許寶華

摘要：為了解決復(fù)雜水文條件和遠(yuǎn)距離等因素給垂直基準(zhǔn)傳遞帶來的精度低、可靠性無法驗(yàn)證的難題，提出并研究了長江口外遠(yuǎn)距離海上平臺垂直基準(zhǔn)體系的建立方法。首先，建立了覆蓋平臺水域的GNSS控制網(wǎng);然后，給出了聯(lián)合似大地水準(zhǔn)面精化模型、平均海平面及海面地形的1985國家高程計(jì)算方法、平均海平面和深度基準(zhǔn)面綜合確定方法;最后，形成了平臺垂直基準(zhǔn)遠(yuǎn)距離傳遞的完整方案。借助于上述方法開展了長江口外遠(yuǎn)距離海上平臺垂直基準(zhǔn)傳遞研究，獲得了互差為2 mm的平臺1985國家高程以及精度優(yōu)于3 cm和5 cm的平臺平均海平面和深度基準(zhǔn)面，在此基礎(chǔ)上，建立了長江口外遠(yuǎn)距離海上平臺的垂直基準(zhǔn)體系。

關(guān) 鍵 詞：海上平臺; 垂直基準(zhǔn)體系; 1985國家高程; 平均海平面; 深度基準(zhǔn)面; 長江口

中圖法分類號： P229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.021

0 引 言

為滿足上海城市防汛安全和建設(shè)管理、長江口水土資源開發(fā)利用、水環(huán)境治理和保護(hù)等基本需求，上海市水務(wù)局在長江口外新建了海上平臺監(jiān)測站?；诤Ｉ掀脚_，可以開展長江口外的海面、潮位和水下地形等監(jiān)測工作。完整的平臺垂直基準(zhǔn)體系（1985國家高程、平均海平面和深度基準(zhǔn)面及基面間關(guān)系）建立可以為上述工作提供參考基準(zhǔn)，但目前尚未有相關(guān)體系。

借助局域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)可以獲得高程異常，聯(lián)合GNSS實(shí)測大地高，可以實(shí)現(xiàn)1985國家高程確定[1-3]。該方法在內(nèi)陸和沿海岸具有厘米級的高程確定精度，但針對海區(qū)的外推精度驗(yàn)證研究卻較少[4]。聯(lián)合長期平均海平面（Mean Sea Level，MSL）和海面地形可以實(shí)現(xiàn)海上測點(diǎn)1985國家高程的確定[5]，但高程傳遞精度受距離影響[3]。短期驗(yàn)潮站的MSL可以借助于長期驗(yàn)潮站的同步潮位數(shù)據(jù)及長期潮位站的長期MSL，采用同步改正法、回歸分析法、最小二乘綜合傳遞法等來傳遞[6-7];短期站的深度基準(zhǔn)面L值，可以借助于長期驗(yàn)潮站的同步潮位及長期潮位站的L值來傳遞[6-7]。MSL和L的傳遞方法相對成熟，不同傳遞方法的機(jī)理不同，且傳遞精度受距離、水文條件等因素影響[8]。長江口外受周期性海潮和長江水流綜合影響，水文條件復(fù)雜，加之平臺距離岸邊潮位站距離較遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)達(dá)60 km），給MSL和L的高精度、可靠性傳遞帶來了挑戰(zhàn)。

為此，本文開展了長江口外遠(yuǎn)距離海上平臺垂直基準(zhǔn)體系建立方法的研究，尋求1985國家高程、MSL和L遠(yuǎn)距離、高精度傳遞的最優(yōu)方法，以解決復(fù)雜水文條件、遠(yuǎn)距離等因素給垂直基準(zhǔn)高精度、可靠傳遞帶來的難題，建立了長江口外海上平臺的垂直基準(zhǔn)體系。

1 GNSS控制網(wǎng)建立及平臺CGCS2000大地坐標(biāo)確定

為實(shí)現(xiàn)海上平臺三維基準(zhǔn)的確定，建立了由31個(gè)GNSS控制點(diǎn)組成的、覆蓋長江口和平臺水域的GNSS控制網(wǎng)（見圖1）。全網(wǎng)由B級和C級GNSS控制點(diǎn)、長期潮位站上的水準(zhǔn)點(diǎn)、海上平臺控制點(diǎn)組成。GNSS控制網(wǎng)按照C級觀測要求開展靜態(tài)觀測。

為確?？刂泣c(diǎn)解算成果的可靠性，基線解算采用GAMIT軟件，GNSS網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)研制的COSA軟件來完成。得到的基線解算精度為1/1 020 000，平面點(diǎn)位精度為1.7 cm，大地高解算精度為1.6 cm，表明GNSS解算精度滿足項(xiàng)目要求。

根據(jù)GNSS網(wǎng)平差得到的平臺CGCS2000大地高，聯(lián)合2018年建立的覆蓋整個(gè)長江口及口外的似大地水準(zhǔn)面模型計(jì)算得到的平臺位置的高程異常ζ，根據(jù)式（1）可以計(jì)算該點(diǎn)的1985國家高程h85為

h85=HCGCS2000-ζ（1）

式中：HCGCS2000為由GNSS控制網(wǎng)平差計(jì)算得到的平臺大地高;ζ為由似大地水準(zhǔn)面模型計(jì)算的該點(diǎn)的高程異常。由式（1）得到平臺的1985國家高程為3.424 m。

2 海上平臺平均海平面的綜合傳遞

考慮平臺潮位觀測時(shí)序長度較短，僅有7個(gè)月潮位，平臺的平均海平面MSL采用傳遞的方法來確定（見圖2）。選擇與平臺開展同時(shí)段潮位觀測的長期潮位站，利用同步潮位，采用同步改正法（距平）、回歸分析法、最小二乘綜合傳遞法，分別開展短期潮位站長期平均海平面的傳遞，再綜合這些傳遞結(jié)果，最終確定平臺的MSL。由于采用不同方法開展平臺MSL傳遞，需要評估各自方法的精度，再根據(jù)各自精度加權(quán)平均得到平臺的最終MSL。為了得到各方法的精度，利用各方法逐月傳遞平臺MSL的值，采用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算該方法的傳遞精度。

σj=167i=1（MSLji-MSLj0）2，MSLj0=177i=1MSLji（2）

式中：σj為第j個(gè)方法傳遞的平臺MSL的標(biāo)準(zhǔn)差;MSLj0為第j個(gè)方法7個(gè)時(shí)段傳遞的平臺平均海平面MSLi（i=1～7）的平均值，則第j個(gè)方法傳遞得到的平臺最終MSLj為

MSLj=12（MSLj0+MSLjall）（3）

式中：MSLjall為第j個(gè)方法用所有7個(gè)時(shí)段的同步潮位數(shù)據(jù)傳遞得到的平臺MSL。

利用同步法、回歸分析法、綜合傳遞法從某長期站傳遞得到的平臺MSL為

MSL=1P3j=1pjMSLj（4）

式中：pj=σj，p為總權(quán)重。

基于以上方法，選取連興港、雞骨礁和牛皮礁3個(gè)長期潮位站與海上平臺7個(gè)月的公共潮位時(shí)序，推算平臺MSL，推算結(jié)果如表1～3所列。

由表1可知：每個(gè)時(shí)段傳遞的MSL非常接近。同步法和最小二乘綜合傳遞法計(jì)算的MSL接近，互差在0.015 m;而回歸分析法得到的MSL略小，與前2種方法計(jì)算的MSL最大偏差為0.088 m;比較分段傳遞結(jié)果和整個(gè)同步期間的傳遞結(jié)果，二者傳遞結(jié)果的最大互差0.009 m，表明二者傳遞結(jié)果接近，可求取二者的平均值作為該方法的最終傳遞結(jié)果。比較不同方法的傳遞精度，認(rèn)為同步法和最小二乘綜合傳遞法精度較高，加權(quán)平均得到連興港向平臺傳遞的最終MSL1為1.948 m，精度為±0.018 m。F3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3

由表2可以看出：每個(gè)時(shí)段傳遞的MSL接近，3種方法傳遞結(jié)果的平均值MSL的互差最大為0.012 m，表明3種方法的傳遞結(jié)果可信;比較分段傳遞結(jié)果和整個(gè)同步期間的傳遞結(jié)果，二者最大互差0.020 m，取二者的平均值作為該方法的最終傳遞結(jié)果。由于潮汐性質(zhì)近似，3種方法傳遞MSL均獲得了較高的精度和一致性，對3種方法的傳遞結(jié)果加權(quán)平均，得到雞骨礁向海上平臺傳遞的最終MSL2為1.965 m，精度為±0.032 m。

由表3可以看出：同步法和綜合傳遞法的平均MSL相近，互差在0.020 m，回歸法與其他2種方法傳遞的平均MSL互差較大，最大為0.084 m。由于數(shù)據(jù)缺測較多，利用2019年12月至2020年6月同步期間的潮位數(shù)據(jù)，借助回歸法和綜合傳遞法無法傳遞MSL。比較利用同步法分段傳遞結(jié)果的平均MSL和整個(gè)同步期間傳遞的MSL，傳遞結(jié)果相同。比較3種方法所得平均MSL，同步法和綜合傳遞法精度最高，對這2種方法的傳遞結(jié)果加權(quán)平均，得到牛皮礁向海上平臺傳遞的最終MSL3為1.940 m，精度為±0.029 m。

3個(gè)站傳遞MSL的最大互差小于3 cm，具有較好的一致性，表明本文在各站對不同方法傳遞MSL采用的取舍方法的正確性。為進(jìn)一步提高平臺MSL傳遞的可靠性，綜合以上3站傳遞結(jié)果及精度，采用加權(quán)平均方法，得到最終的海上平臺MSL=1.950 m。

3 平臺深度基準(zhǔn)面L值的綜合和確定

利用以上相同的長期潮位站和同步潮位序列，借助潮差比法、綜合傳遞法開展海上平臺深度基準(zhǔn)面L值的傳遞。采用的傳遞方法與傳統(tǒng)MSL近似，即利用各長期站與平臺的每月同步潮位，分別利用差比法、綜合傳遞法推算平臺的L值，再根據(jù)各方法的傳遞值和精度，加權(quán)平均得到平臺的L值和精度;然后綜合各站的傳遞結(jié)果和精度，加權(quán)平均得到平臺最終的L值和精度。各站傳遞平臺L值得到的結(jié)果如表4～6所列。

由表4可知，潮差比法和綜合傳遞法分段傳遞平均值互差為0.086 m。分段傳遞結(jié)果平均值與整個(gè)同步時(shí)間段的傳遞結(jié)果比較，潮差比法互差非常小，為0.012 m，綜合法較大為0.073 m。為此，本站的傳遞結(jié)果采用潮差比法結(jié)果。對潮差比法分段傳遞結(jié)果平均值和整個(gè)同步時(shí)間段的傳遞結(jié)果求平均，潮差比法的最終傳遞結(jié)果為2.285 m，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.023 m。

由表5可知：將分段傳遞結(jié)果平均并與整個(gè)同步時(shí)間段的傳遞結(jié)果比較，利用潮差比法和綜合傳遞法得到的二者互差都非常小，前者互差為0.007 m，后者互差為0.014 m。以上結(jié)果表明，得益于潮汐性質(zhì)近似，2種方法傳遞L的精度均較高，可用于計(jì)算平臺最終的L值。對分段傳遞結(jié)果平均值和整個(gè)同步時(shí)間段的傳遞結(jié)果求平均，潮差比法的最終傳遞結(jié)果為2.356 m，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.020 m;綜合傳遞法的最終傳遞結(jié)果為2.234 m，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.012 m。

由表6看出：潮差比法傳遞的各時(shí)段L相對平均L的最大偏差為0.061 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.048 m;綜合傳遞法的各時(shí)段L相對平均L的最大偏差為0.020 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.015 m。因數(shù)據(jù)中多個(gè)時(shí)段存在數(shù)據(jù)空缺，導(dǎo)致綜合傳遞法無法計(jì)算，考慮傳遞結(jié)果的可信性，放棄其傳遞結(jié)果。將潮差比法分段傳遞結(jié)果平均，并與整個(gè)同步時(shí)間段的傳遞結(jié)果平均，潮差比法的最終傳遞結(jié)果為2.279 m，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.048 m。

3個(gè)站傳遞結(jié)果的最大互差小于7 cm，具有較高的一致性。為確保結(jié)果的可靠性，對以上各站的有效推求結(jié)果加權(quán)平均，則得到海上平臺的最終L值推算結(jié)果為2.285 m。

4 平臺1985國家高程傳遞

基于以上結(jié)果，獲得了平臺的1985國家高程和平臺水域的平均海平面、深度基準(zhǔn)面。

考慮平臺外海水域GNSS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)較少，聯(lián)合GNSS控制網(wǎng)解算結(jié)果和似大地水準(zhǔn)面結(jié)果計(jì)算得到的平臺1985國家高程可靠性缺少驗(yàn)證。為此，根據(jù)大地測量理論，利用長期驗(yàn)潮站上水準(zhǔn)點(diǎn)的1985國家高程和平均海平面，計(jì)算長期站水域的海面地形;再根據(jù)平臺的平均海平面和海面地形，計(jì)算平臺的1985國家高程。

hp85=MSLp-Δ=MSLp-（MSLL-hL85）（5）

式中：hp85，hL85分別為平臺和長期站的1985國家高程;MSLp，MSLL分別為兩站的平均海平面，SymbolDA@為計(jì)算的海面地形。

3個(gè)長期驗(yàn)潮站中只有連興港在岸邊，具有水準(zhǔn)點(diǎn)。由3個(gè)長期站傳遞平臺MSL具有高度一致性可以認(rèn)為，由3個(gè)長期站和平臺包圍的水域海面地形變化一致且穩(wěn)定。據(jù)此，根據(jù)連興港站的長期平均海平面和1985國家高程，可以計(jì)算得到該水域的海面地形;再結(jié)合平臺的MSL，利用式（5）計(jì)算得到平臺的1985國家高程為3.420 m。

相較于利用GNSS解算所得大地高和似大地水準(zhǔn)面計(jì)算得到的平臺1985國家高程，二者的偏差僅為0.002 m，表明前面分析認(rèn)為垂直基準(zhǔn)傳遞水域海面地形變化一致的結(jié)果正確，2種方法確定的平臺1985國家高程可信。最終的平臺1985國家高程為

hp85=（3.420+3.424）/2=3.422（m）（6）

綜上，建立了由1985國家高程基準(zhǔn)、平均海平面和深度基準(zhǔn)面組成的平臺垂直基準(zhǔn)體系。

5 結(jié) 論

本文開展了平臺的1985國家高程、平均海平面和深度基準(zhǔn)面?zhèn)鬟f研究，實(shí)現(xiàn)了長江口外遠(yuǎn)距離海上平臺垂直基準(zhǔn)體系的高精度建立，結(jié)論如下。

（1） 平臺MSL傳遞中，回歸分析法僅適用于潮汐性質(zhì)相似的兩站間MSL傳遞，且精度較低;同步法和最小二乘綜合傳遞法具有較好的適用性和較高的傳遞精度。

（2） 平臺深度基準(zhǔn)面?zhèn)鬟f中，潮差比法適用性較強(qiáng)，傳遞L值的精度和可靠性均相對較高;最小二乘綜合傳遞法傳遞精度受兩站間潮汐性質(zhì)的相似性、潮位數(shù)據(jù)的連續(xù)性等影響，建議采用該方法前對潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和相關(guān)性分析。F3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3

（3） 盡量多地選用開闊、與平臺潮汐性質(zhì)近似的沿岸長期潮位站，對于確保如長江口外水文條件復(fù)雜的遠(yuǎn)距離平臺MSL和L傳遞的精度和可靠性非常重要。

（4） 聯(lián)合基于似大地水準(zhǔn)面精化模型確定平臺1985國家高程方法與顧及MSL和海面地形確定平臺1985國家高程方法，較好地解決了似大地水準(zhǔn)面模型向外延伸帶來的成果和精度不可靠問題以及海面地形變化復(fù)雜帶來的成果精度偏低問題，為長江口外遠(yuǎn)距離平臺1985國家高程確定提供了一種較好的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 暴景陽，翟國君，許軍.海洋垂直基準(zhǔn)及轉(zhuǎn)換的技術(shù)途徑分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2016，41（1）：52-57.

[2] 暴景陽，章傳銀.關(guān)于海洋垂直基準(zhǔn)的討論[J].測繪通報(bào)，2006（6）：10-11.

[3] 暴景陽.海洋測繪垂直基準(zhǔn)綜論[J].海洋測繪，2009，29（2）：70-73.

[4] KE H，LI F，AI S，et al.Establishment of Chart Datum and Vertical Datum Transformation for Hydrography in the Chinese Great Wall Bay，Antarctic Peninsula[J].Journal of Surveying Engineering，2020，146（2）：05020003.

[5] 孫翠羽.海洋無縫垂直基準(zhǔn)面建立方法研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[6] 趙建虎.現(xiàn)代海洋測繪[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[7] 許軍，暴景陽，于彩霞，等.海洋潮汐與水位控制[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2020.

[8] 柯灝，張紅梅，鄂棟臣，等.利用調(diào)和常數(shù)內(nèi)插的局域無縫深度基準(zhǔn)面構(gòu)建方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（5）：616-620.

（編輯：劉 媛）

Establishing of vertical datum system for offshore platform outside Yangtze River Estuary

XU Baohua

（Yangtze River Estuary Investigation Bureau of Hydrology and Water Resources，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China）

Abstract：

For solving the low accuracy and low reliability of vertical datum transmission caused by complex hydrological conditions and long distance，this paper proposed a method of establishing vertical datum for long-distance offshore platforms outside the Yangtze River Estuary.Firstly，the GNSS control network was established in the water area.Subsequently，combined with the quasi-geoid refinement model，the mean sea level and sea surface topography，a method for determining 1985 national elevation was given，based on which the comprehensive method for determining the mean sea level and chart datum was given.Finally，a completed scheme for the long-distance transmission of vertical datum was formed.To verify the validity of the proposed method，this paper had determined the vertical datum of the offshore platform by the proposed method.The results showed that the mutual difference of determining the 1985 national elevation was 2 mm and the standard deviations of determining the mean sea level and the depth datum L of the platform were 3 cm and 5cm respectively.

Key words：

vertical datum system;offshore platform;1985 national elevation;mean sea level;depth datum;Yangtze River EstuaryF3AE4F15-55CE-4E5B-BEE4-BC3C74BBADE3