垂直基准在海洋测绘中的建立和转换

时间：2024-05-17

许文彬

（1.福建省水产研究所，福建厦门 361013；2.福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建厦门 361013）

垂直基准在海洋测绘中的建立和转换

许文彬1，2

（1.福建省水产研究所，福建厦门 361013；2.福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建厦门 361013）

海洋测绘是一项非常复杂的工作，其因为选取的基准面的不同结果也会不同。所以想要建立垂直基准，就必须先实现水深图和海岸地带地形图想拼接。本文主要分析了海洋测绘当中的多个垂直基准面之间的关系和海洋测绘垂直基准应当如何建立和转换，并且提出一定的建议，希望可以帮助相关一线工作者。

海洋测绘；垂至基准；高程基准

沿海水深的测量、近海水深的测量和海岸地形的测量在垂直方向上均设计到了基准面的问题，目前海洋测绘工作汇中所使用的基准面有2000国家大地坐标系、参考椭球面、1985国家高程基准、大地水准面、深度基准面和平均海面等。当前的海岸地带的地形测量和水深测量都采用的是不同的垂直基准面，所以所测得的数据也因为基准面的不同而不同。这就需要将测量成果的数据通过一定的转换方式达到统一基准上时，才能够将所有的测量数据成果无缝的拼接和合成，进而形成一幅完整的海洋测绘图。

1.海洋测绘中多个垂直基准之间的关系

目前我国的海洋测绘垂直基准是以CGCS2000坐标系作为垂直基准进行深度测量。海洋勘测、海洋开发都必须先建立统一的海洋测绘基准。我国的海洋测绘基准主要问题是因为陆地和海洋不是使用同一基准面所造成的。海洋测量定位手段主要为GPS定位。海洋测量工作及其成果和多个垂直基准面之间的关系如图1所示。

图1当中的H0表示G P S天线与CGCS2000参考椭球的垂直高度距离，也可以成为GPS大地高；H1表示平均海平面至CGCS2000参考椭球的垂直高度距离，也被称为海面大地高；H2表示换能器和海底的垂直距离，主要是用于测量瞬时水深；H3表示GPS天线至换能器表面的垂直高度距离；H4表示CGCS2000参考椭球与海底的垂直高度距离，也被称为海底声纳信号反射面的大地高；ξ表示为大地水准面和平均海面的垂直高度距离，也被称为海面地形；N表示大地水准面和WGS84参考椭球的垂直距离，也可以成为大地水准面差距；L表示为从平均海面作为基准面算出的理论深度基准面数值；h表示深度基准面与海底声纳信号反射面的垂直高度距离，也被称为海图水深。

由上表能够直接得出：

利用H0计算h的主要问题在于需要获取准确的平均海面大地高H1、如果已经了解大地水准面的距离N，则还需要建立大地水准面起算的海底地形高程，即N-H4。当前利用卫星进行测量，然后进行计算所得出的平均海面大地高度的精度在10cm以内。利用该图标内的数据能够利用GPS大地高H0精密的转换海图成果水深h。

2.海洋测绘垂直基准的建立和转换

目前我国普遍都是采用CGCS2000坐标系结合高斯投影的手段对海岸地形和水深进行测量，所以，海岸地形图和海图数字成果能够在以平面的形式展现在统一图表之内，但是垂直方面却具备比较大的差异。因为采用的是2000国家大地坐标，但是海图是使用的当地的标准深度作为基准，所以要想将地形图和海图进行凭借，就务必要求将海洋测绘的垂直基准转换技术熟悉掌握，建立当地深度基准和高程基准的转换模型。

CGCS2000坐标系的定义和实现，参考椭球的定义常数和导出常数以及相关的正常重力公式，坐标系的几点说明如下。图2为CGCS2000坐标系的示意图

原点在包括大气、海洋的整个地球的质量中心；长度单位为米，该尺度同地心局部框架的TCG时间坐标一致；定向在1984.0时和BIH的定向相同；定向会随着时间的演变由整个地球的水平结构运动无净旋转条件保证。由图2所示，原点：地球的质量中心；Z轴：指向IERS参考极方向；X轴：IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线；Y轴：完成右手地心地固直角坐标系。CGCS2000的参考椭球为一等位旋转椭球。等位椭球（或水准椭球）定义为其椭球面是一等位面的椭球。CGCS2000的参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，旋转轴与坐标系的z轴一致。参考椭球既是几何应用的参考面，又是地球表面上及空间正常重力场的参考面。

2.1水准联测法

利用几何水准测量方式，根据国家3、4等水准测量规定，直接联测2000国家大地坐标系的水准点至验潮站水准点的高差x，可以利用以下公式计算出验潮站的平均海面高程△h：

在该公式中，△H可以利用常规的测量方法得到。

2.2固定点比较法

这种测量法主要是通过当地平均海面作为高程基准面的海图或路地图和2000国家大地坐标系为坐标高程准面的同一个海区的现行海图上，发现共同的陆地上固定点，进而了解固定点在使用不同的高程基准面时的高程差。可以在两幅图上，选取多个固定点分别进行计算，将计算出的结果之间进行对比和校验，然后选取最可靠的平均值△h，以此便可以极大程度的提高平均海面高程△h的准确度和可靠度。

2.3潮信资料法

将当地的平均海面作为高程基准，再将海图上所记载的验潮站大潮升数减去平均的海面数值，以此便可以得到当地的平均海面起算的平均大潮高潮面的高度，再利用2000国家大地坐标系的现行海图上所记载的同一验潮站的大潮升数值减去平均海面数值，便可以得到2000国家大地坐标系的高程基准起算的平均大潮高潮面的高度。利用以上的两个大潮平均高潮面的高度所得差便是△h。在计算△h时还需要了解海图的历史和出版年份，务必认真核对海图中所采用的高程基准是否准确；如果海图上记载了多个验潮站的潮信资料，则需要分别将所有验潮站的资料进行计算，将计算所得结果进行校验，核算，选取最可靠的平均值。

根据梁震英的“大地水准面的严密定义和我国高程基准的选择”研究证明，目前我国的平均海面高度是从北向南逐渐提升的，主要呈现3个阶梯型的变化，两个转折点分别为江苏的吕泗，福建省的山东，在每一个阶梯面上，各个海区多年来的平均海面存在微小的起伏，其中最主要的黄渤海海区的平均海面几乎与2000国家大地坐标系保持一致，最大的变化幅度在1cm±2，东海海区的变化幅度为2.3cm±3cm。