同時用作海岸線的標定基準。該基準也通常選定為某種潮汐基準面，存在不同的定義或選擇方式，如美國選用平均高潮面，我國則規(guī)定為平均大潮高潮面。然而，迄今為止，對這類基準的研究論證明顯欠缺，甚至各驗潮站成果的報表信息也沒有對該面進行明確標定，在海洋測繪實踐中也存在以理論最高潮面代替的現(xiàn)象，從而使得采用的凈空基準面偏高。

⑵潮汐基準面的維持體系與框架

潮汐基準面，特別是深度基準面和凈空基準面是根據(jù)海區(qū)潮汐強弱確定的，即采用逐點定義方式，通常相對當?shù)囟嗄昶骄Ｃ嬗嬎?。因此，這類潮汐基準面以平均海面(盡管該面也是一種潮汐基準面，因具有潮汐振動平衡面的特性，便于用作表示其他潮汐基準的參考面)為參考。在現(xiàn)代技術條件下，由于衛(wèi)星測高技術為確定平均海面高模型和海面地形模型提供了可能，也就便于經(jīng)由平均海面這一過渡面，將海洋測繪專用垂直基準面表征在大地坐標系(大地高系統(tǒng))和高程基準等大地測量類型的垂直基準體系中。因此，平均海面、地球橢球面和大地水準面(國家高程基準)均可構成潮汐類海域垂直基準面的表達基準，目前將深度基準面和凈空基準面以高精度標定在大地坐標系和國家高程基準仍是需要實現(xiàn)的重要目標。關鍵是通過對潮汐模型的精確構建或精化，全面掌握海域潮汐規(guī)律，從而根據(jù)潮汐信息，按統(tǒng)一的公式(規(guī)定的系統(tǒng))逐點計算深度基準面和凈空基準面，正像用高精度高分辨率大地水準面作為國家高程基準的表達形式一樣，以高分辨率數(shù)值形式建立起這兩類應用基準面的數(shù)值表征體系和模型。

無論潮汐模型將如何構建和精化，驗潮站的潮汐數(shù)據(jù)必將對模型起最基本的控制作用。事實上，國際上關于構建連續(xù)無縫深度基準面的技術指南，將驗潮站深度基準面的內插或擬合作為一種基本的實現(xiàn)方式。

適當密度的驗潮站不僅可直接提供一系列站點的潮汐基準數(shù)據(jù)，而且，由長時間水位觀測分析獲得的潮汐參數(shù)也是對潮汐模型控制和精化的基礎數(shù)據(jù)。

一般而言，為支撐海洋測繪信息處理服務，國際上將驗潮站分為基本站(一類站)、二類站和三類站三種類型。其中，基本站應具有19年以上的水位觀測數(shù)據(jù)，用以精確確定潮汐參數(shù)，并按規(guī)定的歷元提供最高精度的潮汐數(shù)據(jù)和基準數(shù)據(jù)。二類站應有1年以上的連續(xù)水位觀測，三類站要求連續(xù)的水位觀測必須滿1個月以上。二類站和三類站必須通過與鄰近長期驗潮站同步觀測數(shù)據(jù)的差分處理，精化其潮汐參數(shù)，并由傳遞法確定其深度基準面。因此，驗潮站網(wǎng)構成了潮汐參數(shù)和垂直基準的維持框架。在我國，海道測量應用的驗潮站，不僅所規(guī)定的長期站、短期站和臨時站與國際通行做法的規(guī)定時間要求對應地低一個數(shù)量級，而且，驗潮站對潮汐基準的框架維持作用也不明顯。

三、海域基準面縫隙存在的形式

⑴不同類型基準面之間垂向縫隙

海域垂直基準面包括潮汐基準面和高程基準面，盡管高程基準面在海域地理信息獲取和表示方面基本不被采用，但在海岸帶區(qū)域，由于陸圖和海圖采用的垂直基準不同，垂直基準與垂直屬性數(shù)據(jù)均存在與潮汐基準在國家高程基準中表達量級等同的差異，即垂向縫隙。因此，存在地形測量和水深測量數(shù)據(jù)的校核問題。這種縫隙主要表現(xiàn)在深度基準、凈空基準與國家高程基準之間的差異，而這些基準面的相互表達關系正是海域垂直基準轉換的核心內容。

⑵深度基準面間的橫向縫隙

傳統(tǒng)海域垂直基準的縫隙主要指深度基準面的不連續(xù)性。盡管凈空基準存在同樣的問題，卻因關注度稍弱，重視程度較低。

深度基準面不連續(xù)性產生的原因主要包括以下幾個方面。

①深度基準面的離散表示形式。因潮汐狀態(tài)的復雜性，深度基準面采用逐點定義和實現(xiàn)方式，故深度基準面相對平均海面而言，本應為連續(xù)曲面，然而，深度基準的具體數(shù)值僅在離散的驗潮站點獲得，所以，即便每點的深度基準面都按完全相同的定義和算法確定，基準面也僅以離散點列為表達形式，類似于大地測量中的一系列水準點表示高程基準的作用。

②深度基準面的低潮含義缺乏一致性。盡管都采用理論最低潮面系統(tǒng)，但由于各驗潮站深度基準面采用的具體算法或方式不同，也會造成各驗潮站點深度基準面的低潮含義不同，從而，不同站點間的深度基準面并不相互匹配。算法的不同表現(xiàn)在：由于規(guī)范具體規(guī)定的變遷，深度基準面的計算曾采用分別由8個分潮、11個分潮和13個分潮調和常數(shù)計算的不同形式，其中3個淺水分潮和2個長周期分潮所起的作用曾經(jīng)是根據(jù)相應的判定條件，對由8個半日分潮和全日分潮計算的理論最低潮面施加必要的改正方式得以體現(xiàn)，而現(xiàn)行的《海道測量規(guī)范》則將方法統(tǒng)一為直接確定13個分潮組合可能獲得的最小值。各驗潮站深度基準面確定方式還存在直接計算法和傳遞法的差異，傳遞法主要用于短期，特別是臨時驗潮站深度基準面的確定，其中又存在潮差比法、4個主要分潮振幅和比值法以及簡單的依據(jù)周邊驗潮站深度基準值的距離倒數(shù)加權內插(外推)法，不同的傳遞方法得到的結果往往具有不同的含義，使得短期和臨時驗潮站的深度基準面確定的可靠性受到影響，難以與周邊長期驗潮站深度基準面的理論最低潮含義合理匹配。

③水位改正技術不同造成的水深點深度基準的臺階性躍變。水位改正是在驗潮站深度基準和水位觀測數(shù)據(jù)控制下實現(xiàn)的，而單站以點代面的改正方法，和雙站分帶及多站分區(qū)方法，都會在測區(qū)的邊緣，或分帶與分區(qū)的邊緣產生深度基準的階梯性躍變。當然，近年來，和國際連續(xù)分帶法相類似，國內采用的時差法或最小二乘擬合法實現(xiàn)的測區(qū)水位連續(xù)建模技術基本克服水位改正引起的基準階躍現(xiàn)象。而在不同歷史時期水深測量數(shù)據(jù)處理和整合時，水位改正法導致的深度基準的不連續(xù)問題仍然是必須關注和解決的。

四、海域無縫基準面構建的相關問題

⑴建立無縫垂直基準體系的現(xiàn)實需求

海域連續(xù)無縫垂直基準面的構建之所以成為近年來國內外海洋測繪領域的研究熱點之一，主要是海洋測繪數(shù)據(jù)獲取、處理、管理和應用不斷對其提出適應技術發(fā)展的現(xiàn)實需求。

首先，在精密衛(wèi)星定位技術的支持下，測量過程中獲得的位置數(shù)據(jù)已不局限用于平面定位，而是對瞬時海面，乃至通過水深數(shù)據(jù)對所測量的海底，在大地測量坐標系中實現(xiàn)精確的垂直定位，因此，催生了無驗潮模式的水深測量技術。正像大地水準面精化在測量工程中日益發(fā)揮高程基準支持作用一樣，新模式的水深測量需要高精度、且成體系的深度基準面模型作為基準支持。在這種模式下，水深數(shù)據(jù)可以在深度基準面大地高模型和實測的海底大地高之間截取，而且可削弱測量載體動態(tài)升沉變化的有關誤差。因此，連續(xù)無縫深度基準面的構建是可靠實施無驗潮水深測量的先決條件。

其次，海洋測繪信息處理和管理已跨入數(shù)字化時代，在數(shù)據(jù)庫管理技術下，對不同歷史時期、不同技術條件下獲得的水深數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理或管理，不僅是必要的，也是必須的。在歷史數(shù)據(jù)整合過程中，對數(shù)據(jù)基準的統(tǒng)一則是首要的基礎工作。同時，水深數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理與管理，使得水深測量的工作模式可以擺脫面向航海圖編制這一單一目標所采用的基準利用形式，首先關心和保證測量成果的質量指標，利用更靈活的基準表示形式。

最后，水深數(shù)據(jù)的應用已不限于單一的航海圖產品制作。通過構建科學合理的海域垂直基準體系，以及實現(xiàn)不同垂直基準的變換，實現(xiàn)多用途海洋測繪信息產品的研發(fā)和分發(fā)。

⑵建立無縫垂直基準體系的有關技術問題

①無縫基準面的選擇與相互變換

關于海域無縫垂直基準面，國際和國內的一個典型觀點是將該面選擇為地球橢球面。該基準面優(yōu)良的幾何性質和連續(xù)平滑特性毋庸置疑，而且可以與定位所用的大地坐標系完全相容。因此用作基礎數(shù)據(jù)的組織和管理是適合的，但需要顧及數(shù)據(jù)獲取采用的技術手段，以及由傳統(tǒng)測量技術獲得的數(shù)據(jù)向這類基準面轉換的質量控制問題。

從應用的角度看，海域無縫垂直基準面應按多個種類和多種層級選擇。即包括地球橢球面和大地水準面等大地類型的垂直基準，又應選擇深度基準面和凈空基準面等不同應用目標的專用基準。研究工作的重點是確定不同垂直基準面的相互關系。

在現(xiàn)代大地測量技術支持下，以地球橢球面為最底層的連續(xù)無縫垂直基準面，能夠實現(xiàn)多種類型基準面相對該基準的近連續(xù)形式(高分辨率網(wǎng)格)表達。具體實現(xiàn)方案是：利用大地水準面精化技術構建海域大地水準面模型，利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)構建平均海面高模型。得到以上兩種模型的差異分布即獲得海面地形模型。而深度基準面和凈空基準面又是根據(jù)潮汐數(shù)據(jù)，相對當?shù)囟嗄昶骄Ｃ娲_定的，因此，潮汐類型的垂直基準面可以通過平均海面高模型表示在大地高系統(tǒng)中或通過海面地形模型表示在國家高程基準中，實現(xiàn)潮汐類型垂直基準面與大地類型垂直基準面的相互轉換，即實現(xiàn)基于地球橢球的基礎數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和海圖目標數(shù)據(jù)的變換以及海圖數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的轉換。

在各層級無縫垂直基準面的具體構建工程中，布設適當數(shù)量的實測檢核點是必要的。包括GPS水準點用以控制和修正大地水準面模型。驗潮站的精密三維定位數(shù)據(jù)(連同本站的平均海面高數(shù)據(jù)和水準觀測數(shù)據(jù))控制平均海面高模型。另外，由潮汐模型數(shù)據(jù)構建的深度基準面模型和凈空基準面模型也需由長期驗潮站的相應計算值控制。

②基準面的高分辨率網(wǎng)格形式表示

由離散的基準表現(xiàn)形式發(fā)展為連續(xù)形式，有多種技術實現(xiàn)方案，比如，國際和國內部分研究者所采用的利用驗潮站基準數(shù)據(jù)的擬合技術，但從根本上，由潮汐因素決定的垂直基準面應顧及海域潮波變化的物理機制，即以潮汐模型為基礎，構建高分辨率網(wǎng)格形式的基準面模型，該方案同樣可類比于根據(jù)重力數(shù)據(jù)的大地水準面精化技術，只不過在物理大地測量學中，大地水準面的確定和精化顧及的是重力場的物理機構，而在潮汐基準構建中，必須遵從潮波運動滿足的物理規(guī)律?？紤]到潮波的長波特性，以分辨率達到1～5分的網(wǎng)格形式表示深度基準面和凈空基準面不僅是必要的，而且是可行的。

③潮汐基準面精度指標與確定原則

用于水深數(shù)據(jù)獲取、處理、管理和應用的無縫垂直基準面，關鍵作用是實施基準的轉換，因此，其精度指標的確定應以不損失不同基準下地理信息數(shù)據(jù)的轉換精度指標為原則。在淺海區(qū)域，水深的精度一般限定在20～30cm。故深度基準面的確定應明顯高于該精度指標，按誤差傳播律，規(guī)定深度基準面確定精度為水深精度的1／3是適合的，然而，對無縫垂直基準面構建而言，這樣的精度指標實質上是比較苛刻的，據(jù)英美等國家的無縫海域垂直基準面構建的經(jīng)驗，目前也僅達到20～30cm誤差量級的精度水平。因此，根據(jù)我國現(xiàn)有潮汐模型構建的成果水平以及近岸驗潮站的分布情況，限定開闊海域精度達到10cm，海峽和海灣等特殊區(qū)域精度達到15cm，仍然需要做艱苦細致的工作。

構建連續(xù)無縫的海域潮汐類型垂直基準面，必須充分考慮不同海域的潮汐特點和可用數(shù)據(jù)分布情況。一般而言，潮汐模型對開闊海域的潮汐分布能夠做到比較精準的刻化，而在沿岸、內海和其他的半封閉海域，潮汐模型的精度會明顯降低。而上述這種類型的海域以及所有淺于200m的大陸架水域，正是海洋測繪工程的重點區(qū)域。因此，必須根據(jù)這類區(qū)域的特點，設計科學合理的無縫垂直基準面構建方案?；舅悸窇撌浅浞掷醚匕兜拈L期驗潮站及海道測量工程實施中布設的短期和臨時驗潮站潮汐參數(shù)信息及基準信息，控制和約束無縫潮汐基準面的構建成果。具體措施是由長期驗潮站的調和常數(shù)參與潮汐模型同化，保證潮汐類無縫垂直基準面基礎數(shù)據(jù)的精度。同時，將各類驗潮站構成基準控制網(wǎng)，在對長期驗潮站潮汐基準進行歷元確定和對基準按統(tǒng)一計算公式進行更新的基礎上，用作短期和臨時驗潮站基準面確定的控制條件，由傳遞法確定短期和臨時驗潮站的基準，并做出可行的質量評價。最終，由所有驗潮站的基準確定數(shù)據(jù)，對根據(jù)潮汐模型確定的深度基準和凈空基準進行修正與改進。

五、結束語

海域無縫垂直基準面的構建和維持作為海洋測繪的基礎性系統(tǒng)工程，不僅要與現(xiàn)代大地測量技術和海洋測繪技術的發(fā)展相適應，以支持海洋空間信息的獲取、組織與管理，又要充分利用這些測量技術提供的技術成果。關鍵是確立起建立和維持現(xiàn)代海洋測繪垂直基準體系的理念，使得所建立和維持的基準具有明確的定義，具有明確的無縫表達形式和維持框架以及必要的質量控制指標。