论文推荐 | 胡敏章, 张胜军,金涛勇,文汉江,褚永海,姜卫平,李建成:新一代全球海底地形模型BAT_WHU2020

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本文内容来源于《测绘学报》2020年第8期，审图号GS（2020）4062号。

新一代全球海底地形模型BAT_WHU2020

胡敏章¹, 张胜军²,金涛勇³,文汉江⁴,褚永海³,姜卫平³,李建成³ 

1.中国地震局地震研究所(湖北省地震局), 地震大地测量重点实验室, 湖北 武汉 430071;

2.东北大学, 辽宁 沈阳 110819;
3.武汉大学测绘学院, 湖北 武汉 430079;
4.中国测绘科学研究院, 北京 100036

基金项目：国家重点研发计划（2017YFC1500403-03）

关键词：卫星测高    船测水深    重力异常    海底地形    挠曲均衡

引文格式：胡敏章, 张胜军, 金涛勇, 等. 新一代全球海底地形模型BAT_WHU2020. 测绘学报，2020，49(8)：939-954. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190526.阅读全文：http://xb.sinomaps.com/article/2020/1001-1595/2020-8-939.htm
全文概述

本文利用由多源卫星测高资料计算的新版全球重力异常Grav_Alti_WHU，联合船测水深资料，构建了全球75°S—70°N范围的1^'×1^'海底地形模型BAT_WHU2020。以船测水深、现有模型和多波束测深数据为参考，对模型精度进行了分析评价。结果表明，在中国海域及邻区（104°E—160°E，0°N—50°N），本文模型与船测水深之差值的标准差约70 m，与SIO V19.1模型精度相当，优于ETOPO1、DTU10、GEBCO_08等模型，较此前发布的BAT_VGG模型精度提高了约30%，说明本文模型构建方法可靠、数据处理准确、精度较高。在全球范围内，BAT_WHU2020模型与船测水深之差值的标准差为50~65 m，差值在±200 m范围内的比率超过95%，与SIO V19.1模型精度相当，优于ETOPO1、DTU10、GEBCO_08等模型，较BAT_VGG模型精度提高了27%~36%。以SIO V19.1模型为参考，模型之差的标准差为90~110 m，约90%格网点差值在±200 m以内，约95%格网点差值在±300 m以内，两者一致性良好。最后，讨论了地壳均衡、Parker公式高次项等对成果精度的影响，模型的真实空间分辨率，以及以多波束测深为参考的模型精度问题。分析认为，BAT_WHU2020模型空间分辨率为10~18 km，在马里亚纳海沟、麦夸里海岭地区相对精度为5%~6%。

1  海底地形反演理论

根据挠曲均衡理论^[31]，在海山h(x)的载荷作用下，洋壳莫霍面(Moho)发生挠曲形变r(x)。因而，产生海面重力异常的主要异常场源是海底地形及其均衡补偿物质。

基于挠曲均衡原理，重力异常通常仅用于反演中短波段(10~200 km)的海底地形，而船测水深资料则用于构建长波(> 200 km)海底地形。本文基于上述原理，联合船测水深和卫星测高重力异常资料构建了全球海底地形模型BAT_WHU2020。

2  数据来源

2.1  卫星测高重力异常

本文采用的1^′×1^′卫星测高重力异常Grav_Alti_WHU是联合Geosat、ERS-1、ERS-2、Envisat、T/P、Jason-1、CryoSat-2和SARAL/AltiKa等多颗卫星波形资料获取的垂线偏差信息反演的，如图 4所示。数据处理过程中改进了波形重跟踪算法，选定了较优的沿轨重采样频率^[26-27]，在北太平洋海域、墨西哥湾海域与NGDC(National Geophysics Data Center)船测数据之差的均方根约为4 mGal(1 mGal=10^-5 m/s)，模型精度与SIO V23.1重力异常模型相当，优于DTU10重力异常模型。

2.2  船测水深

船测水深数据为来自NGDC的数据集，共约44.5百万点。NGDC数据集已按文献[36]中方法进行过处理和校正，但仍有部分数据存在明显偏差。因此，本文在海底地形模型构建过程中，参考已有海底地形模型，逐一计算反演区域内船测水深与模型之差，并剔除水深与模型之差大于3倍标准差的船测值，共剔除约2.7百万点，约占总数据量的6%，余下数据中的80%用于海底地形反演，20%用于最终成果精度检核。

3  数据处理

最终海底地形模型将由两部分构成：①由船测水深构建的长波(> 200 km)海深模型；②由重力异常反演的中短波段(约10~200 km)海底地形，数据处理流程如图 6所示。

图 6 联合船测水深和卫星测高重力异常构建海底地形模型的数据处理流程 Fig. 6     Data processing flow for bathymetry constructing from altimetric gravity anomalies and shipboard depths      

图选项

根据图 6所示流程图，联合船测水深和测高重力异常反演水深大于100 m区域的海底地形(陆地及水深浅于100 m区域取SIO V19.1模型值)，以2°×2°格网对数据进行分块处理，主要数据处理步骤包括：

(1) 构建长波海深模型h_long(x)。由船测水深格网化后，进行200 km高斯低通滤波处理即可。

(2) 构建反演波段内重力异常δg(x)。采用带通滤波、向下延拓等处理后获得反演波段内重力异常。

(3) 计算反演波段内海底地形与重力异常之比例系数S(x)。内插计算船测点残差水深和反演波段内重力异常，并进行线性回归分析即可获得比例系数。

(4) 计算最终海底地形模型

4  模型构建结果及精度评价

本文利用新构建的全球卫星测高重力异常模型Grav_Alti_WHU和船测水深，根据图 6所示数据处理方法，构建了全球75°S—70°N范围内1^′×1^′海底地形模型BAT_WHU2020。模型水平和垂直参考系分别为WGS-84和平均海平面。本节利用未参与计算的船测水深数据对BAT_WHU2020模型在中国海域及邻区，以及全球的精度进行评估，并将其与国际上已有的同等格网分辨率模型(SIO V19.1、ETOPO1、GEBCO_08、DTU10)进行对比分析。SIO V19.1模型由于持续收集了多代卫星测高资料和船测数据，可以认为其精度水平在上述各模型中最高。ETOPO1模型的大洋地区水深主要是来自SIO的早期模型(2008年)。GEBCO_08模型的最大数据源是历史数字化的等深线数据(主要是500 m等深线数据，部分地区还加入了100、200 m等深线数据)。DTU10是联合GEBCO_08模型和卫星测高重力异常构建的模型，重力异常主要用于反演20~120 km波段的海底地形。

5  讨论

5.1  地壳均衡现象对海底地形反演的影响

根据地壳均衡理论，海面重力异常的来源主要包括海底地形及其地壳均衡补偿两部分(式(1))，而由海底地形至重力异常的均衡响应函数犹如高通滤波器。海底地形反演过程中的带通滤波的长波段截断的主要作用之一即是抑制地壳均衡的影响。

5.2  Parker公式中高次项对海底地形反演的影响

从正演重力异常看，地形高次项产生的重力异常主要呈现局部特征(短波特征为主)，从反演结果看，高次项的影响也主要强化了海底地形的局部变化特征，在局部区域可以提高精度，但对大面积海底地形反演精度的影响有限。此外，海底地形反演过程中进行的低通滤波处理一定程度上也会抑制高次项的影响。总之，由于当前地壳结构模型分辨率较低，且顾及高次项的迭代反演对最终成果精度影响有限，因此本文构建全球海底地形模型BAT_WHU2020时直接利用了式(7)的线性近似，未对高次项进行特殊处理。

5.3  BAT_WHU2020模型的空间分辨率

国际上虽已有30^″甚至15^″分辨率的海底地形模型发布，但是其模型仅在船测数据丰富的小区域达到了相应分辨率。例如文献[4]联合卫星测高重力异常和超过290百万点船测水深构建的30^″分辨率模型，仅约6.5%的格网点有船测水深约束。文献[35]的15^″分辨率模型也仅有约10.84%的区域有船测水深数据。

5.4  BAT_WHU2020模型的实际精度评估

现代多波束测深系统被认为具有最高的观测精度，但多波束测深数据在全球海洋覆盖非常稀少，且很多数据因政治、商业等原因而无法获取。笔者从NCEI(National Centers for Environmental Information)、GA(Geoscience Australia)等机构获取了马里亚纳海沟、麦夸里海岭等区域数据，并应用于BAT_WHU2020模型的精度检核。

6  结论

本文采用新版卫星测高重力异常Grav_Alti_WHU和船测水深数据，构建了新一代全球75°S—70°N范围内1^′×1^′海底地形模型BAT_WHU2020，并通过与船测水深、现有海底地形模型，以及多波束测深数据的比较，分析了模型精度。主要结论如下：

(1) 以船测水深为参考，在中国海域及邻区BAT_WHU2020模型与船测水深之差的标准差约70 m，与SIO V19.1模型相当，优于DTU10、ETOPO1、GEBCO_08等模型，较此前发布的BAT_VGG模型精度提高了约30%；在全球范围内，BAT_WHU2020模型与船测水深之差的二次检核标准差为50~65 m，差值在200 m以内占比超过95%，与SIO V19.1模型相当，优于DTU10、ETOPO1、GEBCO_08等模型，较BAT_VGG模型精度提高了27%~36%。说明本文模型与船测水深一致性很好，模型构建方法可靠、数据处理正确、成果精度较高。

(2) 以SIO V19.1模型为参考，BAT_WHU2020与SIO V19.1模型之差的二次检核标准差为90~110 m，约90%格网点差值在200 m以内，约95%格网点差值在300 m以内，两者一致性良好。

(3) 以多波束测深数据为参考，在马里亚纳海沟、麦夸里海岭地区，BAT_WHU2020模型与多波束测深模型之差的标准差为230~250 m，相对精度为5%~6%。

(4) 数据处理过程中，为抑制数据噪声对向下延拓等处理的影响，采用了常用的维纳低通滤波器，平均水深分别为1、3、5 km时，对应截断波长分别约10、15、18 km，可认为是本文模型的空间分辨率。

作者简介

本文团队是国内最早从事卫星测高技术与数据处理研究的团队之一，致力于将卫星测高技术应用于大地测量学、地球物理学、海洋学等研究领域。基于卫星测高等资料，自主研制了全球海面高、海洋潮汐、海洋重力场、海底地形等模型产品，达到了国际先进水平。相关研究成果获得国家科技进步奖、国家测绘科技进步奖等多项科技奖励。

第一作者简介：胡敏章(1985—)，男，博士，副研究员，研究方向为重力场均衡理论、海底地形反演、重力场变化监测及其应用，Email：[e-mail]

第二作者简介：张胜军（1987—），男，博士，讲师，研究方向为卫星测高数据处理、海洋重力场、平均海面高模型构建及海底地形反演，Email: [e-mail]

第三作者简介：金涛勇（1982—），男，博士，副教授，研究方向为卫星测高技术及应用、海洋/水文大地测量、时变重力场应用，Email：[e-mail]

第四作者简介：文汉江（1966—），男，博士，研究员，研究方向为卫星测高、卫星重力等，Email: [e-mail]

第五作者简介：褚永海（1976—），男，博士，副教授，研究方向为卫星测高技术及应用，Email：[e-mail]

第六作者简介：姜卫平（1972—），男，博士，教授，研究方向为卫星导航定位、卫星测高、卫星重力等，Email: [e-mail]

第七作者简介：李建成（1964—），男，博士，教授，中国工程院院士，研究方向为大地测量学与测量工程、地球重力场理论及其工程应用，Email：[e-mail]

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