论文专区▏海道测量规范中水位控制部分修订的要点
【编者按】质量控制为主线开展了《海道测量规范》水位控制部分的修订工作，简要阐述了拟修订要点：①对水位改正方法，遵循开放性与要求的针对性原则；②基准面采用传递确定技术，平均海面与深度基准面分别以10cm与15cm作为95%置信度的精度指标；③技术文档实现全过程控制，充分体现质量控制的要求。最后，对规范部分条目设置问题与需开展的相关工作提出了建议。本文发表在《海洋测绘》2017年第2期上，现编发给朋友们阅读了解。许军，男，1981年出生，江苏盐城人，博士，主要从事水位控制、潮汐模型与海域垂直基准的构建及应用研究。
文/许军 暴景阳 于彩霞
一、引言
GB 12327-1998版《海道测量规范》[1]（简称《规范》）针对海道测量的组织与实施制定了全面详细的技术方法、手段、技术指标等规范性条目，是一切海道测量工作的基础性标准。自发布以来，在指导与规范我国海道测量工作中发挥了十分重要的作用。但发布至今已近20年，测量仪器、技术手段与作业方法等都发生了诸多变化或革新，现版《规范》的技术方法与技术指标时效性已明显滞后于现代海道测量技术发展，因此《规范》的修订工作已刻不容缓[2-3]。
翟国君等[3]明确了《规范》修订工作的指导思想与修订原则，对框架结构、技术方法与技术指标等三个方面提出了修订意见；对水位控制部分，建议独立成章，并删除模拟法和定点验潮站水位改正方法，增加余水位法和数值潮汐预报法的水位改正方法。暴景阳等[4]在分析水位控制的基本概念与技术体系、现行《规范》中水位控制关键指标等基础上，对水位控制部分的修订明确了基本原则，对主要更新和改动给出了简要说明，并指出修订的方向是以质量控制指标为目标模式，重点是内容的体系化和完整性。本文将进一步简述水位控制部分的修订要点，包括修订原则、原因与拟修订后的条目内容等，以期能辅助作业单位对修订后技术要求的理解。
二、水位改正方法
我国一直采用苏联的三角分区（带）图解法及模拟法，谢锡君等[5]将三角分带图解法改进为适用于计算机处理的时差法，刘雁春等[6]提出了最小二乘曲线拟合法。这三种水位改正方法都是将基于规定起算面（通常为深度基准面）的水位作为整体进行空间内插，可称之为传统水位改正方法。对应的现代水位改正方法主要包括两种：一是将水位的内插分为天文潮位的内插与余水位的传递，如基于潮汐模型与余水位监控法；二是基于GNSS定位技术的方法，常称为无验潮模式。
现行《规范》因发布时的技术发展状况而将水位改正方法限于分区（带）、模拟法与时差法，故有必要进行修订。顾及各种水位改正方法的应用现状以及发展趋势，修订将基于以下两个思路：
⑴方法的开放性与要求的针对性。方法的开放性是指各种水位改正方法都可采用，不限于传统水位改正方法。而要求的针对性是指基于各类方法的原理与主要误差源的差异，技术设计的要求也将不同，取决于拟采用的水位改正方法。
⑵计算水位改正数时必须使用技术设计时明确的水位改正方法。这是“要求的针对性”的体现，保证水位改正实施与技术设计在依据与要求上一致。
⒈ 传统水位改正法
三角分区（带）法、时差法与最小二乘曲线拟合法等传统水位改正法都隐含或明确地以潮差比与潮时差来描述水位的空间结构，即对水位的空间分布结构的描述在本质上可认为是一致的[7]。因此，测区或各分区域内的验潮站应满足潮汐性质基本相同，或同步水位变化曲线呈现明显的相似性。从约束水位内插误差的角度，还应满足相邻验潮站之间最大潮高差不大于1m且最大潮时差不大于2h的要求。
⒉ 基于潮汐模型与余水位监控法
水位按激发机制可分潮为天文潮位与余水位，其中天文潮位是水位的主体，可由主要分潮的调和常数预报，而余水位是天气等因素引起的短时水位异常，在空间上呈现较强的相关性。基于潮汐模型与余水位监控法是以精密潮汐模型预报天文潮位，验潮站监控传递余水位的水位控制模式。该方法对潮汐类型无要求，但需分析潮汐模型在测区范围内的覆盖程度与天文潮位预报精度，以及余水位的空间一致性[8]。
⒊ 基于GNSS定位技术的方法
基于GNSS定位技术的水位改正方法是指采用实时或后处理方式由GNSS实现高精度定位，经姿态改正，并结合测区内地球椭球面、平均海面与深度基准面等之间的转换关系，将瞬时水深归算为深度基准面起算的稳定水深成果。因此，该方法的实施可无需验潮站，而是应论证定位、姿态改正、基准转换的方案及其精度。
⒋ 虚拟站技术
虚拟站技术是指推算或恢复某站水位的技术方法，即该站在测量期间的全部或部分水位不是实测的。该技术并不是独立的水位改正方法，通常是运用于海上站点，作为传统水位改正方法的补充，与实测站同等对待，主要节约人力、物力与时间成本。因此，需分析论证所用技术方法的精度。
对于历史站点，《JTS 131-2012水运工程测量规范》[9]要求应具有30d以上的历史水位数据，其调和常数应利用岸上长期站同步水位观测资料分析结果进行差比订正，并对推算水位与实测水位的比对限差提出了要求。该条目可作为参考。
对于无历史数据的站点，可采用基于潮汐模型与余水位监控法，要求与2.2节一致。
三、基准面确定
对于布设的短期或临时验潮站，需确定平均海面与深度基准面。平均海面是指具有足够稳定性的平均海面在水位零点上的垂直高度，习称为当地平均海面、（当地）长期平均海面或（当地）多年平均海面。深度基准面是指相对于平均海面的垂直差距，量值称为L值。该部分的修订思路为：一是必须采用基准面传递技术；二是基准面确定精度必须进行评估。这将改变“只给出基准面量值，而无精度评估及指标”的现状，体现质量控制的思想。
⒈ 平均海面
笔者在文献[10]中对现行《规范》中关于确定平均海面的条目进行了分析，提出了两条修改意见：
⑴删除“长期验潮站采用2年（含）以上连续水位观测数据，取其每小时的平均值求得平均海面”的规定。
⑵整合短期站与临时站的相关规定，修改为“短期站与临时站的平均海面应由邻近长期站传递确定，对传递精度进行评估，误差不得大于10cm（95%置信度）”。
传递方法可采用水准联测法、同步改正法与回归分析法等。文献[11]以中国沿岸典型验潮站（相距50～100km）的实测水位数据统计表明，同步改正法在同步7d时基本能保证极值误差在10cm内，因此“误差不得大于10cm（95%置信度）”作为平均海面的精度指标是合理的。
考虑到自记水位计逐渐成为了主要验潮手段，而移动或沉降是这类水位计较常见情况，因此拟规定零点漂移的探测与修订为验潮仪观测数据预处理中必须的步骤，以保证平均海面与水位改正数的可靠性与精度。实施方法可采用与邻近长期站同步的日平均海面变化曲线与/或余水位曲线等，检测水位零点的突变或渐变，并进行订正[7]。
⒉ 深度基准面
现行《规范》关于确定深度基准面的规定存在过于宽松的问题，主要表现如下。
⑴对于30d验潮的短期站，采用邻近长期站的长周期分潮（Sa、Ssa）的调和常数，由实测水位数据经调和分析获得11个分潮的调和常数，进而由定义算法计算L值；
⑵对于海上定点站，若验潮一次或三次24h，则采用准调和分析法求得四个最大分潮（M2、S2、K1、O1）的调和常数，计算L值；若验潮15d，则采用调和分析法求得8个主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的调和常数，计算L值。
经统计，不同月的深度基准面L值之间的最大互差可达约60cm[12]，而更短时长水位数据求得的分潮数更少，且调和常数的精度更低，相应计算的L值将具有更大的误差。因此，新设站点的深度基准面L值应在长期站控制下，以传统方法确定[7,13]，可采用潮差比法、主要分潮振幅和比值法等。精度指标拟设定为“误差不得大于15cm（95%置信度）”。
四、文档记录
水位控制的组织实施将要求全过程文档记录，并加强了分析论证与精度评估等体现质量控制的要求，各文档要求如下：
⑴技术设计：在分析测区潮汐分布规律、长期站与历史站分布情况的基础上，明确拟采用的水位改正方法以及验潮站布设与利用方案与基准面确定方案，并分析论证基准面确定精度与水位控制效果等能达到对应质量指标要求。验潮站布设与利用方案、水位控制效果的分析论证是技术设计的关键内容，以水位改正方法的选择为前提，与前述“水位改正方法的开放性与要求的针对性”的原则相对应。
⑵验潮站经历簿或考证簿：该文档加强了主要与工作水准点、GNSS控制点的施测方法与精度指标，主要分潮调和常数、平均海面与深度基准面计算的方法、数据时段等信息的要求。
⑶技术总结：该文档应包含验潮站定址与设立情况、数据观测过程（水准联测、GNSS观测、水位零点检校等）、数据预处理过程（水准联测数据的处理、平差与精度评估，GNSS数据的解算与精度评估，水位数据的粗差探测与修正、零点漂移探测与修订、潮汐分析、基准面确定方法与精度评估、水位改正数的计算等）内容。
五、结束语
全文简要阐述了《规范》水位控制部分的拟修订要点，修订基本是以质量控制为主线，以技术指标为最低质量要求，以便适应技术的发展。笔者认为以下条目的设置问题还需讨论。
①技术指标是否合理，如基准面确定的精度指标。
②是否规定水位改正的精度指标以及量值。
③是否要求提交基于平均海面的水深成果，以利于基准转换以及成果间的拼接[14]。
在《规范》修订过程中，笔者认为以下相关工作还需开展或加强。
①技术方法与理论：一是针对各种水位改正方法，发展水位改正精度的评估方法；二是长期验潮站深度基准面定义与最低潮意义不一致问题的解决方法；三是平均大潮高潮面在各潮汐类型下的定义与算法，这是航空摄影测量与三维激光扫描技术下的潮位推算与岸线推算的保障。
②标准细化和作业指导作用的技术文档：一是规范配套的指导手册，类似于文献[15]；二是专题性技术手册，如类似于文献[16]，详细描述某种水位改正方法的原理，分析其优缺点，给出应用解决方案，并附多个详细实例；而类似文献[17]，详细描述了潮汐基准面的传递技术，各方法的应用条件，并附多个实例。
③辅助工具：水位控制方案设计、水位数据处理的标准化工具（潮汐分析、短期缺测水位插补、零点漂移检测与修订、基准面确定）等。
④基础性模型：全海域或局部海域的似大地水准面模型、平均海面高模型、精密潮汐模型、深度基准面模型等。
《海道测量规范》作为国家标准，修订发布后将在很长一段时期内影响着海道测量行业，因此，《规范》的修订以及相关的技术理论方法研究、技术文档编制、辅助工具开发与基础性模型构建等工作应体现整个行业从业人员的智慧。
参考文献：
[1]GB 12327-1998.海道测量规范[S].北京:中国标准出版社,1999.
[2]殷晓冬,陈跃,唐俊,等.国际海道测量标准比较研究[J].海洋测绘,2011,31(4):35-38.
[3]翟国君,欧阳永忠,陆秀平,等.《海道测量规范》修订的若干问题[J].海洋测绘,2014,34(1):76-79.
[4]暴景阳,许军.海道测量水位控制的技术体系及标准更新[J].海洋测绘,2016,36(6):1-6.
[5]谢锡君,翟国君,黄谟涛.时差法水位改正[J].海洋测绘,1988,8(3):22-26.
[6]刘雁春,暴景阳.海道测量水位改正模型[C].全国青年工作者优秀学术论文集,1993,103-109.
[7]许军.水下地形测量的水位改正效应研究[D].2009,大连:海军大连舰艇学院.
[8]刘雷,董玉磊,曲盟,等.基于潮汐模型与余水位监控法的实例分析[J].海洋测绘,2015,35(4):36-39.
[9]JTS 131-2012.水运工程测量规范[S].北京:人民交通出版社,2012.
[10]许军,于彩霞,暴景阳.关于平均海面精度指标的探讨[J].海洋测绘,2017,37(1):6-8.
[11]许军,暴景阳,于彩霞.平均海面传递方法的比较与选择[J].海洋测绘,2014,34(1):5-7.
[12]暴景阳,翟国君,许军.海洋垂直基准及转换的技术途径分析[J].武汉大学学报信息科学版,2016, 41(1):52-57.
[13]暴景阳,许军,崔杨.调和常数及深度基准面的变化与历元订正[J].海洋测绘,2013,33(3):1-5.
[14]许军,暴景阳,于彩霞.水位改正中的基准面空间内插及其误差约束[J].海洋测绘,2016,36(6):11-14.
[15]International Hydrographic Organization (IHO).Manual on hydrography[S].Monaco: International Hydrographic Bureau,2005.
[16]Hess,K,R.Schmalz,C.Zervas,et al.Tidal constituent and residual interpolation (TCARI):a new method for the tidal correction of bathymetric data[R].NOAA Technical Report NOS CS 4,Silver Spring,Maryland,2004.
[17]National Ocean Service (NOS).Computational techniques for tidal datums handbook[R].NOAA Special Publication NOS CO-OPS 2,Silver Spring, Maryland,2003.
■论文专区的文章均为在《海洋测绘》上刊发的论文，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com