学术前沿| 周兴华：海洋垂直基准研究进展与展望

《测绘学报》

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海洋垂直基准研究进展与展望

周兴华^1,2, 付延光^1,2, 许军³     

1. 山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266510; 
2. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061; 
3. 大连舰艇学院海洋测绘系, 辽宁 大连 116018

收稿日期：2017-06-19；修回日期：2017-07-17

基金项目：国家国际科技合作专项（2014DFA21710）；开展卫星海洋测绘应用（WX0316005）；国家自然科学基金（40706038）；GNSS业务化项目（FZ0317001）；青年科学基金（41706115）

第一作者简介：周兴华(1964-), 男, 博士, 研究员, 研究方向为海洋测绘。E-mail:[e-mail]

摘要：海洋垂直基准的构建是海洋测绘的基础性工作。2009—2012年，我国初步构建了中国近岸80海里范围内高程/深度基准转换与统一模型。近年来，这一模型扩展到了我国南海、西太平洋和东印度洋，接下来将逐步构建南北极和全球的无缝垂直基准面模型，这对推动我国数字海洋建设具有基础的支撑作用。本文主要论述和梳理目前国内外主要沿海国家进行海洋垂直基准构建的研究现状，分析了海洋垂直基准构建的主要工作、途径及关键技术，重点阐述了我国在海洋垂直基准建设实践中取得的成果和存在的问题。

关键词：海洋潮汐    垂直基准    深度基准面    卫星测高    调和分析    

Progress and Prospects in Developing Marine Vertical Datum

ZHOU Xinghua^1,2, FU Yanguang^1,2, XU Jun³     

Abstract: Marine vertical datum system construction is the basic work of marine surveying. In the 2009-2012, China has preliminarily constructed the transformation and unification of different height/depth datum model in the China Sea of 80 nautical mile. In recent years, this model has been extended to the South China Sea, the western Pacific and the eastern Indian Ocean, and then a seamless vertical datum model in the south and north pole area to the whole world gradually will be constructed in the near future, this is the foundation of supporting the digital ocean construction in China. This paper mainly discusses the research status of marine vertical datum construction which had been carried out in major coastal countries or regions, analyzes the main work and approaches and key technologies in the process of the marine vertical datum system building, and then expounds the achievements and existing problems in the practice of our country marine vertical datum building.

Key words: ocean tide     vertical datum     chart datum     satellite altimetry     harmonic analysis    

海洋垂直基准是陆地和海洋上高程测量的依据，具有陆海高程一致的性质。当前，我国海岸带地形测量采用1985国家高程基准，水深测量采用理论最低潮面，两者分别采用不同的垂直基准面，使得陆海交接处地形图与海图难以无缝拼接，而且海图图幅海域内分别采用离散验潮站确定的深度基准值作为该海域统一的基准值，使得相邻图幅存在基准系统差。陆海高程/深度基准、不同海区深度基准面之间没有建立严密的转换关系，严重影响海岸带海岛礁测绘工作的全面实施及相关测绘成果的推广应用。

验潮站观测数据是构建海洋垂直基准的基础数据之一，能够提供稳定、可靠的调和常数^[1]和高精度的平均海平面信息，为精密潮汐模型的外部精度检核、深度基准面模型的构建等提供数据基础。通过与水准点的GNSS联测，获得验潮站站点的多年平均海面高，是构建平均海面高模型和判断全球或区域平均海平面变化的重要数据来源之一。对验潮站数据的处理分析，文献[2-4]分别利用同步潮位序列相关性、潮汐调和分析模型进行缺测值和系统差的探测与修复，文献[5-6]对余水位的性质及应用进行研究，在这类分析中，均以各分潮频率已知但分潮振幅未知作为假设条件，均为基于物理机制的潮汐分析；文献[7-8]利用小波变换、附加风场信息的神经网络模型对潮位数据进行预报，文献[9]利用傅里叶变换对潮汐资料进行频谱分析，这类研究中分潮频率和振幅均设为未知，主要是基于潮位数据进行的理论与方法的研究。在利用验潮站进行海平面变化的研究中，受地壳运动的影响，验潮站观测数据包含海面升降和当地地壳垂直形变两种信息，使得由此确定的高程基准则仅有相对意义。国内外学者对沿海验潮站地壳垂直形变进行了大量的研究^[10-15]，目前利用GNSS连续观测资料进行验潮站的地壳垂直形变研究^[16]，对于得到验潮站平均海平面绝对变化具有重要意义。夏威夷大学海平面数据中心(http://www.psmsl.org/)提供的全球596个长期验潮站分布见图 1。

图 1 全球长期验潮站位置分布Fig. 1 The distribution of the long-term tidal stations in the world

图选项

高度计数据是构建海洋垂直基准的另一重要数据来源。利用卫星测高数据提取的潮汐信息，在开阔海域能够达到2~3 cm的精度^[17]，基于此，国际上不断推出并优化全球潮汐模型，如DTU系列^[18]、FES系列^[19-21]和TPXO系列^[22-23]等，国际上常用的潮汐模型见表 1。由于多数全球潮汐模型较少同化中国沿海验潮站数据，使得全球潮汐模型在中国沿海精度较差。受水深、岸线等地理因素^[24-25]和对流层、逆气压等物理参数^[26-27]的影响，由高度计反演的潮汐信息在浅水海域精度较差，且具有地域差异性^[28]。如何提高高度计数据在浅水海域的精度，并量化浅水海域精度与岸线距离的关系是研究的热点问题。

表 1 国际常用的潮汐模型Tab. 1 Commonly used tide models in the world

潮汐模型	空间分辨率	主要分潮	类型
日分潮	半日分潮	浅水分潮	长周期分潮
DTU10	1/8°×1/8°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2	M4	-	E
EOT11a	1/8°×1/8°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2, 2N2	M4	Mm, Mf	E
FES2012	1/16°×1/16°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2, 2N2	M4, MS4, M6	Ssa, Mm, Mf	H
GOT4.8	1/2°×1/2°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2	M4	-	E
HAMTIDE12	1/8°×1/8°	K1, O1, P1, Q1	M2, S2, N2, K2	-	-	H
OSU12	1/4°×1/4°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2	M4	-	E
TPXO.8	1/30°×1/30°	K1, O1, P1, Q1, S1	M2, S2, N2, K2	M4	-	H
NAO.99b	1/2°×1/2°	K1, O1, P1, Q1	M2, S2, N2, K2	-	Sa, Ssa	H
NAO.99Jb	1/12°×1/12°	K1, O1, P1, Q1	M2, S2, N2, K2	-	Sa, Ssa	H
注：E为经验模型，H为同化模型；因篇幅限制，仅列出主要分潮

表选项

垂直基准是陆海资源环境信息表示、多源多代信息综合与有效使用的数学物理基础，是海岸线及滩涂界定、岛礁识别分类的科学依据，更是一切海洋及海岛资源环境信息、海洋安全及海战场环境信息的基本载体和重要组成部分以及海洋及海岛信息化、智慧化的必要条件。基于潮汐模型和海洋基准面模型建立海洋垂直基准转换关系，构建深度基准面与系列参考椭球面之间的偏差模型，是陆海高程/深度基准统一与转换的基本途径^[29]。精密潮汐模型的构建依附于潮波动力学数值模拟，并同化多源高度计反演的潮汐信息与验潮站调和常数^[30]。随着中短期验潮站资料、多代高度计数据和具备验潮功能的浮标数据等多源数据的加入，为构建高精度、高分辨率及高覆盖率的海洋垂直基准提供了可能。

1 国际海洋垂直基准的研究进展

20世纪80年代国际上很多沿海国家进行了海洋垂直基准的研究和建设。FIG成立垂直基准专题小组，对海洋垂直基准的构建进行专门研究^[31]。加拿大利用其布设的874个验潮站构建了不同垂直参考面与WGS-84椭球面的转换关系^[32]；澳大利亚利用131个验潮站构建大地水准面与WGS-84椭球面的关系，将其扩展到海道测量，进而确定基于WGS-84椭球面的最低天文潮面基准AUSHYDROID^[33]，但并未考虑高度计数据且假设大地水准面与平均海平面重合^[34]；英国利用880个验潮站(覆盖约18 000 km岸线)研究建立了基于GRS80椭球面的偏差模型VORF(vertical offshore reference frame)^[35]，其精度在沿岸海域为±15 cm，近海海域为±10 cm^[36]；美国利用1987个验潮站(覆盖约8200 km岸线)研制了垂直高程基准转换软件包VDatum，能够实现由最初28种到目前36种潮汐基准、高程基准和椭球垂直基准之间的转换^[37]，但由于未考虑高度计数据^[38]，仅能通过验潮站数据插值计算25海里内的垂直基准值，目前仍未实现整个国家沿海海域覆盖。

同时对垂直基准构建过程中存在的问题进行研究。针对高度计数据在近海精度较差的问题，文献[39]采用ERS-2和Poseidon高度计数据对澳大利亚海域进行研究，结果表明距离岸线4 km的海域高度计数据污染严重，4~22 km之间仍存在较大误差。事实上，受岸线和水深等因素的影响，高度计数据在不同海域的精度表现不同，随着物理改正模型精度和数据处理手段的不断提高，能够逐渐提高高度计数据在浅水海域的精度。对于海洋垂直基准转换的途径，文献[40]提出通过分别构建大地水准面与高程基准和深度基准之间的差值模型，其精度可达±3 cm；文献[41]针对沿岸浅水海域提出采用区域水动力模型构建基于似大地水准面的潮位数据，直接确定深度基准与高程基准的偏差。考虑到平均海面高模型在浅水海域精度较差，以平均海面高模型作为中间变量进行陆海基准统一的传统做法也不可避免地存在该问题，(似)大地水准面模型及参考椭球面模型正逐步参与到陆海垂直基准的统一。

目前，海洋垂直基准的转换与统一工作仍在全国沿海或局部海域范围内进行，没有任何一个国家完成对全球海域的海洋垂直基准构建。

2 我国海洋垂直基准的研究进展

国内近20年对海洋垂直基准构建与转换方法进行了较深入的研究。《海道测量规范》明确规定我国海洋深度基准采用理论最低潮面，基于中短期潮位资料得到调和常数的不稳定性^[42-43]，文献[44-47]在深入研究了该基准的计算方法和算法改进，论证了对调和常数附加历元的必要性。文献[48-51]探讨了选取平均海平面、理论最低潮面和CGCS2000椭球面等具有不同意义的基准面作为我国海洋垂直基准的利弊，提出了通过偏差模型构建海洋垂直基准的理论与方法，研究了海洋垂直基准统一与转换的表达精度。

近10年来，我国正逐步实现垂直基准转换的工程化。我国目前拥有100多个长期验潮站，大量具备验潮功能的浮标及我国自主海洋卫星，对构建精密潮汐模型、平均海面高模型和深度基准面模型，并向1985国家高程基准转换发挥了重大作用。山东、浙江等沿海城市及长江口局部海域进行的垂直基准转换模型构建标志着我国在海洋垂直基准统一与转换理论的成熟及具备达到国际先进水平的能力。当然，我国海洋无缝垂直基准的体系构建、动态实现、维持方法和模型精度仍需进一步研究和提高。

目前，我国海洋垂直基准面模型分辨率和精度不断提高。针对全球潮汐模型在南海海域的精度问题，本文采用TOPEX/Poseidon、Jason-1/2高度计数据进行调和分析得到的分潮结果对DTU10模型进行精度评估，结果见表 2。DTU10在南海水深小于200 m的海域8个分潮RSS值为4.45 cm，在水深大于200 m的海域为3.06 cm。由于DTU10是基于FES2004建立的经验改正模型，且加入了包括4年TOPEX/Poseidon、Jason-1交叉任务的多源高度计数据，使得该模型具有较好的精度表现。表 3是采用南海海域37个长期验潮站对多个全球潮汐模型进行的精度评估，各模型中分辨率最高的是TPXO8为2′×2′。结果表明，潮汐模型精度相当，RSS值最大为15.05 cm，其中M₂分潮RMS值最大为11.80 cm。

表 2 潮汐模型DTU10与高度计数据的比较结果Tab. 2 Comparison of the DTU10 tide model with altimeter data in the South China Seacm

cm
水深	点位个数	RMS	RSS
Q1	O1	P1	K1	N2	M2	S2	K2
南海海域	8376	0.83	1.48	1.36	1.87	1.04	1.61	1.23	0.98	3.79
＜200 m	4027	0.91	1.75	1.56	2.16	1.23	1.94	1.48	1.16	4.45
＞200 m	4349	0.75	1.18	1.14	1.55	0.83	1.24	0.95	0.77	3.06

表选项

表 3 全球潮汐模型与南海海域验潮站数据的比较结果Tab. 3 Comparison of the global tide model with tide gauge data in the South China Seacm

cm
潮汐模型	RMS	RSS
Q1	O1	P1	K1	N2	M2	S2	K2
DTU10	1.13	5.21	1.99	4.65	1.93	8.41	4.76	1.87	12.43
EOT11a	0.92	3.46	1.47	4.21	2.78	10.08	6.07	1.99	13.52
FES2004	1.36	5.05	1.82	5.04	3.23	10.67	6.38	2.31	15.05
GOT4.8	1.17	5.29	1.91	5.48	2.51	10.35	4.45	2.00	14.15
HAMTIDE12	1.11	5.50	1.50	4.68	3.13	10.13	5.45	2.51	14.28
OSU12	1.36	4.41	1.47	4.04	4.26	11.80	4.95	2.08	15.03
TPXO8	1.09	4.90	1.81	4.97	2.47	10.35	5.27	2.09	14.09

表选项

相比以上全球潮汐模型，覆盖中国邻近海域的区域潮汐模型分辨率达到1.2′×1.2′，图 2、图 3分别表示主要分潮M₂、K₁分潮潮波图，图中实线表示振幅，虚线表示迟角，采用中国沿岸25个长期验潮站进行精度评估表明9个主要分潮的RSS值为12.50 cm^[29]。深度基准面模型的精度主要取决于潮汐模型的精度，由上述潮汐模型构建的深度基准面模型中误差优于±13 cm^[52]。利用重力异常数据，采用移去恢复法，以EIGEN-5C为参考场，积分得到2′×2′的大地水准面模型，见图 4。采用沿岸85个GPS水准拟合进行精度评估，大地水准面模型在中国海域标准差为±8.50 cm。在全球海域，采用多年TOPEX/Poseidon系列、Geosat/ERM等多源高度计数据，利用最小二乘配置法、移去恢复法等多种关键技术构建的平均海面高模型分辨率达到2′×2′^[53]，见图 5。该模型与CNES_CLS10、DNSC08和CLS01等国际平均海面高模型在中国近海的标准差分别为±8.20 cm、±15.60 cm和±12.00 cm，可基本实现高分辨率数字化网格形式的、近连续表达的海洋无缝垂直基准。

图 2 中国邻近海域M₂分潮潮波图Fig. 2 Co-tidal chart of M₂ constituent in China seas

图选项

图 3 中国邻近海域K₁分潮潮波图Fig. 3 Co-tidal chart of K₁ constituent in China seas

图选项

图 4 中国邻近海域大地水准面模型Fig. 4 The geoid model in the adjacent waters of China

图选项

图 5 全球海域平均海面高模型Fig. 5 The global mean sea surface height model

图选项

3 海洋无缝垂直基准构建关键技术

(1) 无缝垂直基准面的选择与相互转换。海洋无缝垂直基准面应按多个种类和多种层级选择，既包括参考椭球面和大地水准面等大地类型的高程基准，又应选择深度基准面和平均海平面等深度基准。研究工作的重点是确定不同垂直基准面的相互关系。海洋深度基准面可以通过平均海面高模型在大地高系统中或通过海面地形模型在国家高程基准中表示，因此，实现海洋深度基准面与陆地高程基准面的相互转换，即实现基于地球椭球的基础数据库数据和海图目标数据的变换以及海图数据与地形数据的转换。

(2) 基准面的高分辨率网格形式表示。由传统离散的基准表现形式发展为现代的模型连续形式，国际和国内多采用利用验潮站基准数据的拟合技术，但从根本上，由潮汐因素决定的垂直基准面应顾及海域潮波变化的物理机制，即以潮汐模型为基础，构建高分辨率网格形式的基准面模型。

(3) 基准面精度指标与确定原则。无缝垂直基准面的关键是实施基准的转换，其精度指标的确定应以不损失不同基准下地理信息数据的转换精 55 41324 55 23037 0 0 5796 0 0:00:07 0:00:03 0:00:04 5796指标为原则。在浅海区域，水深的精度一般限定在20~30 cm，故深度基准面的确定应明显高于该精度指标。构建连续无缝的海域潮汐类型垂直基准面，必须充分考虑不同海域的潮汐特点和可用数据分布情况。对于沿岸、内海和其他的半封闭海域等海洋测绘工程的重点区域，必须根据这类区域的特点，设计科学合理的无缝垂直基准面构建方案。

(4) 海洋垂直基准的维持与维护。海域垂直基准维护技术实际是指长期验潮站的多种数据观测与处理，通过对验潮站长期连续验潮资料、定期以高等级水准点联测或GNSS并置连续观测，进而精确确定基准面间的关系以及监测其他动态变化。海底地形测量或水深测量的海洋测量成果，通常是根据长期验潮站垂直基准关系，进行基于深度基准面或基于1985国家高程基准的成果基准转换。目前，国内长期验潮站的作用主要体现于水位与水文数据的采集，在垂直基准维护方面的作用相对弱化，对各个海洋垂直基准面转换关系在建站确定后通常都未及时进行更新，并且没有并置连续运行GNSS，不能精确确定平均海面的绝对变化。

4 结论与展望

垂直基准是表征陆地高度、海洋深度的参考系或尺度标度。海洋垂直基准不仅直接关联海洋几何特征的精细刻画，也支持海洋动态变化过程的认知。海洋垂直基准的表达具有多样性、多层级的特点。利用多源信息构建的海洋垂直基准，可以在明确的坐标系中描述海洋的空间形态和动态过程的机理，实现陆海数据的互联互通，对推动数字海洋建设具有基础支撑作用。

潮汐模型是构建海洋垂直基准的基础，而构建精密潮汐模型主要依赖于验潮站、卫星高度计和浮标等提取的潮汐数据。随着具有长期潮位观测的海洋站进行GNSS连续观测系统的业务化推进，不仅极大地提高了我国海平面变化观测的科学性，更提升了海洋站“一站多能”的能力，使得我国为逐步构建海洋垂直基准体系并进行动态维护创造了条件。

开展更多数据资源、相容技术方法和技术要求在海洋垂直基准体系建设中的研究，实现垂直基准体系科学构建、区域扩展、逐步更新及应用服务的规范化、标准化与工程化，实现垂直基准体系由陆地到海域到海岛、由近海到大洋、由多个海区拼接成片、由区域到全球范围的无缝拓展。对加快建立我国陆海统一的全球垂直基准体系，提高海洋调查资料的高效综合与应用服务能力，全面建成信息化、智慧化海洋海岛，提升海洋海岛信息服务于我国海洋安全、海洋经济发展的能力和水平具有重要的作用和意义。

【引文格式】周兴华，付延光，许军。海洋垂直基准研究进展与展望[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1770-1777. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170322

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