海洋测绘垂直基准综论

【编者按：本文系统分析了海洋测绘垂直基准的分类及其在海洋空间信息表达中的作用，论证了现代海洋测绘垂直基准的体系模式。阐述了无缝海图深度基准的概念和实现方案、海洋测绘垂直基准的分级模式、不同级别垂直基准的相互转换关系，以及海洋测绘垂直基准的质量控制和应用。目的是推动现代海洋测绘垂直基准框架体系的建设。暴景阳教授多年从事海洋大地测量的研究，在学术上有很深的造诣，本文发表在《海洋测绘》2009年第2期上，现经作者同意编辑发表，望朋友们阅读分享，建议业内人士认真学习并收藏。暴景阳，1965年出生，男，辽宁凌源人，教授，博士，主要从事海洋大地测量研究。】

一、引言

海洋测绘信息表达的基准是大地测量基准在海洋及其他水域的扩展，是大地测量基准的重要组成部分，分为空间位置信息的平面基准和垂直基准，以及地球物理测量信息的重力基准和磁力基准，上述各类基准共同构成现代海洋测绘建设的基础设施。在高精度空间技术快速发展的背景下，海洋测绘基准的建设、维持与精化日益成为重点攻关课题。

垂直基准作为海洋测绘基准的分支体系，在现代海洋测绘基准建设中具有突出的地位，与陆地垂直基准--高程基准相比，具有更明显的特殊性以及概念和构建与维持方法的扩展性。现代海洋测绘垂直基准体系整体架构的确定和发展，对海道测量作业和海洋空间信息产品生产具有越来越重要的理论和现实意义。

二、海洋垂直基准的分类及其作用

⒈ 海洋垂直基准的分类

海洋区域的垂直基准可概括为如下三类。

(1)纯几何意义的垂直基准

几何大地测量意义的地球椭球面基准，是全球统一的高精度连续的垂直参考面，是为海域任意空间点提供大地高信息的参考基准。

(2)由动态物理海洋过程和效应决定的垂直基准

主要指有关的特征潮面。重要的特征潮面包括平均海面、平均高(低)潮面以及基于某种准则定义的最高(低)潮面。这类基准面通常称为潮汐基准面，是海道测量成果表达的应用垂直基准。常用的有平均海面、海图深度基准面、平均大潮高潮面。平均海面不论在大地测量学、海道测量学还是物理海洋学中都具有重要的意义，是滤除了波浪和潮汐效应的似稳态海面，是零频海面的实际近似，特定地点的平均海面用于确定区域高程基准，任意点的平均海面又是确定海图深度基准面和平均大潮高潮面的直接参考面。平均海面相对于地球椭球面的起伏将海道测量应用的垂直基准面与大地坐标系联系起来，是海洋测绘与现代大地测量技术相结合的纽带。

(3)由稳态的地球重力场决定的重力等位面基准和似稳态海洋动力效应引起的基准偏差

反映地球重力场作用的垂直基准包括大地水准面和似大地水准面。其中，该类基准又包含全球和局部基准体系，全球大地水准面是和全球平均海面最为密合的地球重力等位面，而据估算，在海洋区域全球意义的似大地水准面和大地水准面之间仅存在毫米以下量级的偏差。因此，在目前的应用需求下，可视为海洋区域的大地水准面和似大地水准面重合。局部意义的大地水准面和似大地水准面是陆地局部高程基准参考面向海域的自然延展。而平均海面相对于大地水准面的起伏，即海面地形，反映着稳态海流和／或海水温度、盐度分布差异的特征，该差异体现为零频意义海面与等位意义理想海面的偏差，联系于大地测量学和物理海洋学的相关理论。

⒉ 海洋区域垂直基准在描述海洋空间信息中的作用

海洋区域的三类垂直基准在描述海洋空间信息，特别是水深数据和各类高程数据中各自发挥着独特的作用，而且不同类垂直基准之间通过相应的模型和算法实现相互转换。

作为潮汐基准面的应用性垂直基准在传统海洋测绘中构成了相对完善的垂直基准体系，这些基准均直接或间接由验潮站水位序列计算获得。而在这类基准中又存在级别的差异，其中平均海面是海洋潮汐作用的平均面，构成了海图深度基准面和平均大潮高潮面的参考基面，由平均海面起算的深度基准和平均大潮高潮面随平面位置的变化反映着海图深度基准面和平均大潮高潮面的曲面型几何结构，是海图深度和特定标志点高程信息表达的垂直参考面，尽管这种连续形态的参考面尚未以实用化程度实现，但由这些基准提供安全(保守)水深和保守高度的概念却是明晰的。

以海图的深度基准面表示水深，只需在一个或多个验潮站处获得相应的水位序列，便可通过特定的内插方法确定水深测量期间测区任意点和任意时刻的水位值，从而将由瞬时海面测定的水深值归算至海图深度基准参考面，该方法和过程通常称为海道测量水位改正。而验潮站的深度基准确定以及水位内插方法的技术实现统一为水位控制，常规海道测量水位控制的本质是以深度基准面为参考面的瞬时水位场模型构建及时变高度数据归算过程。

为了表示灯塔等导航标志的保守高度以及海上桥梁的净空高度，其高度信息的起算面为所在地点的平均大潮高潮面。当以有关的测量技术测定了这些特征高程点到瞬时海面或国家高程基准的相对高度后，通过以平均海面为参考的瞬时海面水位改正或当地的海面地形改正后，借助平均大潮高潮面的数值计算实现其保守高度确定。依海岸线的定义，它是平均大潮高潮面与海岸的交线，因此，在这一层意义上，平均大潮高潮面是海岸线定义的参考面。在实践中，海岸线通过痕迹线实测而得。而实际痕迹线与平均大潮高潮线的定义差异已经引起研究者的关注，并且是值得进一步澄清的问题。

纯几何大地测量学含义的椭球面垂直基准在传统海道测量中几无作用，这是由于传统海道测量，特别是水深测量，其实质是测定可航水层的厚度，由海面测船的直接深度观测量经瞬时海面的水位控制容易获得所需的最终信息。现代空间精密三维定位技术所能提供的瞬时海面大地高精确确定能力，使得以测深精度获取海底大地高程成为可能，若可实现海图深度基准面大地高模型的精确构建，则方便实现图载水深的确定，其优点是克服传统潮位改正中的测量载体升沉影响及验潮站和测量载体海面的波动效应及匹配误差，在有利于提高水深测量和归算精度的同时提高工作效率，因此，这种模式已引起国际海道测量界的高度关注，并向实用化程度推进。

在传统技术及其信息产品表达方式和现代技术模式结合方面，稳态物理场维持下的重力场等位面垂直基准和稳态海面地形以及二者结合统一而成的平均海面高模型可提供基准转换的基础信息，从而促进海洋测绘信息产品的多样性发展。

三、现代海洋测绘垂直基准的体系模式

⒈ 海洋测绘垂直基准的传统模式分析

传统海洋测绘的垂直基准定义为海图深度基准面，却以离散验潮站点的深度基准值(海图深度基准面与平均海面的绝对差值)表示。验潮站及验潮站网理论上对海区的海图深度基准具有唯一的控制作用。然而，验潮站点的非固定组合方式在很大程度上破坏了基准的统一性和唯一性。亦即，在海道测量水位控制实施过程中由于验潮站选取数量的差异、验潮站点位置的变化、潮位观测时段长短的不一、水位改正方法的不同，乃至基准定义的不同(包括公式应用差异和基准确定算法差异)，都有可能造成海图深度基准面之最低潮面连续化曲面解析结构的扭曲或产生不连续跳变。

在传统的验潮站(网)深度基准控制体系中，验潮站的初级垂直基准为水位记录零点，称为验潮站零点。而验潮站零点具有典型的随机性，只有进行了足够长时间的水位观测，或进行了适当长时间的与长期验潮站同步观测，确定了平均海面在验潮站零点上的高度，方可将验潮站水位观测序列由验潮站基准换算为平均海面基准。进一步根据海图深度基准面相对平均海面的差值，实现水位相对于海图深度基准的表达。由一个或多个验潮站上以各自深度基准面为参考面的水位序列，通过顾及潮波传播规律的数据插值方法求取测点在测量时刻的水位高度，直接作为改正数实施测点水位归算。

⒉ 海洋测绘垂直基准模式的现代化及其需求

海洋测绘垂直基准模式的现代化需求主要包括：使各种不同定义的垂直基准真正体现其连续化的参考面几何结构，纳人到大地测量的基准框架，不同定义的垂直参考面及相应的垂直属性信息的相互转换。

⑴无缝垂直基准的概念

无缝垂直基准意指表征垂直信息的参考面的连续性和光滑性，同时也在一定的几何意义或物理意义方面反映垂向空间信息表达的一致性。

大地测量学中应用的垂直基准--高程基准，包括作为大地高基准的地球椭球面、作为正高基准的大地水准面和作为正常高基准的似大地水准面，均在全球或较大的范围(国家陆地范围或洲域范围)内是连续无缝的。这是因为地球椭球面不仅是规则的几何形态面，而且由大地测量的一组基本常数定义。而空间地理信息表达中的实用区域正高系统和正常高系统的起算面由单一验潮站的多年平均海面定义，本身具有单点定位特性，借助水准测量的重力位传递形式，使得相应的参考面以高等级水准点网构成其维持框架。

海洋区域的基础地理信息理应采用(似)大地水准面作为垂直基准以保证海陆地理信息表达的统一性 ，只是为了特定的专题产品——航海图的生产，才产生了次一级的海图深度基准和平均大潮高潮面基准的确定问题。

鉴于海图深度基准面和平均大潮高潮面基准是与潮汐分布状态密切相关的曲面，且难以由简单数学形式逼真表现，因此实质上采用逐点定义方式实现。为了图载水深(保守水层厚度场)的测定和表达，以平均海面为参考的海图深度基准面标量场形式的连续化表达是必要的。而平均大潮高潮面基准只应用于线状要素和点状要素的表达，所以其应用需求是离散的或沿海岸线连续的。就重力归算而言，其参考面--先验的大地水准面，本身是连续和无缝的，在实用中，多以连续形态的平均海面代替。

国际上，用于海道测量的连续无缝垂直基准通常指纯几何大地测量意义的地球椭球面。为了高精度三维空间大地测量技术的应用，构造海图深度基准面的大地高模型成为当今国际海道测量界的热点研究课题。

⑵多级垂直基准的相互关系

在现代高精度空间大地测量技术的支持下，现代海洋测绘的垂直基准构成多级体系：以地球椭球面构成连续无缝的零级基准；平均海面或大地水准面构成一级基准。平均海面意为平均海洋潮汐系统下的“理想”海洋面，满足连续性，相对零级基准以平均海面高模型表达，该基准面在大地坐标系中的表达通过卫星测高技术及验潮站点的GNSS技术等几何观测手段为主要实现途径。大地水准面基准满足实际地球重力场的等位特性，可结合CHAMP、GRACE、GOCE等卫星重力观测数据、卫星测高数据和海洋船载和航空重力数据，依据物理大地测量的基本理论构建。大地水准面通过高程零点在全球大地水准面上的垂直偏差联入国家高程基准面(即区域性高程基准面)，作为海底地形的垂直基准；海图深度基准面和平均大潮高潮面等潮汐基准面构成海洋区域的二级垂直基准，二级基准实质上为海洋测绘中实用的，且在传统理论和技术需求下无明显标定和维持意义的海洋测绘信息垂直基准，二基准相对平均海面一级基准的关系通过精密潮汐场模型，利用深度基准、平均大潮高潮面基准值的计算公式确定，并通过一级基准过渡，实现其纯几何大地测量意义的表达，从而构建直接依据零级基准的海图深度基准面和平均大潮高潮面的大地高模型。

在完成构建上述一级和二级基准面相对于零级基面的标量场模型，并通过必要的质量控制等海洋大地测量基础工作任务后，应用上述模型可方便地实现不同基准下的垂直信息转换，面向海底地形图和航海图的信息处理与产品生产。

⑶无缝海图深度基准的网格化实现与质量控制

为真实表达海域低潮起算面意义的保守水深，海图深度基准面理所当然应表达为连续化曲面，即无缝海图深度基准面，但由于海图深度基准面随潮波逐点变化的复杂性，以及潮汐模型本身严格解析表达的困难，构建真正意义上的连续海图深度基准面也难以做到。故以网格形式构建海图深度基准标量场模型以代替连续无缝海图深度基准模型就成为可行的问题解决方案，正像高精度的大地水准面模型和海面地形以高分辨率网格形式表达一样。

网格形式的海图深度基准面模型的数值一般取为相对于一级的平均海面基准偏差，即L值模型。为无验潮模式的应用，需经过平均海面高模型为中介转换至相对零级基准表达。而为与陆地地形相统一的海底地形图数据生成，可利用两类一级基准之间的转换关系，即区域基准下的海面地形模型，将海图深度基准面以国家高程基准为参考面表达。

海图深度基准面的质量控制指标主要指该基准面的实现与表达精度。就网格形式的海图深度基准而言，它在平均海面基准下的表达精度主要取决于潮汐场模型的精度。按统一的确定公式计算则不存在定义偏差。海图深度基准面模型精度指标的确定应与其服务目的相匹配，基本原则是在水位改正中占据微弱的误差份额，如限定为水位控制中误差的三分之一。

网格化深度基准模型和其精度指标构成深度基准的实现数据集，网格分辨率须满足任意点基准线性插值的无精度损失要求。

由于海图深度基准在现代技术下的海道测量和海洋空间信息生产中存在多级表达的应用需求，将水深数据由零级基准转换为海图深度基准面二级基准，或将二级基准转换为国家高程基准，必然进一步引入模型转换的误差，因此，对平均海面高模型和海面地形模型也应该提出厘米级的精度要求。

⑷关于原有水深数据由基准模型表达的数据变换问题

传统模式下的水位控制一般由分带法和分区法实现，由于水位控制过程中采用的验潮站组合不同，深度基准面确定依据公式或算法不同，使得海图水深实际采用的基准面处于割裂状态或分片连续状态，因此，将历史数据转换至新的网格化基准体系，必须充分考虑验潮站的组合形式，并将原有基准反订正至平均海面，再行转换。

对于新测数据，则需充分顾及所采用的技术，采用不同的数据处理方式。验潮站控制下的水位改正以平均海面为参考面为宜，以减少离散基准下的基准面定义偏差和不完善的水位归算误差。而由无验潮模式测定的水深，瞬时大地高数据则作为最基本的原始垂直信息。所有数据的垂直转换根据多级垂直基准模型，由统一的转换原则、方法和软件实现。

四、结论

分析讨论了海洋测绘垂直基准的多级体系模式，根据这种体系模式，将海道测量技术与现代大地测量技术及其坐标框架体系相结合，有助于完善海洋测绘垂直基准理论，提高数据获取、处理和表达精度。

阐述了无缝海洋测绘垂直基准的概念，网格形式的近似连续无缝海图深度基准面模型的构建是海洋测绘的基础性工作之一。

描述了不同垂直基准的转换模型及质量控制基本方法，以服务于数据获取的多手段和海洋测绘信息产品生产的多样性需求。

【作者按：1. 本文已发表5年了，这期间，相关的研究和工程实践有了新发展。就沿海的不同垂直基准转换而言，首先必须应用的是验潮站数据，而不是简单以潮汐模型为基础。2. 本文未经过科普化改写，原有表述有过多拗口之处，部分表述也未必十分严谨。敬请读者朋友谅解。】