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(diǎn)實驗室，福建 廈門 361013）

垂直基準(zhǔn)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(diǎn)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(zhǔn)面的不同結(jié)果也會不同。所以想要建立垂直基準(zhǔn)，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(dāng)中的多個垂直基準(zhǔn)面之間的關(guān)系和海洋測繪垂直基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)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(zhǔn)；高程基準(zhǔn)

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(zhǔn)面的問題，目前海洋測繪工作匯中所使用的基準(zhǔn)面有2000國家大地坐標(biāo)系、參考橢球面、1985國家高程基準(zhǔn)、大地水準(zhǔn)面、深度基準(zhǔn)面和平均海面等。當(dāng)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(zhǔn)面，所以所測得的數(shù)據(jù)也因為基準(zhǔn)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(dá)到統(tǒng)一基準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)之間的關(guān)系

目前我國的海洋測繪垂直基準(zhǔn)是以CGCS2000坐標(biāo)系作為垂直基準(zhǔn)進(jìn)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(zhǔn)。我國的海洋測繪基準(zhǔn)主要問題是因為陸地和海洋不是使用同一基準(zhǔn)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(zhǔn)面之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)面和WGS84參考橢球的垂直距離，也可以成為大地水準(zhǔn)面差距；L表示為從平均海面作為基準(zhǔn)面算出的理論深度基準(zhǔn)面數(shù)值；h表示深度基準(zhǔn)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(zhǔn)確的平均海面大地高H1、如果已經(jīng)了解大地水準(zhǔn)面的距離N，則還需要建立大地水準(zhǔn)面起算的海底地形高程，即N-H4。當(dāng)前利用衛(wèi)星進(jìn)行測量，然后進(jìn)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(biāo)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(zhǔn)的建立和轉(zhuǎn)換

目前我國普遍都是采用CGCS2000坐標(biāo)系結(jié)合高斯投影的手段對海岸地形和水深進(jìn)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(biāo)，但是海圖是使用的當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)深度作為基準(zhǔn)，所以要想將地形圖和海圖進(jìn)行憑借，就務(wù)必要求將海洋測繪的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換技術(shù)熟悉掌握，建立當(dāng)?shù)厣疃然鶞?zhǔn)和高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換模型。

CGCS2000坐標(biāo)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(biāo)系的幾點(diǎn)說明如下。圖2為CGCS2000坐標(biāo)系的示意圖

原點(diǎn)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(biāo)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(yùn)動無凈旋轉(zhuǎn)條件保證。由圖2所示，原點(diǎn)：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(diǎn)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(biāo)系。CGCS2000的參考橢球為一等位旋轉(zhuǎn)橢球。等位橢球（或水準(zhǔn)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(biāo)系的原點(diǎn)重合，旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)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(zhǔn)聯(lián)測法

利用幾何水準(zhǔn)測量方式，根據(jù)國家3、4等水準(zhǔn)測量規(guī)定，直接聯(lián)測2000國家大地坐標(biāo)系的水準(zhǔn)點(diǎn)至驗潮站水準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)比較法

這種測量法主要是通過當(dāng)?shù)仄骄Ｃ孀鳛楦叱袒鶞?zhǔn)面的海圖或路地圖和2000國家大地坐標(biāo)系為坐標(biāo)高程準(zhǔn)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(diǎn)，進(jìn)而了解固定點(diǎn)在使用不同的高程基準(zhǔn)面時的高程差?？梢栽趦煞鶊D上，選取多個固定點(diǎn)分別進(jìn)行計算，將計算出的結(jié)果之間進(jìn)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(zhǔn)確度和可靠度。

2.3潮信資料法

將當(dāng)?shù)氐钠骄Ｃ孀鳛楦叱袒鶞?zhǔn)，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(dāng)?shù)氐钠骄Ｃ嫫鹚愕钠骄蟪备叱泵娴母叨?，再利?000國家大地坐標(biāo)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(biāo)系的高程基準(zhǔn)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(rèn)真核對海圖中所采用的高程基準(zhǔn)是否準(zhǔn)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(jìn)行計算，將計算所得結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)面的嚴(yán)密定義和我國高程基準(zhǔn)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(diǎn)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)是目前現(xiàn)代大地測量基準(zhǔn)的一項重要“成員”。想要將2000國家大地坐標(biāo)系作為海平面模型，就必須實現(xiàn)還按地區(qū)的垂直基準(zhǔn)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(zhǔn)L。

綜上所述，利用水準(zhǔn)聯(lián)測法、固定點(diǎn)比較法或者潮信法對△h進(jìn)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(zhǔn)確、完善和可拼接的高程基準(zhǔn)給海岸經(jīng)濟(jì)的開發(fā)提供保障保障。

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

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

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