论文专区▏海道测量水位控制的技术体系及标准更新

【编者按】明确了水位控制涉及的基本概念，重新梳理了海道测量水位控制的技术体系。提出水位控制包含海域垂直基准确定，水位归算信息提供两项内容，阐明了水位控制的多任务服务、信息综合利用、质量控制系列技术体系。分析了现行《海道测量规范》的相关指标，对技术标准的改进做了相关论证说明。本文发表在《海洋测绘》2016年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。暴景阳，男，1965年出生，辽宁凌源人，教授，博士，博士生导师，主要从事海洋大地测量、海道测量和测量数据处理的方法研究。

一、引言

水位控制是海道测量理论和技术的关注点之一，也是现代海道测量技术体系中最活跃的成分之一。水深测量这一海道测量的重要分支可分解为定位、测深和水位控制三项测量技术，这种分解在一定程度上突出了这一专门技术的重要性，而事实上，由于海道测量工作具有典型的技术牵引特征，技术和装备的快速发展大大降低了定位和测深工作组织实施的复杂性，或提高了工作效率，而水位控制则需要根据测区的潮汐规律与特点进行周密的论证或设计，在水深测量作业中的重要性更加凸显，甚至称其为制约测量成果质量的重要因素并不为过。

水位计等现代水位观测设备的广泛使用，潮汐模型在水位控制技术设计和测深成果水位改正实施中支持作用的发挥，特别是近二十几年来时差法、最小二乘曲线比较法、余水位法等水位改正具体算法的不断发展和进步，极大地改进了水位观测的条件，促进了水位控制理论和技术的系统化和完善化^[4-10]。

水位控制在现代海道测量中的作用目前已不局限于水深测量技术分支，在岸线计算，助航标志标高计算等多项海道测量作业方面均起到基准或时变信息支持作用。因此，其应用范围向海道测量多任务渗透，且与海洋测绘基础设施建设、航空摄影技术应用等相关联。

鉴于水位控制技术的发展，应用领域的拓宽，特别是海洋测绘作业对水位控制不断提出新的需求，本文将借鉴国际海道测量组织《海道测量标准》和有关发达海洋国家关于水位控制的技术标准、手册等的制定经验，结合《海道测量规范》的修订，厘清相关概念，分析和论证有关技术指标，推动建构水位控制技术新体系，改进和完善水位控制工作，明确实际工作中相关作业应把握的问题。

二、水位控制的基本概念与技术体系

⒈ 基本概念

海洋测绘词典将“水位控制”的概念解释为：“确定测深成果的起算基准面，并将实测深度归算到这一基准面的过程。包括验潮站的布设，深度基准面的确定，有效作用距离的计算，水位实时观测和水深数据的改正”。

在现行《海道测量规范》^[1]（以下简称现行规范）中，专门列有“水位控制”条款，相关描述为如何设立满足水深测量水位改正所需的验潮站。

在本文水位控制是指通过实测或计算的水位变化数据，确定深度基准等垂直基准，并在特定垂直基准体系中，实施测区陆海地理信息观测数据归算的系列化技术。

水位控制内涵的这种扩展具有如下含义：第一，该组技术包括确定水位的表示基准和为测量要素提供水位改正数据两个方面的任务，两项任务可简称为基准确定和水位改正。第二，水位控制不仅应用于水深测量（或海底地形测量），也应用于其它海洋测绘任务的垂直基准确定、数据归算与基准转换，如支持海岸带、海岛地形要素及灯塔等有关助航标志的测定与高程数据归算。第三，用于水位控制的数据可以通过布设验潮站实测获得，也可自潮汐模型等获得，当然，在后一种情况下这些非实测信息与验潮站实测数据结合应用是必要的。

在所涉及的两项任务中，基准的确定是水位控制工作的基础和前提，当然是水位控制工作不可或缺的组成部分。将以瞬时水面（水位）为参考的测量信息归算到特定的稳态面这一水位改正实施技术是水位控制的应用重点。

⒉ 技术体系

⑴多任务服务的技术体系

鉴于水位控制工作既面向水深测量（海底地形测量）、又面向海岸带和海岛地形测量及陆部特征要素测量。同时也可应用于因基准修正和水位改正方法改进而连带的海图数据更新问题，因此，它体现为支持于海道测量乃至整个海洋测绘的多任务服务技术体系。

⑵多信息利用的技术体系

对于不同类型测量任务或测量区域以及不同的测量作业模式，可以利用实测数据、潮汐模型等不同类信息，或联合应用不同类型数据，提供海域的有关垂直基准，以及按不同水位技术实施水位归算。如在沿岸和港口、航道水深测量中，必须通过布设验潮站提供水位水位控制基准和改正数据，而开阔海域可以利用潮汐预报技术进行水位改正，目前，预报水位及所依据的深度基准主要根据潮汐模型计算。在支持遥感技术获取瞬时水边线高程及确定海岸线的应用中，除需要潮汐观测或预报数据外，还要利用大地测量技术所提供的大地水准面以及海面地形等信息，以便实现瞬时水位和特征水位与高程的联系和垂向信息的基准转换。

⑶质量控制的技术体系

不论是作为水深测量工作的有机组成部分，还是支持海岸带和海岛地形测绘，水位控制的基准数据和相关改正数据都应满足规定的技术指标。这些技术指标分为两种类型，一种是精度（或不确定度）等目标控制指标，另一类是如验潮站观测时长、密度等过程控制指标。当然，两类指标体系存在一定的内在联系，且都对水位控制成果具有质量控制作用。鉴于测量海域潮汐和海面其它扰动因素的复杂性，精度类型的质量指标更具有普适性，而由于过程控制指标多来源于实践经验的总结，难以涵盖工程实际中可能出现的特殊情况。

⑷基础设施支持的技术体系

水位控制工作只有完成包括平均海面、深度基准面以及平均大潮高潮面等垂直基准面确定的先行基础任务，方能实施基于海域不同垂直基准的水位改正和归算。而以上潮汐类型的垂直基准面，特别是深度基准，具有与潮汐变化规律相对应的随地变化特征，属于局地基准，这一点与决定于地球重力场的高程基准具有本质差别，即不能以单一原点的数值予以规定，而是由多个验潮站的观测数据各自计算确定，这样，确定了垂直基准的验潮站便构成了基准的表示框架，属于海域垂直基准的硬件基础设施。而在当今技术条件下，已经能够通过验潮站基准数据与潮汐模型成果的组合，以函数或数值模型的形式，将潮汐类型垂直基准在大地测量垂直基准体系中表征出来，于是，表征这类基准的模型就构成海洋测绘垂直基准基础设施的软设施。

在验潮站构成的水位控制网和垂直基准模型的支持下，不仅可以对基于高精度GNSS三维定位技术获得的海域及毗邻陆地测图要素提供可靠的改正数据，适应海道测量模式和技术更新需求，而且可以实现历史测量数据的深入挖掘和利用。因此，将水位控制的基准确定和维持部分作为海洋测绘基准设施的重要组成部分，无疑是水位控制需要深入研究和建设的工作。

三、现行规范的指标分析

⒈ 水位控制作业规定布局分析

现行规范及其此前的版本将水位控制工作作为水深测量的技术内容（技术规定与水深测量项目在同一章描述），但分解为水位控制和水位改正两项任务。其中“水位控制”部分单独设为一节，规定了为水深测量实施而进行的验潮站勘查、布设、观测等外业作业相关要求和平均海面与深度基准面确定的相关计算要求。而水位改正部分纳入“内业资料整理”一节，规定了分带法和时差法等具体改正方法，与原图整饰和其它深度改正项并行描述。

实践证明，这种布局所涉及的技术内容对传统水深测量的水位控制作业总体上起到了应用的技术规程作用。特别是对手工作业为主的传统模式而言具有较好的可操作性。当然，关于深度基准确定所需的潮汐分析等项目缺乏明确的规定，没有明确不同类测量海域的水位控制差异，主要侧重沿岸水深测量作业需求，也未顾及水深测量之外的其它任务所需的潮汐和基准支持问题，总体上缺乏系统性。

⒉ 相关技术指标分析

现行规范^[1]对水位控制（含水位改正）所规定的技术指标主要包括以下方面：

⑴验潮站的代表性指标

体现为验潮站站址选择要求，要求观测点与测区之间无阻隔，海水可自由流通。其含义是对海区潮汐变化的观测具有代表性，与其它验潮站数据联合处理能充分反映当地海区潮汐情况、或可计算出本验潮站水位控制的作用范围。实际上，该要求难以量化，通常决定于作业人员的经验。当然，相关条款也规定要考虑其它相关因素。

⑵验潮站类型的界定

验潮站是水位控制的基础，特别是在沿岸近海水域。国内外均根据连续观测时长，将用于水位控制的验潮站划分为长期（基本）站、短期（控制）站和临时（加密）站等类型。实际上，不同类型的验潮站在水位控制中、特别是垂直基准确定中的作用有所不同。因观测时段足够长，长期验潮站的基准面可以根据本站的历史观测数据直接分析和计算。而短期和临时验潮站所对应的观测时段有限，不足以使得频率相近的分潮分离干净，不能得到可靠的潮汐参数直接计算相关的基准面，需在长期验潮站的控制下，采用基准传递技术实现基准确定。当整个水位基准控制网的基准统一协调确定后，就为测区任意点提供水位改正数的任务而言，不同类型验潮站才具有相同的作用。

关于三类验潮站的观测时长要求，我国与发达海洋国家如美国的规定相比，明显放宽一个数量级。见表１^[1-3]。

表１   中美关于海道测量验潮站的基本指标对比

中国	美国
验潮站类型	最短时段	验潮站类型	最短时段
长期站	2a	一类站	19a
短期站	1m	二类站	1a
临时站	3d	三类站	1m

为了将验潮站确定的深度基准与高程基准相联系，以及维持或便于恢复原有验潮站，水准点的布设数量要求也有所不同。现行规范规定每一验潮站应布设主要水准点和工作水准点各1座，而美国规定的水准点布设数量则根据验潮站类型而有所不同，如长期站，要达到10座之多。

另外，在上述三种验潮站类型的基准上，现行规范另设一类海上定点站，主要是通过固定点锚泊测深方式获取海上选定位置的水位序列，并分析求得几个最主要分潮的调和常数，以便利用潮汐预报技术提供测区水位改正数。观测时长要求一般是大潮期间1次24小时，或根据天文日期的优化，设定为3次24小时。应该说明，这类验潮站不仅是依据观测时间的长短确定，而且对应于特定的观测方式，且这种观测方式目前已被水位计观测所期待，而从时间长短划分，可以将其归并为临时站，并尽量增长观测时段。

⑶验潮站的密度指标

现行规范的相关表述为：“验潮站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足最大潮高差不大于1m、最大潮时差不大于2h、潮汐性质基本相同。对于潮时差和潮高差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站”。

验潮站的密度指标实质上是对由验潮站构成的水位控制网设计的关键性技术指标之一，且这些规定适合于分带法或分区法（及其改进方法，如时差法或水位曲线配准内插法）水位归算。

在以上的规定中，具有明确和严格的量化指标，即关于相邻两验潮站的时差和潮高差限差要求。也存在部分定性的规定，如关于潮汐类型基本一致性的限定，即要求在验潮站之间潮波基本满足均匀传播的特性。在特征地点增加临时验潮站的布设，也是顾及地理条件对潮波传播的作用和影响，是对潮汐性质一致性和传播均匀性要求的必要补充。显然，定量指标与定性指标相互协调才是验潮站网设计的关键，毕竟定性指标具有一定的原则性特征，因此从根本上，这类定性指标也应尽量向量化方向发展，根据国际相关标准和作业方法的规定，在海道测量实践中，潮波图（亦称同潮图）的应用即是这种量化实现的具体体现。

⑷有关精度指标规定与分析

在现行规范中，与水位控制相关的较为明确的精度指标主要有以下三类：

①水位观测的精度指标

沿岸验潮站水位观测误差不得大于2cm，特别地，对自记验潮井的水位读数精度要求为1cm。海上定点站可采用水位计或回声测深仪，水位计观测误差的限差为5cm，用回声测深仪验潮的水深条件为50m以内，观测误差不大于水深的1%。

对于以水尺人工观测的传统模式而言，所谓的水位观测精度要求实质上不过是读数的分辨率要求，因为受波浪等因素的影响，且受制于观测时隔的限制，实质上精度是难以控制和检核的。当然，在现代技术条件下，采用自记水位计观测已成为主流验潮方法，水位的高频率采样、滤波技术的应用，以及压力式水位传感器本身的物理消波能力，使得估算水位观测的精度成为可能，而需注意的问题是对相关干扰因素产生的系统误差进行修正与补偿。而至于以回声测深技术所实施的海上定点验潮，观测的水位精度较之其它方式显然要低一个数量级。

②垂直基准确定的精度指标

目前，海洋测绘工作涉及的垂直基准面主要有平均海面、深度基准面和高程基准面，当然也包括净空（净高）基准面，只是在一般的文献和规范中未予足够重视并做单独列出和描述。

在现行规范中，给出明确精度指标要求的垂直参考面为短期验潮站的平均海面，要求转测误差不得大于10cm。要求用邻近的两个（及以上）长期验潮站的平均海面数据作为转测的参考值。而转测误差当然可以通过不同长期验潮站的转测结果的较差来衡量。对于长期站平均海面的直接确定，没有明确给出精度指标，据相关研究，在中国沿海，由两年完整的逐时水位观测，可算得的平均海面最大互差为10cm，因此，不难估算出中误差约为2cm。因此，不提具体的精度指标并不影响这些作为控制基础的验潮站之平均海面应用。

现行规范的主要问题是：对临时验潮站的平均海面传递确定结果没有给出明确的精度指标要求；更为突出的问题是各类验潮站的深度基准面确定未设定精度指标，而只列出确定方法的基本规定。事实上，按照目前自测量到海图编制出版的海洋测绘生产工序，测量作业单位确定的深度基准直接作为海图产品采用的深度基准，而平均海面仅作为将以水位零点记录的水位化算为以深度基准为参考的水位的间接信息，因此，较之平均海面，深度基准的精度信息更为重要。当然，现行规范对平均海面、深度基准面的计算结果明确了记录精度，即要求有效位取至0.01m，即表达在整厘米量级。

③水位改正的精度指标

对测深点提供水位改正数是水位控制在水深测量中应用的落脚点。区分为针对沿岸和近海测量区域的两种处理方式，分别基于验潮站控制和潮汐预报。

基于验潮站控制的水位改正又分为依据单站和多站两种情况。

在单站水位改正模式下，要求测区位于同一站的水位控制范围内。若在同一测区布设两个验潮站，当二站的控制范围有部分重叠时，由每一验潮站对其所控制的范围亦按单站模式实施改正。单站水位改正的最大误差取决于验潮站控制范围确定时采用的水位限差，一般按10cm执行。而现行规范对验潮站控制范围的确定方法和数量指标没有做出相关规定。

关于多站水位改正模式的应用，明确规定了分带（分区）法和时差法。分带法所依据的为虚拟验潮站原理，即根据两个验潮站的水位曲线，根据潮波在站间线性（均匀）传播的规律，内插出若干水位曲线，每一水位曲线等效为一个虚拟验潮站的水位观测序列，带数的划分取决于两个真实验潮站水位的最大潮差和两条相邻站（含实际与虚拟站）曲线间的最大潮差限差要求，该限差设定为测深精度，而在沿岸水深测量应用中通常取为10cm，此即水位改正数的最大误差限。因为分带法水位改正法本身对应于离散的应用模式，故最大误差限中隐含着基准跳变量。时差法是经典离散分带法的一种改进形式，其优势在于将水位的离散分区升级为水位的连续时空内插模式，消除了因离散分带而产生的基准面阶跃现象。水位改正数的精度取决于潮波是否线性均匀传播假定的满足程度,而这种潮波传播路径上的水位模拟误差是分带法及其改进模式的时差法所难以明确的。而在求时差的具体计算技术中涉及到离散水位观测序列的加密，一般通过拟合方法实现，规定的拟合残差中误差不大于3cm。它是单一验潮站数据规律性的一种精度度量，并不是水位内插的实现精度。

值得说明，在分带法或时差法水位改正技术应用中，验潮站深度基准确定不一致性的偏差作为一种系统误差在整个测区是以某种规律性存在的，即便由测线交叉点信息也是无法检测的。

四、规范的相关修订内容说明

⒈ 基本原则

在《海道测量规范》修订中，水位控制部分内容修订的基本原则是：科学定位、继承发展、明确流程、详略适当。

⑴准确界定工作内容的内涵和地位

在海道测量整个技术体系中，水位控制已不仅限于应用于水深测量，同时与海岸地形测量的部分要素测定日益发生密切联系。因此，明确其内涵为基准面和特征潮位确定，以及观测要素的水位归算。并以独立章节对作业内容做全面规定。

⑵坚持继承与发展发的统一

关于水位控制的大多数作业规定已经被实践证明了其科学性和实用性，这部分基本规定应该予以肯定和继承。同时应注意到，现行规范应用已久，在此期间，相关的理论和技术均具有较大发展，因此应根据技术的进步做必要的充实改进，并尽可能适应技术的进一步更新和发展。

⑶理顺工作流程

确定了自水位控制项目技术设计，验潮站调查及踏勘选址，验潮站设立和基点联测与不同观测设备的基点校核，水位观测，现场数据处理及测后数据预处理，潮汐分析及平均海面、深度基准面和平均大潮高潮面确定，水位归算及向应用项目分发的基本技术流程。

⑷详略适当与原则性和可操作性的平衡

作为强制性国家标准，有关技术指标和技术规定的表述应清晰明了，力求简洁。而对具体工程的指导离不开部分准确的模型、公式表述及其应用的详细过程性限定，对这些部分细化的内容以附录的形式给出，通过正文与附录的有机联系，全面规定相关的技术内容、指标与流程。

⒉ 主要更新和改动内容说明

以单列章节规定水位控制的作业内容，在规定一般原则前提下，重要的改正项体现在以下方面：

⑴关于验潮站的类型界定

将所应用验潮站的类型由四级压缩为三级，即取消定点验潮站及相关的计算项目。原因在于所保留的长期站、短期站和临时站三个级别是按连续观测时段长度划分的，而海上定点站主要以观测方式作为其本质特征；姑且不论由这类验潮站获得的潮汐参数可靠性的高低，在现代技术条件下，若采用实测方式，海上站亦以水位计为主要设备，且没有必要按断续周日观测的方式组织实施，故将其根据观测时段长度，可分别并入其他三类验潮站。

鉴于海道测量工程实施所布设的验潮站主要为短期站和临时站，故主要对这两种类型的验潮站设立和观测做出明确要求，而长期站的建设和观测有相应的国家标准。

⑵关于验潮站的大地联测与校核

所参考的基准点除包括习用的水准点外，增加GNSS大地控制点。这是因为现代空间大地测量技术为验潮站基准提供了更为可靠和高精度的维持手段，而将验潮站观测信息与大地坐标系联系起来，也为测量数据的精化处理和信息挖掘、基准转换提供必要条件，特别是满足GNSS高精度定位数据支持下的水深测量信息获取的相关要求。在实践中，大地控制点和水准点可重合。

明确规定短期验潮站布设主要水准点和工作水准点各2座，临时验潮站布设两类水准点各1座。当然，仅适用于陆基验潮站。在此，规定的水准点数量实际上少于部分国外标准的要求。具有备份的水准点，便于对基准变动情况进行客观检测，并利于验潮站恢复。

利用长期站作为水位控制站，宜对其基准和水位观测数据进行校核。同时，用不同类型观测设备时，不同设备的基点差也必须经过校核。

⑶关于水位观测数据处理

完善了基点变化修正、多水尺基点归算、粗差探测与修复等数据预处理要求。

潮汐分析是海道测量人员的基本技能，分析获得的调和常数是进行深度基准面和其它特征潮面计算的基础，因此，增加了潮汐分析的相关要求。对不同观测时间尺度的水位数据，要求采用不同的分析模型和方法。

充实了平均海面、深度基准面和平均大潮高潮面确定、相互转换及质量评估的相关要求。为了保证基准的确定精度，对短期和临时验潮站规定了利用两个以上长期站同步数据的基准传递方法，并给出了精度检核指标。为了避免深度基准面的随意变动，对经重新计算确需变更者，规定了必要的报批要求。

⑷关于水位改正

明确了单站、双站和多站水位改正方法的使用条件。以附录形式给出验潮站作用范围，以及双站和多站水位改正的具体方法、模型和适用条件。

规定了余水位法的应用方法和适用条件，原则规定了基于GNSS精密测高技术的水深归算方法和多波束测深数据的水位改正方法。

⒊ 关于不同类定量指标的关系

规定的定量控制指标包括明确的精度指标和有关质量控制的其它相关的数量指标。前者包括水位观测、部分基准传递的具体分辨率或精度限差等，后者包括验潮站密度、观测时间长度、不同验潮站水位数据比较差异等，且两类量化指标具有一定的联系。另外，部分定量指标还应与有关定性指标协同考虑，如潮汐类型的一致性及站间潮波均匀传播特性与验潮站布设密度的关系等。

在我国海域，根据潮汐复杂程度和验潮站类型依连续观测时长的划分标准，由长期站观测数据的计算或分析能够以cm级精度确定平均海面和深度基准面。而短期站和临时站这类垂直基准的确定，在控制和传递技术的支持下，也基本达到与长期站结果相近的精度，但前提必须是采用合理的传递技术，即依据对验潮站网同步数据的并行处理。这些要求在修订版本中均作出更明确的规定。

在分带改正法及其改进的数值化算法中，现行规范规定的明确限差指标是相邻验潮站最大瞬时水位差和潮时差分别为1m和2h。事实上，在站间潮波均匀传播的前提假设条件下，即便对上述两项指标适当放宽，采用分带基本原理的任何实现方法都能保证水位内插精度。而当假设条件不成立时，站间水位数据囿于这两个指标，仍有可能造成较大的水位内插误差。关键在于对潮波均匀传播条件的定量表征或对水位表现精度的明确指标限定。而采用余水位法替换经典方法，相关精度指标也是需要根据海区数据的实际特点论证的。因此，特殊情况的解决需要技术规程或技术手册予以细化，以及在水位控制设计和总结中根据项目要求和测量成果的总体精度指标进行论证和说明。

五、结束语

明确了水位控制涉及的基本概念，重新梳理了海道测量水位控制的技术体系。提出水位控制包含海域垂直基准确定，水位归算信息提供两项内容，阐明了水位控制的多任务服务、信息综合利用、质量控制系列技术体系。分析了现行《海道测量规范》的相关指标，对技术标准的改进做了相关论证说明。

尽管水位控制作为水深测量和海岸带地形测量的辅助测量项目，然而，其理论和技术的发展却相对活跃，不仅仅是依赖技术牵引，更需要测绘人员相应的智慧投入，以解决特色性问题。

就技术标准而言，改进的方向应是以质量控制指标为目标模式，且所达到的质量指标为最低要求，以便可以和不断发展的技术相适应。具体的作业方法及过程控制方案则起到直接指导作业实施的作用，这部分技术规定应主要在行业性作业规程或技术手册中体现。

参考文献

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