垂直基准▏精密潮汐模型在海洋测绘中的应用 - 海洋测绘法

曙光行动 · 发表于海洋技术专业 2024-9-10 15:09:25

一、引言

潮汐模型是指网格化的调和常数数据集，每个网格点包含了主要分潮的振幅与迟角。模型的构建目前主要采用同化方法，具体实现上可进一步分为两类：一是基于同化技术的数值模拟，即以流体动力学方程为基础，同化验潮站与/或卫星测高（以T/P系列卫星为主）数据或结果的数值模拟；二是以纯动力学模型（通常为FES系列模型）为参考模型，通过经验法（如Representer法）由验潮站与/或卫星测高分析结果对模型进行订正。前一种方法对于潮汐变化复杂的近海区域更为有效，而后一种方法对于构建全球潮汐模型则更为高效。在沿岸验潮站分布密集的港湾等海区也可采用经验法，即由验潮站处的调和常数进行空间插值，其精度与可靠性在很大程度上取决于验潮站数目及其空间分布、潮汐复杂程度以及空间插值方法。

中国近海是世界上潮汐变化最复杂的典型海域之一，故基于同化技术的数值模拟方法是构建中国近海海域精密潮汐模型的首选方法。得益于海洋模式的发展、卫星测高数据的累积、水深与岸线数据质量的提高，潮汐模型的分辨率与精度都明显改善，在海洋测绘中的应用逐渐由理论研究、试验论证至工程应用。本文将简要介绍精密潮汐模型在我国海洋测绘中的工程应用情况，并提出应用设想。

二、水位改正中的应用

由潮汐模型可制作测区及附近的潮波图或潮汐类型数等值线图，以表征区域潮波运动规律（潮汐变化规律与复杂程度）。这对水深测量或海底地形测量的水位控制方案设计具有重要的参考意义，对潮汐模型的分辨率与精度要求并不高，因为只是辅助验潮站选址，以满足验潮站布设密度能控制全测区的潮汐变化。

国内外的学者长期致力于潮汐模型的改进，以期无需验潮站而只由潮汐模型实施水位改正。但潮汐模型只能预报天文潮位，不能解决因气象变化等因素所引起的水位起伏，即余水位，也称为异常水位。余水位在时域上呈现复杂的非周期性变化，但由于相同或相近的诱因及海洋水体运动惯性而在空间上呈现较强的相关性。中国近海余水位的均方根统计约20cm，一般情况下，余水位的有效控制范围通常能达到数十公里，且无潮汐类型相似的要求。据此，学者发展了以潮汐模型预报天文潮位、验潮站监控余水位的水位控制模式，称为天文潮加余水位订正法、基于余水位的水位改正法、基于区域潮汐场模型的水位控制法、基于潮汐模型与余水位监控的水位改正法。相对于传统的分带、时差法或最小二乘拟合法等，该方法的优点主要体现为：在各种潮汐类型下，可在海上不设或尽可能少设验潮站，只需在岸边设立少数站，即可推算满足一定精度要求的海上任意点瞬时水位。

该方法的精度主要取决于两个方面：一是区域潮汐模型的覆盖程度、分辨率与精度；二是余水位的空间相关性。这两个方面在不同区域可能存在较大的差异，因此，在方案设计时必须由测区周边验潮站历史数据进行检测，评估在测区可能达到的水位改正精度。目前，该方法在工程实践中的应用还不广泛，且大多基于方法论证的目的。下面只给出笔者参与的两个工程实践：

⑴2013年天津海事测绘中心实施了成山角船舶定线制以东海域船舶定线制水域多波束测量，采用该方法由岸边单站实现了1660 km2扫测区域的水位控制（刘雷等，2015）。测区范围及潮汐类型数等值线分布如图1所示，图中粉色虚线为测区，位于成山角东侧近海区域，临近半日分潮波的无潮点。

图1 成山角东侧水域测区范围

及潮汐类型数等数值线分布图

⑵2014年广州海事测绘中心实施了粤东水域船舶定线制扫测项目，采用该方法由3站实现了水位控制（刘庆东等，2015）。测区范围及潮汐类型数等值线分布如图2所示。

图2粤东水域测区范围及潮汐类型数等值线分布图

上述两个测量项目都具有测区涉及海域范围大、潮汐类型变化明显、传统水位改正方法需布设多站、海上布站困难等特点。经过严密论证，采用基于潮汐模型与余水位监控法实施水位改正，结果表明精度满足国家规范与行业规定的要求，充分发挥了该方法的效率高而成本与风险低的优势。

三、在岸线推算中的应用

在我国，海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘。常规的、传统的方法是野外人工实地探测，测量手段由光学仪器发展至全站仪、DGPS、RTK等，在现场的依据是各种可见可辨别的特征，即痕迹岸线。随着遥感技术的发展，航天航空遥感成为大范围、快速获取海岸线位置与类型等信息的重要手段。早期受限于资料的分辨率，海岸线基本都直接取瞬时水边线，然后发展至干湿线、植物分界线等，或由潮位资料对水边线进行校正。而随着高分辨率的航空数字摄影测量（特别是基于无人机平台）与机载或船载LiDAR的发展与应用，易产出高分辨率、高精度的数字地面模型（DTM，Digital Terrain Model）、数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）等产品，此时可依据平均大潮高潮面的高程，基于等高线跟踪方法生成海岸线。

在国家927工程中，发展了海岛岸线综合确定技术：利用精密潮汐模型（结合验潮站水位数据）、平均海面高模型、大地水准面模型和海面地形模型，由遥感影像时间与坐标等信息，实现瞬时水涯线与平均大潮高潮面高程的推算，并制定了数据交换、问题处理、精度考核等规则。据此完成了1万多影像或5000多个海岛岸线和部分大陆1:2千～1:5千海岸线测量。

四、深度基准面模型构建中的应用

深度基准面模型是海域水深成果间无缝拼接、陆海基准转换与统一、GNSS技术支持下的水位改正（无验潮模式）等应用的基础。深度基准面L值的分布与潮汐空间变化相关，潮汐模型实现了对区域潮汐规律的表示，若每个网格点包含了13个主要分潮，则将每个网格点按定义算法，可计算生成网格形式的L值模型。再利用验潮站L值，采用空间拟合插值技术，对L值模型进行订正，最终构建空间分布连续的深度基准面模型。

利用该技术方案，山东省国土测绘院组织构建的山东省海域1.2´×1.2´分辨率的深度基准面模型（包括L值模型与85高模型），为山东省海洋测绘项目的水深成果无缝拼接以及陆海成果转换与统一提供了基础保障。图3为L值模型的等值线图，图中●为短期验潮站，▲为长期验潮站。

图3 山东省海域L值模型的等值线图

五、结束语

上述的实践应用表明中国近海区域潮汐模型的分辨率与精度在一定程度上已能满足海洋测绘部分应用的需求，但笔者认为仍需加强以下几个方面的工作：

①精密潮汐模型的分辨率、覆盖程度与精度是应用的基础，需进一步改进，可采取沿岸重点海域逐步精化的策略，难点在于验潮站水位数据资源与水深数据资源的收集与整合。

②进一步推广基于潮汐模型与余水位监控的水位改正法，重点是在沿岸各海域的适用性论证工作，即评估天文潮位预报精度与余水位的空间相关性。

③将深度基准面模型逐步扩展覆盖中国沿岸全海域，将涉及验潮站深度基准面最低潮意义一致性检测、验潮站对模型实施订正的算法设计等工作。终极目标是构建如美国VDatum的基准面查询与转换的工具，统一垂直基准关系，从前端实现无缝拼接。

④编制水位改正辅助设计、潮位与岸线推算的工程化软件。

⑤综合精密潮汐模型、验潮站实时水位、深度基准面模型与水深成果数据，实现区域瞬时水深场的再现与推估，可为沿岸重要航道航海安全保障、乘潮进出港等提供服务。

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【作者简介】许军，1981年出生，男，讲师，博士，大连舰艇学院海洋测绘系，主要从事精密潮汐模型、水位改正、海域垂直基准等方面的理论与技术方法研究。本文为原创发表，在此，我们特别感谢许军博士对我平台的信任与支持！其他平台如需转发务请备注作者与出处。

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