海洋测绘垂直基准的建立与转换

摘要：在我国海洋测绘采用的多个基准面的复杂进程中，垂直基准的建立与实现已开始初露端倪并越来越引起大家的重视。就海洋测量垂直基准的现状、垂直基准面间的关系、海岸带地形测量与水深测量基准面转换技术等方面进行探讨，以期实现海岸带地形图和水深图的无缝拼接。

关键词：海洋测绘；垂直基准；高程基准；深度基准；平均海面

中图分类号： P2 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

目前海岸带地区的地形测量和水深测量分别采用不同的垂直基准面，即陆地地形图高程基准为1985国家高程基准面，水深图采用理论深度基准面。[1]由于采用不同的基准面，导致了测量成果数据必须通过一定的转换才能达到基准上的统一，制约了两图成果数据的无缝合成和拼接。为解决两种数字成果在垂直方向的拼接问题，需要就海洋测量垂直基准的现状、垂直基准的选择、垂直基准面间的关系、海岸带地形测量与水深测量基准面转换技术等方面进行研究，以期实现海岸带地形图和水深图的无缝拼接。在海道测量中，平均海面是一个标准的起算基准面，在其上关系到陆地测量高度的高程基准，在其下决定着海洋水深测量的深度基准，进而由深度基准决定着海岸线基准，而深度基准面的高度从当地平均海面起算，当地平均海面应与国家高程基准进行联测。因此，以平均海面作为我国海洋测绘的垂直基准面是建立国家高程基准统一的先决条件，也是实现海岸带地形图和水深图无缝拼接的最佳选择。在此基础上探讨海岸带区域垂直基准转换的关键技术，构建海洋测绘在垂直基准上的融合和统一，为经济建设和国防建设提供可靠的海洋地理空间信息。

2 海洋测绘垂直基准的研究现状

海图深度基准面的建立与参考椭球定位和全国高程基准确定相比有一定的特殊性，它更明显地具有以方便海图使用为目的的实用性，该面的确定与潮汐的强弱即当地潮差的大小有着密切的联系，因而我国与其他沿海国家一样仅是规定基准面计算所应采用的方法，而不是规定某一个或某些参考点以供基准维持。[2]实际上这种基准的维持是灵活的，只要将观测的潮位数据和计算的深度基准面值通过当地平均海面与国家统一高程系统建立联系，甚至在开阔海域可不与陆地基准联系，而只是由相对于潮汐振动的平衡面即稳定的平均海面的位置来表征，于是深度基准面的维持仅由平均海面实现。

海图深度基准面的计算通过潮汐调和常数实现,因而,深度基准面相对于平均海面的偏差仅在具有潮汐参数的点上获得,也就是说我们按照某种算法求得的深度基准面(相对于平均海面)数值仅是对真正曲面形态基准面在特定点的采样。

当前，我国的海洋测绘垂直基准主要是以1985国家高程基准的高程基准和以理论最低潮面为基准的深度基准。建立统一的海洋测绘基准是进行海洋勘测、海洋开发和研究的先决条件。世界上一些主要海洋国家历来非常重视海洋测绘基准的建立和统一问题。我国的海洋测绘基准主要是在陆地和海洋所采用的不是一个基准面，所以一直存在着数据转换和图件的拼接问题，更难以实现我国与相邻国家的海洋勘测图的有效拼接，所以无法满足专属经济区、毗连区和大陆架划界工作的需要。

在海洋测绘垂直基准研究方面，梁振英选择大地水准面作为陆海共同的基准面;暴景阳、章传银教授提出以平均海面作为陆海基本垂直基准面的思想；王双喜博士认为把参考椭球面、大地水准面以及理论深度基准面相结合从而构成海岸带连续基准；李凯、田震等则认为选择参考椭球面作为陆海数据交换的中介并进而过度到无缝衔接；于彩霞博士等从制图角度出发，通过对多个高程基准的转换关系，得出来局部高程改正的模型,为海图和地形图的无缝拼接奠定了基础。翟国君、黄谟涛教授等认为海洋测绘垂直基准应分级设定，作为基础海洋地理信息获取方式的海底地形测量，选取平均海面基准作为水位控制的基础应该是保证数据质量和可重复性的主要解决思路。[3]陈艳华、周兴华、孙翠羽等学者系统分析了潮汐基准面和大地水准面不适合作为无缝垂直基准面的原因，提出以椭球面作为无缝垂直基准面的合理性和可行性，并建议选择WGS84椭球面作为我国海域的无缝垂直基准面。殷晓冬、田光耀教授认为大地水准面与深度基准面是测绘垂直基准面的主要因素，探讨了我国测绘垂直基准面的现状及其存在的问题，提出了改进测绘垂直基准面的意见建议等。

3 平均海面是海洋测绘垂直基准的最佳选择

在海岛（礁）高程传递方面，过去很多岛屿采用当地平均海面作为独立的高程基准面。现在一般采用GPS测高和水准联测技术实现岛屿高程的传递，但仍然必须以平均海面的高程作为起始点和通过以平均海面传递技术获取的高程作为可靠性验证，保证海岛礁高程传递的精度，确保海洋测绘产品的一致性和无缝拼接。因此，远离大陆的岛、礁，其高程基准采用当地平均海面是确立海洋测绘垂直基准的标准选择。在海图深度基准面方面，以理论最低潮面作为深度基准面，而深度基准面的高度从当地平均海面起算，即海图深度基准面是相对于平均海面定义的，所以，平均海面也应该成为海洋测绘垂直基准的基本选择。

在灯塔、灯桩的灯光中心高度起算方面，灯塔、灯桩的灯光中心高度从平均大潮高潮面起算，而平均大潮高潮面是以理论深度基准面起算的，然而深度基准面的高度又是从当地平均海面起算的，所以，平均海面是海洋测绘垂直基准的必然选择。各基准关系见图1

图1：各基准关系图

4 海岸带区域海洋测绘垂直基准的转换技术

海岸地形测量和水深测量作业一般均采用1954北京坐标系结合高斯投影方式进行，因此，海岸地形图和海图数字成果在平面方向实现了统一表示，但在垂直方向则存在较大差异。由于地形图采用1985国家高程基准，而海图则采用当地的理论深度基准面，因此为了实现地形图和海图的拼接，必须研究海洋测绘的垂直基准转换技术，建立高程基准和深度基准的相互转换数学模型。

①固定点比较法

就是在以当地平均海面为高程基准面的海图(或陆图)上和以1985国家高程基准为高程基准面的同一海区的现行的海图(或陆图)上，找到共同的陆上固定点，求取固定点在采用不同高程基准面的两幅图上的高程差。为提高精度和可靠性，在两幅图上，应选择一定数量的固定点分别计算，对计算结果进行相互校核和验证，然后选择其中最可靠的点取平均值作为$h。另外，有时还要遇到1956黄海高程系的高程基准问题，因为有时要用到近代历史沿用海图和陆图，此类海图和陆图的高程基准大多采用黄海平均海面为高程基准，所以在采用该方法时，要顾及到这一点。

②潮信资料法

以当地平均海面为高程起算面的海图上记载的验潮站大潮升数值减去平均海面数值，即得到当地平均海面起算的平均大潮高潮面的高度，然后再将采用1985国家高程基准的现行海图上记载的同一验潮站的大潮升数值减去平均海面数值，即得到1985国家高程基准起算的平均大潮高潮面的高度。以上两个平均大潮高潮面的高度之差即为$h。利用潮信资料法求取当地平均海面与1985国家高程基准的差值时，还要注意分析海图的历史及出版年月，认真核对海图所采用的高程基准；当海图上记载有几个或多个验潮站的潮信资料时，要分别计算，将计算结果进行比较校核，取其可靠的平均值。

5 海洋测绘基准目前还存在的问题和解决对策

就二维定位框架而言，由于目前海洋测量仍采用传统的大地测量坐标系，它不利于与相邻国家、甚至不同部门测量成果的统一与拼接。[4]为此，应将GPS网尽量向海域扩展，并在某历元的ITRF框架下进行统一平差计算，并获得原有坐标系和地心坐标系的准确转换关系，并逐步过渡到采用地心坐标系维持海洋测绘的定位基础框架。

陆地高程基准与海洋深度基准是不一致的，这种差异的存在，使得陆地高程和海洋深度之间的转换就显得比较复杂，而且不同图幅之间的水深也存在基准面不统一问题。[5]由于高程基准与深度基准转换的困难，使得陆海交界处的高程表示无法进行无缝拼接，给航空海岸地形摄影测量、滩涂地区的开发利用、三军协同作战用图等带来了很大的困难。对此，我们认为，海洋垂直基准应分级设定，作为基础海洋地理信息获取方式的海底地形测量，选取平均海面基准作为水位控制的基础应该是保证数据质量和可重复性的主要解决思路。而海底地形与陆地地形的统一则需要通过将国家高程基准等位面向海域延伸来解决，即需加强与陆地高程基准统一的海面地形模型的研究。由于深度基准面的特殊性，沿岸各地的深度基准面的垂直位置并不相同。欲解决三军协同作战用图问题以及滩涂测图问题，必须加强沿岸各验潮站数据的收集和统一处理，建立深度基准面与1985国家高程基准面的转换参数模型，目前解决这一问题的理论和技术条件已基本成熟。

很多岛屿高程采用的是独立的高程基准，其高程基准是由当地多年的平均海面决定的。这表明，不同岛屿的高程可能起算于不同基准面。当然，按上述等位面扩展的方法，该问题也将基本得到解决。海洋重力测量基点的分布在我国海域基本上处于空白，仅在少数码头设有重力测量基点，难以满足海洋重力测量基点比对和控制重力仪掉格的需要。因此，以绝对重力测量方式或高精度相对重力测量方式在沿岸有关港口建立海洋重力测量基准框架也势在必行。

参考文献：

[1]刘永义,党亚民,薛树强. 基于海面环境多路径效应建模初探[J]. 测绘科学.

[2]李海森,陆丹,魏玉阔,么彬. 多波束海底地形等深线快速生成新算法[J]. 哈尔滨工程大学学报. 2012(05)

[3]马彪,王向磊. 地磁异常匹配辅助导航的研究[J]. 测绘科学.

[4]陈艳华,周兴华,孙翠羽,李杰. 我国海域无缝垂直基准面的选择[J]. 海岸工程. 2010(02)

[5]暴景阳,张明亮,唐岩,许军,齐珺,孙新轩. 理论最低潮面定义和算法的应用问题分析[J]. 海洋测绘. 2009(04)