无验潮模式下的宁波杭州湾水下地形测量

王智明，孙月文

(1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042； 2.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008)

1 引 言

近年来，国内外相关学者在无验潮海洋测绘领域进行了大量的理论研究和工程实践，无验潮水深测量在海洋工程中得以充分发挥效能[1～4]。海洋深度基准的构建是无验潮水深测绘的关键[5，6]。本文在已有研究资料的基础上，尝试在较大范围内实施无验潮海洋测绘工作。

近海海洋基础测绘不仅要满足城市规划的用图需求，还要满足渔船、交通运输船等船舶的航行用图需求，尽量做到一测多用。基础测绘项目一般都出“两套图”，一套基于深度基准面的水深图、一套基于似大地水准面的水下地形图。两套图的生产就会涉及垂直基准的转换和垂直基准模型的构建问题。将高精度GNSS测高引入到海洋测绘不仅提高了测量的精度；而且由于不用验潮、不用动态吃水改正，为海洋测绘节省了大量的作业成本[7～9]。

传统的验潮模式水下地形测量以瞬时水面作为测深的基准面，通过离散验潮内插测点的瞬时水面高，最终求得测点基于1985国家高程基准的水下地形点高程值和基于理论深度基准面的水深值。杭州湾海域潮差大、潮流急，含沙量高。常规验潮模式在潮水骤涨或陡降时测点水位内插存在较大误差，湍急的潮流和高含沙量的海水为自记式水位计的安置带来了诸多不便和误差，因此常规验潮模式测量方法误差较大。在杭州湾海域进行无验潮水深测量将大大提高作业效率和测量精度。

2 技术支撑

无验潮模式下“两套图”海洋测绘需要大量的基础测绘资料作为支撑。浙江省的海洋测绘基准框架建设一直走在全国前列，浙江省测绘与地理信息局基于浙江CORS现代化测绘基础设施在2014年完成浙江省海洋似大地水准面精化，精化模型内符合精度 3.3 cm，外符合精度 4.3 cm。这为海洋测绘水下地形点的大地高与正常高转换提供了极大的便利，测点的大地高可以直接通过在线转换平台转换成正常高。

2011年～2014年期间宁波市规划局(宁波市测绘与地理信息局)对宁波海域进行了有序的海洋测绘工作，积累了大量的水下地形资料和验潮站资料，为后期的海洋测绘提供了可靠的多年平均海平面数据、离散潮位站的L值数据。根据历年潮位资料建立深度基准面的正常高模型，可以实现水下地形测量点正常高和以理论最低潮位面为基准的测量点水深值之间的转换。

3 深度基准面的正常高模型建立

(1)潮位站深度基准面正常高计算

根据区域内各潮位站多年平均海平面的正常高h多和各潮位站的L值，计算各离散潮位站深度基准面的正常高L85。

L85=h多-L

(2)曲面拟合模型选择

根据离散点内插范围内任意点的深度基准面正常高通常采用曲面函数拟合的方法，深度基准面的曲面拟合可以采用双线性拟合、二次曲面拟合等方法。

双线性拟合是测绘中常用的方法，其公式为：

L85=f(X，Y)=aX+bY+cXY+d

式中X为北坐标，Y为东坐标，a，b，c，d，e，f为待求参数。

样条内插在本项目中仍然是以相邻4个验潮站连线作为分段区间，并且二元函数在确定分段区间的判断函数代码较为复杂。本文采用二次曲面拟合方法建立深度基准面的正常高模型，二次曲面拟合函数当a，b都为0时即是双线性拟合函数，所以二次曲面拟合包含双线性拟合。

(3)运用二次曲面拟合方法建立测区内深度基准面的正常高模型

①模型建立原则

区域内已有验潮站分布如图1所示，运用最小二乘原理一次性代入12个已知潮位站的数据时可能会造成残差较大的情况，也容易造成误差的累积。而且近海某一点的潮位可能会存在与相邻潮位相关性不强的实际情况，所以剔除某一潮位站降低残差的参数求解方法存在一定的风险。为提高数据处理精度，本文采用相邻四个潮位站求解一组参数的数据处理方法进行解算。

②参数求取

建立深度基准面正常高关于坐标X、Y的拟合函数，然后代入已知值求取参数。

L85=f(X，Y)=aX2+bY2+cXY+dX+eY+f

式中X为北坐标，Y为东坐标，a，b，c，d，e，f为待求参数。

图1 区域内已有验潮站分布图

4 验潮法比对测试

为保障水下地形测量的准确性和区域范围稳定性，在全面测量开始前进行了常规验潮模式和无验潮测量的比对测试。测试的目的是检验历史潮位计算精度和浙江省海洋似大地水准面精化的符合情况、仪器系统误差以及方法的可行性，实验区的范围选取以能够保证单站潮位改正满足精度要求为原则。分别在海皇山附近和四灶浦闸附近 1 km范围内进行常规验潮方法水深测量，分别用单站潮位改正方法和无验潮测量方法进行了比对测试。测试过程如下：

①在岸边有专人每隔10 min进行水面高程测量；

②在测量船上架设测深仪和可连接NBCORS的双频GNSS接收机，准确测量测深仪探头吃水深度和水面到GNSS天线相位中心的高度，测定时间延迟参数，输入数据采集软件；

③根据预设航线进行数据采集；

④根据潮位数据，水深经过傅立叶低通滤波处理消除波浪影响，利用单站改正方法处理得到水下地形点的正常高；

⑤利用GNSS测高数据直接得到水下地形点的大地高，利用整合了浙江省海洋似大地水准面精化的“浙江省卫星定位基准服务平台”将大地高转换成正常高。

⑥两种方法进行比较，计算中误差比对结果如表1所示：

无验潮与验潮模式同名点正常高差异表 表1

经检验，无验潮方法与常规验潮方法差异在 5 cm以内，数据质量可靠。

5 无验潮水下地形测量数据处理

(1)水下地形测量点大地高计算

无验潮水深测量的水下地形点大地高计算方法有两种，第一种是根据瞬时仪器测得的水深h、天线高H天线和瞬时GNSS相位中心大地高H瞬时，根据几何关系直接计算得到瞬时测点的大地高H点。

H点=H瞬时-H天线-h

第二种方法是分别提取GNSS测高数据和测深仪测深数据进行低通滤波平滑，运用平滑后的瞬时GNSS相位中心大地高和瞬时水深利用以上公式计算测点大地高。实践证明，采用平滑方法计算的水下地形点大地高主测线与检查线的不符值相对较小，但“冲沟”等微地形有丢失。况且，运用平滑法进行数据处理抹杀了无验潮模式的精度优势。

(2)水下地形测量点正常高计算

图2 正常高参考面与椭球高参考面差异图

如图2所示，本文采用似大地水准面精化计算测量点正常高h点：

h点=H点-ζ

式中ζ为高程异常，H点为测点大地高。

本过程通过浙江省海洋似大地水准面精化实现。

(3)水下地形测量点水深值计算

图3 正常高参考面与深度基准面差异图

如图3所示，测点正常高h点与测点基于深度基准面的水深值D相差一个深度基准面正常高L85，也可以叫作深度基准与正常高基准的换算值L85。

D=h点+L85

深度基准面一般都在似大地水准面的下方，所以式中L85为负值。

本过程通过深度基准面的正常高二次曲面拟合编程实现。

(4)检查线精度统计

本项目检查线数学精度统计表 表2

主测线与检查线垂直，而且测量时间不同。用检查线与主测线相交位置的高程不符值作为测量精度的指标。类似于陆地测量的同名点精度检查。表2相当于同名点检查的数学精度。

6 结 语

在海域内似大地水准面精化数据和测区深度基准面已知的情况下，可以采用无验潮水下地形测绘方法进行“两套图”海洋基础测绘。定位可以根据区域大小和离岸距离采用单基站RTK、网络RTK或PPK模式。本文在杭州湾强潮海域进行海洋测量，高平潮时在小范围内与验潮模式进行比对外符合精度中误差小于 5 cm，全测区主测线和检查线内符合精度中误差能达到 6.3 cm，经过外符合精度和内符合精度的评估验证，精度可靠、模式可行。