论文专区▏海底地形测量成果的质量检核评估（五）：数字测深成果的多样化拼接检查
黄辰虎1，陆秀平1，石杰2，邓凯亮1，吴太旗1，翟国君1，葛忠孝1
1.海军海洋测绘研究所，2. 91650部队
【摘要】为进一步规范“二级检查、一级验收”制度，提高作业单位对自身资料潜在质量问题的预判能力，提升海洋测量成果验收的工作效率和成果优秀率，指出:各级业务部门应从两方面对海底地形测量数字测深成果开展质量检查并留存全过程记录，一是构建交叉点不符值数列并基于内、外精度指标作量化表征；二是生成多维、多类型海底地形曲面并在位置交叉域作直观拼接。针对成果水深在深度方向的异构性提出了基于水位改正逆过程的解决方法，多角度展示了《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件中数字测深成果基于测深点、线、面的多样化拼接检查功能。
【关键词】海洋测量信息处理工程；水位改正逆过程；异构性；深度基准；二级检查一级验收
一、引言
合格的海道测量成果是生产标准航海图的基础数据，一切海上活动都离不开海道测量成果的支持[1]。海军海洋测量成果检查验收按照国家标准《海道测量规范》等严格执行“二级检查、一级验收”制度，其中作业组（或作业分队）、作业部门（或作业中队）、业务主管部门（或作业大队）及海洋测绘成果检查验收委员会按照各自的职责和分工具体实施[2]。
从近几年工作实践看，特别在海底地形测量成果的检查验收方面，由于相关作业单位不仅日常使用了单波束测深设备，还普遍采用了多波束测深设备来执行各类多样化的水深测量任务，汇交至海图出版社待验收的海底地形测量资料数据量激增，导致“一级验收”工作效率不高。另外由于各作业单位技术人员水平不一，“二级检查”未体现出“全过程、精细化、透明化”要求，导致在“一级验收”时发现部分待验收的资料存在质量方面的瑕疵。因此进一步规范“二级检查、一级验收”制度，一方面要提高作业单位对自身资料潜在质量问题的预判能力，另一方面还要提升海洋测量成果验收的工作效率和成果优秀率，这是一项当前亟待研究解决的事情。
海底地形测量成果一般包括外业测量中的原始探测资料、内业数据处理中的过程资料及用于最终成图的离散或网格化水深点等[3]。海底地形测量成果检查验收的对象除各类纸质文档、打印图件外,主要针对数字形式的测深成果进行。为提高检查验收的工作效率，一般遵循“先成果水深点、后过程数据、再原始资料”的先后顺序，即首先从量化和直观的角度，对离散或网格化的全部水深点进行详查，对内、外符合的精度进行考核，尽可能发现其中隐含的粗差和系统性偏差，由此一步步朔源过程数据及原始资料，并根据粗差和系统性偏差的表现和特点逐一针对性解决。因此如何对成果水深作科学的量化和直观表达是一个前期的基础性工作。
海底地形测量的数字形式成果具有异构、多源和海量特性[4]。就异构特性而言，主要体现为水平及深度两个方向的空间归算基准的差异性。就多源特性而言，主要体现为探测设备的多样性、作业平台的多样性、资料来源渠道的多样性以及探测时段不同的多样性。就海量特性而言，主要源于船载多波束测深系统的高分辨率、全覆盖工作机理，此外由于机载激光测深系统平台自身具有的高机动性、设备自身具有的超高发射和接收频率，导致其数据获取较多波束测深更是达到了超大规模量[5-6]。
对海底地形测量数字形式的测深成果作质量评估，首先要解决数据的异构性，即应使水深数据点的平面和深度基准归一化，这样评估才具客观性和有效性；其次要顾及数据的多源性，即由于主、检测线来源是多样化的，主、检测线定义也是相对的，在位置交叉域应优先使用精度高的水深成果；最后要考虑数据的海量性，即应做到评估方法要科学客观，评估过程和结果则要量化直观。作业组、作业部门、业务主管部门、海洋测绘成果检查验收委员会等各级组织，对检查验收的侧重点是不同的，但针对数字形式测深成果的检查验收则是最基础的。
成果水深在深度方向的异构性，主要是由水深表达所采用深度基准的定义及算法不一致而产生的，是对不同部门、不同单位、不同批次的成果验收时的首要检查项。本文中探讨的成果水深主要来源于单、多波束测深，关于机载激光测深的成果拟另文论述。
二、成果水深在深度方向异构性的处理
对不同批次位置交叉域的成果水深开展质量评估，首先应检查是否存在异构性并予以解决。成果水深的异构性主要体现在水平及深度两个方向。这里水平方向的异构性主要指成果水深表达采用的平面基准不一致而产生的差异。顾及到当前作业单位普遍采用GNSS设备定位的现实，只要具备相关精确的投影转换参数，主要围绕高斯内部或与墨卡托等投影相互间的基准转换易进行。
关于成果水深在深度方向的异构性，在国内沿岸的河道、港口等浅水海域，由不同部门、不同单位、不同批次提交的成果有时表现的很明显。这主要是由于不同的作业部门、作业单位甚至同一单位在不同历史时期，在实施水深测量水位改正时采用了不同的水位改正方法和技术指标。如水位控制时采用了不同的验潮站组合、关于平均海面及深度基准面的定义及算法不一致。此外，验潮站的深度基准L一经确定轻易不得改动的要求与该L数值在具体计算时可能未严格执行相关要求需要修订而存在着现实性矛盾。以上因素共同造成了对成果水深作拼接检查时在深度方向上可能出现量值或大或小的系统性偏差。
以前期对辽宁丹东大东港某测区成果的验收为例，不同作业单位在1990、1995、2001、2014年分别开展了4次水深测量，其中在大东港附近分别布设了3次验潮站，这几次验潮站布设站位间的距离不超0.6km，但历次验潮结论不统一，L值分别为377、322、366cm。一方面可能是由于岸线、地形发生形变、河道淤积等导致潮汐规律发生变化；另一方面还受当时、当地作业条件限制以及L计算方法不一致影响。对类似上述不同批次成果水深进行相互间拼接时，必然会出现深度方向的系统性偏差。这时除分析所采用验潮站的L值是否准确外还可将成果水深的深度基准转换至长期平均海面MSL，从另外一个深度基准的角度来进行分析。
采用传统定义或同步改正传递等方法确定验潮站的长期平均海面MSL，其精度一般约在cm级[7-9]。进一步通过定义法或潮差比、最小二乘拟合等方法确定深度基准L，因定义、算法不同L存在诸多不确定性，其精度一般约在10～20cm，甚至更低[10]。考虑到长期平均海面具有大尺度缓慢变化的特性，不同部门、不同单位计算的平均海面MSL值间的差异应不大，但若深度基准L的计算方法不一致，则L值间的差异可能较大，从而将导致即使单个作业单位的成果水深内符合精度满足要求，但对多个作业单位的成果水深进行拼接时，可能会在深度方向出现明显的系统性偏差。此时若将原来采用的深度基准L统一转换至长期平均海面MSL再进一步作拼接检查，则原有深度方向的系统性偏差将明显降低，进而通过精确修订原使用的深度基准L值并重作水位控制改正，则能提高原有成果水深精度。
以2017年对辽宁盘锦港某测区单波束测深成果验收为例，主、检测线交叉点共计1352个，水位控制使用了盘锦港、四道沟及鲅鱼圈等3个验潮站，其中四道沟验潮站L值抄录自地方部门为202cm，但经验潮结束后使用潮差比等方法重新计算，L值为213cm更合适。经对L值作修订并采用更合理分区改正方案，主、检测线交叉点不符值的超限比例由5.02％降低至1.77％，表明成果水深的整体精度得到了明显提高。
此外，海岸带陆、海测量成果深度基准统一和应用，也是当前海岸带领域的研究热点[11-12]。邢喆等[13]以上海市海岸带为例实现了海陆高程/深度数据无缝拼接，构建了区域海陆一体DEM模型，但具体构建中认为该区域L为常数，未考虑到L曲面变化特点，这实际上是不严密的。关于成果水深的深度基准如何由L（这里指理论最低潮面）精确转换至“1985国家高程基准”是其中关键技术点，因具体操作上要使用到水位改正全过程信息并涉及水位改正逆过程，国内相关的文献并不多。
为解决不同批次成果水深在深度方向的异构性，精确实现陆、海测量成果的深度基准统一，可以长期平均海面MSL为中介，建立瞬时海面、基于MSL的成果水深、基于L的成果水深三者间的转换关系。实质即分别基于MSL和L实现水位改正及其逆过程，用公示表示如下：
h(x,y)＝ζ(x,y,t)－γL(x,y,t) ⑴
h(x,y)＝ζ(x,y,t)－γMSL(x,y,t)－L(x,y) ⑵
进一步，可得：
hMSL(x,y)＝h(x,y)＋L(x,y) ⑶
hMSL(x,y)＝ζ(x,y,t)－γMSL(x,y,t) ⑷
其中h(x,y)表示海域内x,y处的海图成果水深，hMSL(x,y)表示x,y处归算至MSL的海图水深，ζ(x,y,t)表示x,y处t时刻的瞬时水深，γL(x,y,t)表示x,y处t时刻归算至L的水位改正数，γMSL(x,y,t)表示x,y处t时刻归算至MSL的水位改正数，L(x,y) 表示x,y处的理论最低潮面值。
水位改正及其逆过程设计见图1。
图1 水位改正及水位改正逆过程示意图
目前沿岸浅水海域的水深测量水位控制主要采用两种方法：一是布设验潮站，通过单站、两站、三站及多站等组合方式实施水位改正；二是计算控制验潮站的余水位信息并结合天文潮预报实施水位改正[10,14-16]。若采用第一种方法，由于测深点处的L值计算隐含在实施水位改正过程中并由相关潮汐分区验潮站处的水位改正数内插而得，而不能由公式⑶直接将h(x,y)转换为hMSL(x,y)，而首先应将h(x,y)通过水位改正逆过程恢复为ζ(x,y,t)，进而应用γMSL(x,y,t)基于公式⑷再作水位改正而得到hMSL(x,y)。若采用第二种方法，由于L(x,y)可由潮汐场模型预先得到，故hMSL(x,y)可由公式⑶直接得到，这与无验潮测深成果的深度基准转换类似。对于第一种情况，除成果水深h(x,y)外还使用到了水位改正的全过程信息，如潮汐分区、各验潮站的水位改正数γL(x,y,t)、MSL值、L值及瞬时水深ζ(x,y,t)等。
为满足海底地形测量数据应“处理透明、过程可逆、结果直观”的要求，《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件设计了水深成果图板内任意测深点x,y处除包括成果水深h(x,y)这一属性外，还应包括该位置处瞬时水深值ζ(x,y,t)、人工改正量、声速改正量、水位改正量、吃水改正量等多个属性[17]，具体见图2。
图2 测深点x,y的多属性表达界面图
《海洋测量信息处理工程》水位控制及改正软件在设计基于L的水位改正方式外，还增加了基于MSL的水位改正方式[18]。若对hMSL(x,y)有需求，通过图1的技术流程及图2中x,y的多属性，可方便实现h(x,y)与hMSL(x,y)相互间的转换。当然如果海洋测绘成果检查验收委员会作要求，作业单位上交水深测量成果电子数据时也可同步上交基于MSL的电子数据，这时应由该单位内部完成h(x,y)与hMSL(x,y)相互间的转换。
基于MSL对hMSL(x,y)作成果水深拼接与基于L对h(x,y)作拼接，前者在深度方向的系统性偏差较后者必然要小，由此可追朔相关验潮站的L值精度是否可靠，进而可通过修订L值并重作水位改正，来提高原海图水深h(x,y)的整体精度。另外基于MSL的成果水深也是模拟潮汐场的重要基础性数据，其是否准确直接制约着分潮调和常数的解算精度[19-20]。应用公式⑶或⑷，可将当前各作业部门主要保有和应用的基于L的成果水深（海图水深）精确的转换至基于MSL，这体现了水位改正逆过程的理论和应用价值。
三、基于测深点、线、面的多样化拼接检查
⒈现实需求
单波束测深具有仪器吃水浅、附属设备少、数据处理简单的特点，可用于极浅水域的水深测量。但在海洋测量工程实践中发现，在海底坡度剧烈、水深突变的浅水区域，受风浪导致的船体剧烈摇摆等多方面影响，易造成单波束测深底跟踪不及时，探测的水深值有时会存在失真现象，见图3。这时应对逐个测线来分析测深回波的信号质量并对“假信号”予以剔除。
图3 单波束测深底跟踪不及时导致的信号失真界面图
一般而言，尽管多波束测深较单波束的仪器吃水值大，但其呈扇面状发射和接收信号，数据具有高密度、全覆盖、高精度特点，甚至可物理或电子倾斜某个角度来完善探测坡度变化大的地形。顾及到设备吃水受限和地形探测完善的需求，往往需要根据海底坡度及水深变化趋势使用多种测深设备。
近年来开展岛礁周边水深测量时，单船或多船使用若干台套单波束和多波束测深设备联合探测海底地形已趋向常态化。因此在同一个作业海域，成果水深往往存在着复杂的多源特性，可能需要对单波束与单波束间、单波束与多波束间、多波束与多波束间，甚至与机载激光测深间开展内、外符合方面的精度评估。
在首先解决了不同批次位置交叉域的成果水深存在的异构性后，接下来应研究如何做到评估方法要科学客观，评估过程和结果要量化直观，这其中包含如何解决数据的多源和海量特性。为此提出：各级作业部门应从两方面对海底地形测量数字成果开展质量检查并留存全过程资料，一是应构建交叉点不符值数列并基于内、外精度指标作量化表征；二是要生成多维、多类型海底地形曲面并在位置交叉域作直观拼接。
⒉效果展示
文献[4]在李家彪[21]、李宜龙等[22]研究的基础上，提出对海底地形测量数字成果作质量评估时，应基于三角网计算所有水深交叉点的不符值，从而构成一个由点、线或面组成的不符值数列，据此进行相关的量化统计更为科学。若待评估的成果水深还被赋予了测量时间、测深线号、测深点号或ping、波束点号、不确定度等多个属性，则可生成多维、多类型的海底地形曲面，基于测深点、线、面的形式在位置交叉域作多样化直观拼接。
使用《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件，构建交叉点不符值数列的步骤如下：
⑴在主测线和检查线的位置交叉域插入单个或多个线状符号，以提高交叉点搜索效率。
⑵选中上述单个或多个线状符号，选择该范围内主测线的全部或图面点来构建三角网，见图4。
图4 对位置交叉域内主测线全部点构建三角网示意图
⑶基于上述主测线的三角网，内插检查线全部或图面水深点位置处的水深值。
⑷对检查线全部或图面点的水深值与内插得到的水深值作互差并统计分析。
使用《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件，可生成多维、多类型的海底地形曲面并在位置交叉域作多样化的直观拼接。分别基于测深点、测深线、测深面形式对单、多波束成果数据在位置交叉域作三维直观拼接，见图5～7。
图5 基于测深点形式在位置交叉域作三维直观拼接效果图
图6 基于测深线形式在位置交叉域作三维直观拼接效果图
图7 基于测深面形式在位置交叉域作三维直观拼接效果图
进一步，基于测深线的形式对单波束成果数据作二、三维的直观拼接，见图8。
图8 基于测深线形式作二、三维直观拼接效果图
由图5～8可知，通过海底地形的二、三维表达形式，可直观分析出单波束与单波束间、单波束与多波束间存在的拼接不佳的质量问题，若其量级超过了特定水深的限差要求，则应追朔处理过程资料及原始资料，以找出导致的原因并分析解决。
四、结束语
数字形式的测深成果是海底地形测量成果的重要组成部分，也是各级业务部门检查验收的第一手资料，主要依靠内、外符合精度两个指标来进行质量评估，具体操作上可通过量化评价和直观拼接两种方式结合进行。本文结论如下：
⑴对单批次或多批次海底地形数字测深成果检查验收，应首先分析是否存在异构性，特别是在深度方向的异构性，可通过水位改正逆过程予以解决。
⑵可通过构建位置交叉域的交叉点不符值数列并基于内、外符合精度指标，对数字形式的测深成果作量化表征。
⑶可生成多维、多类型的海底地形曲面，以测深点、线、面的形式在位置交叉域，对数字形式的测深成果作多样化的直观拼接。
⑷执行“二级检查”的作业部门在具体检查过程中应留存全过程记录，这样一方面可提高作业单位对自身资料潜在质量问题的预判能力，另一方面也能提升海洋测量成果验收的工作效率和成果优秀率。
随着多波束测深在全海域水深的常态化应用以及机载激光测深在岛礁浅水海域的逐步推广，海底地形测量数据处理和成果质量评估将面临超大规模数据量特点的复杂考验，在算法设计、软件开发、成果展示等诸多环节需要作更多的工作。水位改正逆过程如何在陆、海测量成果垂直基准转换和统一中得到具体应用也是作者下一步关注的重点。
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【作者简介】第一作者黄辰虎，1979出生，男，山西新绛人，高级工程师，主要从事海底地形测量数据处理以及海洋潮汐、海水声速的分析及预报研究；本文为基金项目，国家自然科学基金（41706111、41474012、41174062）；文章来自《海洋测绘》（2018年第4期），版权归《海洋测绘》所有，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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