海岸帶空間地理數據垂直基準的統一

黃文騫，王雙喜，蘇奮振，楊曉梅

（1.海軍大連艦艇學院 海洋測繪系，遼寧　大連　116018；2.中國人民解放軍92899部隊，浙江　寧波　315200；3.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京　100101）

海岸帶空間地理數據垂直基準的統一

黃文騫1，王雙喜2，蘇奮振3，楊曉梅3

（1.海軍大連艦艇學院 海洋測繪系，遼寧大連116018；2.中國人民解放軍92899部隊，浙江寧波315200；3.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京100101）

海岸帶不同的垂直基準嚴重地妨礙空間地理數據的集成，垂直基準的統一已是迫切需要解決的任務。分析了我國垂直基準的現狀，研究了大地水準面作為統一的垂直基準面的不足與局限性，闡述了選擇參考橢球面作為統一的垂直基準面的理由和優點，以及建議在陸地采用大地水準面作為次級的垂直基準表示高程，在海洋采用理論深度基準面作為次級垂直基準表示水深，并采用WGS84參考橢球面進行垂直基準的統一。同時，還給出了陸地高程基準的轉換關系和方法，以及海域深度基準的轉換關系和歸算方法。研究成果將使已有的大量海陸測繪資料得到更好的應用，從而為我國的社會經濟、國防和海岸帶的可持續發展提供更加強有力的測繪保障。

海岸帶；垂直基準；國家高程基準；理論深度基準面

垂直基準是國家大地測量基準的重要組成部分，也是空間地理基礎框架的重要內容。在海岸帶區域，垂直基準方面存在的問題尤為突出。海岸帶是海陸交互作用的過渡地帶，在我國海岸帶各種測繪信息中，地形圖的高程基準采用1985國家高程基準或1956年黃海高程基準，海圖則是以理論深度基準面作為起算面。陸地的高程基準和海域的深度基準不一致，二者的高程基準之間存在明顯的差異。此外，深度基準面在各地沿海也不盡相同。在應用不同時期、不同地點的陸海圖資料時，存在地形圖之間、海圖之間以及陸海圖之間的垂直基準不一致的問題。在對海岸帶陸海測量數據進行綜合處理時，垂直基準的一致已成為一項迫切需要解決的任務。此外，隨著科技的發展，有關學科需要提供更高精度的高程基準。為此，本文對垂直基準的統一以及相互轉換關系進行了研究。

1　統一垂直基準的選擇

1.1垂直基準的現狀

世界各個國家和地區高程基準所普遍采用的方法是在沿海的一個（或多個）地點建立驗潮站，利用長期的驗潮觀測資料計算出該地區的平均海平面，將這一平均海平面作為高程的起算面，從而形成局部高程基準，并認為在高程基準點處的平均海面與大地水準面重合。在我國，歷史上的高程基準比較混亂，各地分別采用各個單獨的驗潮站平均海面作為各自的高程基準。1954年建立了黃海平均海水面系統，是由青島和坎門兩站平均海面綜合建立。1956年以后統一采用黃海高程系統，該高程系統是由1950-1956年青島大港驗潮站逐時平均海面獲得。1987年后啟用新的高程系統——1985國家高程基準，它以青島驗潮站1952-1979年的潮位資料，取19 a的資料為一組，滑動步長為1 a，得到10組以19 a為一個周期的平均海面，然后取平均值作為最終結果。由國家測繪總局于1987年在全國統一使用，并代替原來的1956年黃海高程基準。我國的高程基準其實就是將局部地區的平均海面作為高程零點。通過對全球海域平均海面的研究表明，平均海面與大地水準面存在著較大偏差，在某些地區，這種偏差將近2 m。平均海面相對于大地水準面的起伏稱為海面地形。由于海面地形的存在，平均海面就不是嚴格的等位面。因此基于平均海面定義的大地水準面從理論上就存在一定的局限性。

與高程基準相比較，深度基準要復雜得多，深度基準面沒有統一的定義，不但各國基準不統一，而且同一國家的不同海域也不統一，同一海域的不同歷史時期也不統一。深度基準面是表示海洋深度的起算面，是在平均海面以下，與平均海面的距離為基準深度L。海圖深度基準面的基本定義是根據當地潮汐變化幅度選定但略高于最低潮面的一個基準面。深度基準面定義的主要目的是保證航行安全和充分利用航道。1957年以前，我國的深度基準面采用過略最低低潮面。1957年以后統一采用前蘇聯弗拉基米爾斯基方法，以8～11個分潮調和常數計算的理論最低潮面，即理論深度基準面。圖1為各垂直基準面的關系圖。

圖1　各垂直基準面關系圖

1.2大地水準面作為統一的垂直基準面

大地測量的一個重要任務就是確定地球形狀，而大地水準面是最能表達地球形狀的一個面。因此大地水準面是一個不可缺少的基準參考面。從大地測量的實用角度來說，它又是大地測量中正高系統的起算面。大地水準面是地球重力場中的一個等位面，它是一個物理曲面。只要給定一點的重力位值，那么過該點的等位面就能唯一確定，大地水準面是一個與地球最為密合的特殊等位面。它是正高系統的高程基準面，由此確定的參考系統稱為大地水準面參考系統。

目前，很多大地測量學家趨于用大地水準面來定義世界（全球）高程系統（World Height System，WHS）。這是因為大地水準面與平均海面緊密相聯，平均海面是個習慣被人們所理解的概念。此外，大地水準面還是地球形狀的數學物理描述，是陸地高程的起算面，是海面地形的基準面，是地面數字高程模型的基礎。用大地水準面作為全球統一的高程系統包括兩個方面的內容：一是確定一個理想的WHS基準面W0，二是求定各國（地區）局部基準與WHS基準面W0的位差。

但是用大地水準面作為統一的垂直基準目前還存在一些爭議。雖然大地水準面是一種無縫的參考面，而且物理意義比較明顯，然而想要實現將大地水準面作為統一垂直參考面，在實際應用中存在許多問題。目前，大地水準面模型精度還不是很高，而且在山區和開闊的海洋區域精度更差。此外，大地水準面差距還是相對于參考橢球面來測定和計算的，在測量中還需求取大地水準面差距，其模型和計算都比較復雜。而且模型的精度隨著人們的逐漸認識會變得越來越高，因此還需要不斷的更新。隨著電子地圖的廣泛應用，大地水準面模型精度的提高，其數據庫也需要跟著不斷更新。作為一個統一的垂直基準應該具有高度的穩定性，不應隨時間和地點的變化而變化，以減少不必要的麻煩。并且在實際航海應用中，由于潮汐等因素的影響，在航海應用中考慮到航行的安全，也無法直接用大地水準面作為深度表示的基準面。

1.3參考橢球面作為統一的垂直基準面

另外一種統一垂直基準的選擇是采用參考橢球面。選擇一個統一的垂直基準最重要的標準就是具有無縫性，不隨時間和地點的改變而變化，而且盡可能容易被理解，在提取或插入數據時不容易發生混淆。因此最簡單實用的基準面就是參考橢球面。只要確定橢球參數，參考面就不會發生變化，具有很好的穩定性，不會隨著時間和地點的變化而變化。在海岸帶陸海交接地帶，用參考橢球面作為統一的垂直基準，可以很容易地實現無縫拼接。

選擇參考橢球作為統一的垂直基準最重要的一個原因就是隨著衛星導航系統的快速發展，通過精密衛星定位能夠獲得點位高精度的三維坐標，包括精確的平面位置，以及垂直方向的大地高。特別是近年來IGS參考站和連續運行衛星定位服務系統CORS的運行和快速發展，用戶能夠得到精密的衛星星歷，利用精密星歷和衛星載波相位進行定位，不管是在動態還是靜態的情況下，使得解算模糊度變得容易，從而能夠容易地獲得精確的三維點位坐標。統一垂直基準最重要的一條就是把過去已測數據關聯到新的垂直基準上來，過去測得的大量的數據，都需要進行轉換，而通過高精度衛星定位，容易實現從現有的基準面轉換到參考橢球面上來。

此外，我國目前所使用的54北京坐標系和西安1980坐標系，都是屬于二維坐標系統，而且橢球參數與目前國際公認的橢球參數有不同之處。目前衛星定位技術得到廣泛的應用，衛星定位的測量成果是三維的，而原來的大地坐標框架是二維的和平面的。因此高精度的衛星定位技術所確定的三維測量成果，與目前國家二維大地坐標框架不能互相適配。隨著空間技術和虛擬現實技術的發展，采用符合客觀空間實際的三維坐標，將是一種必然的發展趨勢。因此采用參考橢球面作為垂直基準也正是基于這方面的考慮。

選擇參考橢球面作為統一的垂直基準，雖然不容易被人們所理解，物理意義也不明顯，但在測量實際操作和應用中有著明顯的優勢。比如選擇參考橢球面作為統一的垂直基準面，可以提高測量效率，降低測量成本。特別是在海道測量中，用差分等精密定位手段，可以得到瞬時海面高精度的大地高，而瞬時海面到海底地形面的深度可以通過測深手段測得。從而無需知道潮汐信息以及測量船只的垂直動態信息，可以直接免去驗潮和動態改正，因而大幅提高了測量效率以及測量精度。水深測量包括兩方面，一是深度信息的獲取，二是空間定位。目前水深測量在定位方面主要是應用GPS進行定位。隨著GPS的快速發展，GPS定位的坐標精度也越來越高。用戶通過精密衛星定位能夠獲得點位高精度的三維坐標，包括平面坐標以及大地高。此外，隨著對GPS定位的誤差模型的精化以及整周模糊度解算方法的不斷改進，不僅是GPS精密單點定位的精度得到了提高，GPS相對定位，特別是中長距離GPS-RTK定位精度也進一步得到提高。這樣對于沿岸水深測量的定位，特別是大地高方面的測量精度也進一步得到改善，從而可以滿足用戶在水深測量中對垂直精度的要求。

當然，采用橢球大地高作為點位高程（深度）的表示，這種表示形式在實際應用中可能存在一些問題。考慮航行安全因素，可以繼續沿用保守的表示方法，即用理論深度基準面表示。因此，建議利用參考橢球面高度的穩定性，用參考橢球面作為統一的垂直基準面。同時，在陸地采用大地水準面作為次級的垂直基準來表示高程，在海洋采用理論深度基準面作為次級垂直基準來表示水深。這樣所有的高程（深度）信息都是基于統一的垂直基準，同時，又可以用人們所習慣的高程（深度）基準作為輔助表示。在實際應用中，可以根據不同的用戶選擇不同的基準來表示。比如，船舶在航行時，可能更多的是需要知道航行路線前面的水深情況，為了保證安全，過去一直用保守深度來表示，即采用深度基準面。而對于一些特殊航道、海峽等，其瞬時海面的深度信息將非常有實際意義。對于這種情況，則可以通過潮汐預報等手段來獲得瞬時海面的深度信息。

2　統一垂直基準的建立

國際地球自轉服務（IERS）中心局每年將全球站的觀測數據加以綜合處理和分析，得到一個國際地球參考框架（ITRF）。建立一個精確的國際地球參考系統（ITRS）一直是天文學家、大地測量學家和地球物理學家們長期努力的目標。隨著空間技術的不斷發展、全球跟蹤站數量的增加及均勻分布，ITRF坐標的精度已經越來越高。用參考橢球面作為統一的垂直基準，應該采用國際地球參考框架（ITRF）所定義的參考橢球。

而這里我們采用統一的垂直基準面為WGS84參考橢球面。WGS84是目前GPS所采用的大地坐標系。隨著GPS的廣泛應用，使得WGS84也逐漸成為全球廣為采用的基準。此外，在目前的海道測量和陸地地形測量中，主要也是用GPS來進行測量。

更重要的是，目前采用的WGS84（G1150）與國際地球參考框架ITRF2000基本一致，因此與國際地球參考框架能夠彼此兼容。WGS84采用了IUGG第17屆大會大地測量常數的推薦值，與大地參考系GRS80的橢球參數基本一致。因此，基于ITRF下的GRS80橢球高可以認為是WGS84的橢球高。

用WGS84參考橢球面作為統一的垂直基準面，一個重要的優勢就是在今后的測量工作中可以大大提高測量的效率。GPS定位精度的提高，可以實現直接三維大地測量定位，從而傳統的高程控制網和平面控制網不需要分離。在水深測量中，可以直接用GPS定位獲得海底地形的大地高，不需要驗潮站的實時水位改正。而在實際應用中可能需要多種基準的共同表示，包括1985國家高程基準和理論深度基準面，通過各區域的基準轉換關系，也很容易恢復各種基準的表示。

3　垂直基準的相互轉換

3.1陸地高程基準的轉換

我國目前同時存在1956黃海高程基準與1985國家高程基準。以1956年黃海高程系推算出青島水準原點的高程為72.289 m，以1985年國家高程基準推算出青島水準原點的高程為72.260 m，因此在使用不同高程基準的地圖之間轉繪資料，就會遇到高程基準面改正問題。改正方法如下：

式中：H黃為1956年黃海平均海面上的高程；H新為1985年高程基準面上的高程；Δh為改正系數（值為0.029 m）。

要確定1985國家高程基準與WGS84橢球參考面的轉換關系，在沿海地區，主要就是確定各水準點的精確的大地高，也就是測定大地水準面差距N。目前這方面的研究比較多，方法也相對比較成熟。此外，現代的GPS精密定位技術可以得到單點精密的大地高，單點測定大地高的精度能達到或優于厘米級水平。因此在對單個水準點進行基準轉換時，可以直接測定其大地高，也避免了路線傳遞誤差的積累。也就是說不管水準點基于1985國家高程基準的精度如何，只要確定水準點的大地高就可以得到此區域的高程轉換關系。從某種程度上說，我國的大陸海岸線長度約為1.8萬km，若都用這種方法來確定其轉換關系，其工作量可能比較大，但若是針對一些重點區域采取這種方法來進行基準轉換是很有意義的。

3.2海域深度基準的轉換

理論深度基準面是離散的參考面，在我國沿海不同海區都有著不同的理論深度基準面，因此，統一歸算模型很難建立。可以通過插值方法，首先在各主要點上建立深度基準面到WGS84參考橢球面的關系，然后進行內插或者外推，這樣就可以把各海域的水深數據都轉換到WGS84參考橢球面上來。

由于歷史測量成果所采用的測量方法以及手段都不一致，造成測量精度的不同。我國目前的各海圖的深度基準面是通過建立短期驗潮站與長期驗潮站的共同推算來確定的。由于各海區的潮汐性質不盡相同，無法建立統一模型對所有的深度基準面進行基準轉換。根據海道測量規范要求，主要水準點應與國家水準點進行聯測。因此，大多數沿海水深測量的深度基準面都與國家高程基準建立了聯系。圖2是2005年福建沿海測量建立的假山短期驗潮站各基準面的關系圖。

圖2　假山驗潮站關系圖

從圖2可以看出，在假山驗潮站推算出的理論深度基準面與1985國家高程基準的差值L0= 3.481 m，這樣就可以確定此海區的理論深度基準面到1985國家高程基準的轉換關系。如果只有深度基準面與平均海面的關系，可通過求取當地平均海面與WGS84參考橢球面的關系，從而獲得各深度基準面到WGS84參考橢球面的轉換關系。用這種方法把過去的水深數據轉換到WGS84參考橢球面上是比較直接，相對來說也比較可行。

想要得到各理論深度基準面的橢球大地高，還有一種方法可以對各海域的深度基準面與WGS84參考橢球面進行轉換。主要是通過在區域范圍內建立同潮時圖（Co-tidal）來確定各深度基準面的轉換關系。這種方法可以大面積地確定其轉換關系，而且一旦確定就可以一直保持和應用，這種方法有著很大的實用價值。但是現有的方法確定同潮時圖的精度不是很高，因此基準轉換的精度受到限制，還有必要對此進行全面的討論和研究。

4　結論

垂直基準是現代大地測量基準的一個重要組成部分，由于傳統的建立高程基準起算面的方法存在缺陷，造成現在的高程系統比較混亂。本文對垂直基準的現狀以及垂直基準的建立過程進行了詳細的討論，提出了以參考橢球面作為統一的垂直基準。通過分析表明，用參考橢球面作為統一的垂直基準具有一定的優勢，而且可以大大提高測量作業的效率。

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Research on Seamless Vertical Datum for Coastal Spatial Geographical Data Integration

HUANG Wen-qian1，WANG Shuang-xi2，SU Fen-zhen3，YANG Xiao-mei3
1.Department of Hydrography and Cartography，PLA Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.Troop 92899，the People's Liberation Army of China，Ningbo 315200，Zhejiang Province，China；
3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China

One of the main obstacles to coastal spatial data integration is different definitions of vertical reference frames，so it is urgent to unify vertical datum.This paper analyzes the status of the vertical datum in China，discusses the defects of using the geoid as unified vertical datum，and expounds the reasons and merits of using the reference spherical surface as unified vertical datum.It is suggested that geoid be used as sub vertical datum to represent elevation on land，the lowest normal low water as sub vertical datum to represent depth in the sea，and WGS84 reference spherical surface be used to unify vertical datum.Meanwhile，this paper presents the conversion relation and method of altitude datum on land，as well as the conversion relation and calculating method of sounding datum in the sea area.The research results will enable substantial existing surveying and mapping data to be better used，thus providing a solid support for China's sustainable socio-economic development，national defence and coastal zone exploitation.

coastal zone；vertical datum；national height datum；lowest normal low water

P22

A

1003-2029（2016）03-0017-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.003

2015-12-10

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2012AA12A406）；國家自然科學基金資助項目（40371097，40971224，41271409）；海軍大連艦艇學院2110工程三期資助學術預研課題（DLJY-XY2015018）

黃文騫（1962-），男，博士，教授，主要從事海洋測繪、遙感、模式識別研究。E-mail：hwenqian@163.com