论文专区▏多波束无验潮水深测量中垂直基准模型构建 / 开普饭

【编者按】：为了解决多波束无验潮水深测量CARIS数据处理中垂直基准模型的构建问题。本文研究基于EGM2008模型，通过插值算法，建立测区范围内深度基准面的大地高模型。通过实例讨论了构建深度基准面的大地高模型的步骤和方法。结果表明：该模型构建方法正确，模型内符合精度为3cm左右，外符合精度为10cm左右，能够满足区域范围内多波束无验潮水深测量的需要。本文发表在《海洋测绘》2016年第1期上，现编发给朋友们阅读了解。王双喜，1980出生，男，湖南衡阳人，工程师，博士，主要从事海洋测量数据处理研究。

文/王双喜缪世伟许家琨张乾隆

一、引言

海洋测绘传统的目的是用于制作航海图以保证航行安全。随着GPS大地高测量精度越来越高，以椭球作为基准参考面的海洋测绘已经成为一个重要的课题。参考椭球面可以作为陆海测量数据获取的共同基准参考面，从而可以解决陆海基准不一致的问题，陆海各种测量要素可以直接测至参考椭球面。从数据采集源头上实现垂直基准的统一[1-4]。当前，传统的水位观测模式中，验潮站的布设及水位观测需要大量的人力和物力保障。由于自动验潮仪在投放后的仪器安全和数据安全都得不到充分保证，验潮手段仍然以人工观测为主，大大增加了作业的成本。此外，使用传统水位观测得到的水深成果的主要误差来源是受到潮汐、动态吃水、涌浪等误差因素的影响[1-4]。

近年来，相关学者在单波束无验潮水深测量展开了很多研究[5,6]，但在较大范围内进行多波束无验潮水深测量方面，需要解决一系列技术问题，包括垂直基准模型构建，远距离GPS PPK技术，CARIS GPS潮位处理技术等。其中最为关键的是构建垂直基准模型，也就是建立深度基准面的大地高模型。本文提出基于EGM2008大地水准面模型构建深度基准面的大地高模型，利用几个平均海面、大地水准面、深度基准面和参考椭球面等几个垂直参考面的相互关系，通过插值算法，最终获取测区范围内的深度基准面的大地高模型。

二、深度基准面的大地高模型构建

⒈ 深度基准面大地高模型的构建方法

水深数据是以深度基准面作为垂直参考基准，而以参考椭球面作为测量基准获取的数据最终要转换成深度基准面下的水深。因此无验潮水深测量技术的关键是建立深度基准面与参考椭球面的分离模型，这里我们统称为深度基准面的大地高模型。最为直接的方法是在验潮站直接测出大地高，这样就能直接建立验潮站深度基准面的大地高模型。在相对较小的测量区域，只要深度基准面到椭球的大地高保持不变，单个大地高就能满足需要。在港湾区域，如果有几个验潮站进行水位控制，就能用插值的方法建立深度基准面的大地高模型。而在近海等更大范围测量区域，深度基准面的大地高模型构建也更为复杂，需要用到卫星测高的平均海面模型，海洋潮汐模型等[7-12]。在沿海区域，多个验潮站共同进行水位控制的应用更为广泛，因此本文主要讨论沿海区域多个验潮站大地高模型的构建问题。

⒉ 深度基准面的大地高模型插值方法

深度基准面是以平均海面作为参考基准，平均海面和深度基准面可以在比较大的区域认为一致；而大地水准面到参考椭球面只在小范围内保持一致；平均海面到大地水准面称为海面地形，海面地形也可以认为在较大范围保持一致。当沿岸区域有几个验潮站时，验潮站可以直接获取GPS大地高，在建立大地高模型时需要用到插值，一般选择两种插值方法，直接插值法和基于大地水准面模型插值方法。当测量区域大地水准面变化较小时，深度基准面的大地高可以用距离加权进行插值。而在大地水准面模型扭曲变形较大的区域则需要用到基于大地水准面模型插值方法。

⒊ 基于大地水准面的大地高模型构建

在沿海区域，深度基准面的大地高模型构建中需要用到参考椭球面、深度基准面、平均海面和EGM2008参考椭球面等参考面，几个参考面关系见图1。

大地水准面差距以参考椭球面为参考基准，EGM2008模型可以提供1′×1′格网。平均海面与大地水准面在形状上相似，在海洋区域（水深大于200m）可以认为是平均海面，两者的空间变化称为海面地形，可以在较大范围内保持一致。当地长期平均海面通过长期验潮站潮位传递，也可通过水准测量以及邻近验潮站似大地水准面与平均海面的关系获取。深度基准面的高度从平均海面起算，通常以符号L表示，在局部区域，潮汐性质基本一致，因此L值变化较小。

这样就可以以大地水准面模型为基础，通过验潮站高精度大地高测量建立深度基准面的大地高模型。模型构建的具体步骤为：

①建立深度基准面规则格网，通过各验潮站的深度基准面L值在网格点进行插值；

②测区范围内建立一个大地水准面N格网文件；

③建立海面地形的插值模型，验潮站通过GPS静态测量获取平均海面的大地高，并与大地水准面进行比较，得到差值TSS=N-MSL后，格网点进行插值；

　　④最后建立深度基准面的大地高模型，得到每个格网的大地高：Hcd=N-TSS-L。

三、垂直基准模型构建实例

⒈ 测量区域控制测量

测量区域位于福建湄洲湾海域。为了对整个测区进行潮汐控制，在测区范围内共设立6个验潮站。为了获取验潮站大地高，验潮站主要点采用6台天宝SPS882双频GPS接收机同步观测4小时，并加入附近4个CORS基准站进行GNSS解算，以获取验潮站高精度的大地高。为了获取验潮站各垂直基准关系，验潮站同步潮汐观测获取潮位数据，并与当地长期验潮站进行同步归算获取当地平均海面和理论深度基准面。6个验潮站都与高等级水准点进行了水准联测，用于检核平均海面推算的准确性。

⒉ 垂直基准模型构建过程

深度基准面的大地高模型采用基于EGM2008模型插值方法进行构建。首先要确定垂直基准模型的范围和格网大小。具体方法是用Google Earth建立垂直基准模型的范围线，保留单线形式的坐标导入笔者开发的垂直基准模型构建程序中的测量范围及网格计算模块。垂直基准模型格网一般根据测区大地水准面模型的复杂程度设定，一般为500m到2000m，为了方便模型显示，这里将网格大小设为500m。

陆地上6个短期验潮站与临近长期验潮站进行同步观测后，推算出各验潮站的平均海面和深度基准面关系。再通过插值算法推算出每个网格节点的深度基准面L值（基于平均海面），建立深度基准面的格网模型，见图2(a)（小数格式经纬度坐标）。然后在每个模型格网节点用EGM2008模型进行插值，计算每个节点的大地水准面差距N值，建立测区范围内EGM2008格网模型，见图2(b)。通过GPS静态测量获取验潮站主要点大地高，通过水准联测和潮汐基准关系计算出验潮站工作点平均海面的大地高，并与大地水准面进行比较，得到差值TSS=N-MSL后，用二次曲面插值方法进行插值，得到海面地形格网模型见图2(c)。最后得到深度基准面的大地高模型，见图2(d)。图2中单位为m。

垂直基准模型最后输出ASCII码的文件，用于解译导入CARIS HIPS中，以便能够进行GPS 潮位计算处理。输出格式为大地坐标,CARIS8.0以上版本进行数据处理基本过程如下：

①ASCII码格式的深度基准面模型文件后缀名改为XYZ；

②打开caris软安装目录下的*.info文件来解释ASCII数据。用于计算GPS潮位的XYZ和BIN文件可以在CARIS中用打开背景数据菜单打开。当HIPS打开XYZ文件后，选择的*.info和坐标系统用同样的文件名保存，但用一个“_rxl”作为后缀。具体的编辑方法可以参考相关手册；

③GPS PPK观测的数据通过GrafNav软件解算，得到的三维坐标用HIPS Generic Data Parser模块进行原始数据替换输入。

④潮位处理时选择导入GPS TIDE，合并时选择勾选GPS TIDE。

其它步骤与常规数据处理方法一致。

⒊ 模型精度检核

从图2可以看出，深度基准面的大地高模型在测区范围内最大相差1m，而且模型并非呈简单的线性关系分布，从整体趋势可以看出，深度基准面的大地高模型主要与大地水准面模型相关。为了验证模型的内符合精度，选用5个验潮站构建模型，鹅尾山验潮站不加入模型构建，只用于模型验证。5个验潮站进行构建模型得到鹅尾山验潮站深度基准面的大地高模型值为8.92m，验潮站已知的深度基准面的大地高为8.95m，两者仅相差3cm。用这种方法进行内符合精度验证在一定程度上会损失曲面拟合的精度，但影响程度相对较小。

　　为了验证模型的外符合精度，当测船靠近验潮站时可以用单站方法对比GPS潮位和传统潮位。CARIS中加入垂直基准模型后，计算并提取GPS潮位，不进行平滑或过滤直接与验潮站实测潮位进行对比，对比情况如图3所示。

从图3可以看出，潮位对比结果整体一致，经统计，90%以上的差值在10cm以内，最大相差19cm。CARIS提取出的GPS潮位会受到波浪、动态吃水等因素的影响，会损失一定的精度，这也从另一个层面验证了无验潮水深测量相比传统水位观测提高了测量的精度。

　　为了验证多波束无验潮水深测量的效果，将传统水位改正和无验潮方法两种CARIS数据处理方法进行对比，选取相邻水深测线相同位置的一个子区进行对比，对比结果如图4所示。

从图4的对比情况来看，无验潮方法能够使多波束条带排成直线，这样就能高效地进行子区编辑，也能够快速高效地进行自动处理和滤波，提高数据处理的效率，同时也提高了水深测量的精度。

四、结束语

通过对湄洲湾垂直基准模型构建实例进行分析，可以得到以下结论：

①与传统水位测量相比能够提高测量的效率与精度。实际应用时，只要原始数据基于参考椭球储存，就能够应用新的垂直基准模型。比如在一个没有垂直基准模型的区域，可以先用一个简单的模型进行初始数据处理，当有更精确的垂直基准模型开发后，便可以进行替换。

②本文在湄洲湾建立了垂直基准模型，内符合精度为3cm，与传统水位观测对比的外符合精度为10cm 左右。实例中垂直基准模型精度较高，能够满足沿海区域水深测量的需要。

　　③CARIS数据后处理中，无验潮方法能够使多波束条带排成直线，这样就能高效地进行子区编辑，提高水深测量数据处理的效率和精度。

参考文献:

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