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联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系

柯灝 赵建虎 周丰年 吴敬文 暴景阳 赵祥伟 谢朋朋

柯灝, 赵建虎, 周丰年, 吴敬文, 暴景阳, 赵祥伟, 谢朋朋. 联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
引用本文: 柯灝, 赵建虎, 周丰年, 吴敬文, 暴景阳, 赵祥伟, 谢朋朋. 联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
KE Hao, ZHAO Jianhu, ZHOU Fengnian, WU Jingwen, BAO Jingyang, ZHAO Xiangwei, XIE Pengpeng. Establishment of Sea-Land Vertical Datum Transformation for Hydrography Combining with Geoid, Sea Surface Topography and Numerical Simulation of Tidal Wave Motion in the Yangtze Estuarine Waters[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
Citation: KE Hao, ZHAO Jianhu, ZHOU Fengnian, WU Jingwen, BAO Jingyang, ZHAO Xiangwei, XIE Pengpeng. Establishment of Sea-Land Vertical Datum Transformation for Hydrography Combining with Geoid, Sea Surface Topography and Numerical Simulation of Tidal Wave Motion in the Yangtze Estuarine Waters[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601

联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系

doi: 10.13203/j.whugis20200601
基金项目: 

国家自然科学基金 41506120

江苏海域海洋无缝垂直基准建模及海陆垂直基准转换关系技术研究 32-JK-2022-029

详细信息
    作者简介:

    柯灝,博士,副教授,主要从事海洋测绘研究工作。kehao1984@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P229

Establishment of Sea-Land Vertical Datum Transformation for Hydrography Combining with Geoid, Sea Surface Topography and Numerical Simulation of Tidal Wave Motion in the Yangtze Estuarine Waters

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41506120

the Research on Modeling of Seamless Marine Vertical Datum and Transformation Relationship Between Sea and Land Vertical Datum in Jiangsu Sea Area 32-JK-2022-029

More Information
    Author Bio:

    KE Hao, PhD, associate professor, majors in marine surveying and mapping. E-mail: kehao1984@whu.edu.cn

  • 摘要: 长江口水域地形地貌研究对河道治理建设、水上交通运输等人类社会经济活动具有重要意义,而建立高精度的无缝深度基准面及其与其他垂直基准间转换模型将直接影响到水陆交界区高精度地形地貌数据的获取及统一综合管理与分析。为此着重研究了基于三维潮波运动数值模拟、海面地形和大地水准面3种手段联合的河口水域无缝深度基准面构建及其与其他垂直基准间转换模型,并在长江口南支这一典型河口水域进行了建模实验和模型精度评估分析。结果显示,垂直基准转换模型中误差为12.4 cm,与现场长期潮位站实际观测结果比对分析得垂直基准转换模型误差绝对值均值为24.2 cm,尽管大于模型中误差估值,但仍满足国际水道测量规范对测深中垂向最大不确定度的要求。
  • 图  1  海洋中若干垂直基准间空间关系

    Figure  1.  Spatial Relationships Among LAT, MSS, Geoid and Reference Ellipsoid

    图  2  基于FVCOM建立的长江口南支连续深度基准模型

    Figure  2.  Seamless Chart Datum Model of the Yangtze Estu‍ary South Branch Based on Tidal Wave Motion by FVCOM

    图  3  长江口水域大地水准面模型及GNSS水准点

    Figure  3.  Geoid Model of the Yangtze Estuary South Branch and GNSS Leveling Points

    图  4  长江口水域平均海面地形模型

    Figure  4.  Mean Sea Surface Height Above the Geoid Model of the Yangtze Estuary South Branch

    图  5  长江口南支水域深度基准与参考椭球基准间的分量h模型

    Figure  5.  Separation Surface hModel Between Chart Datum and WGS84 Reference Ellipsoid of the Yangtze Estuary South Branch

    图  6  长江口长期验潮站分布示意图

    Figure  6.  Schematic Diagram of Long-Term Tidal Station Distribution in the Yangtze River Estuary

    表  1  深度基准与WGS84参考椭球基准间分离量模型估值和实测值比对

    Table  1.   Comparison of Transformation Model Estimates and Field Observation Value at Long-Term Tidal Stations

    站名 验潮零点
    WGS84大地高程/m
    平均海平面高(相对于验潮零点)/m 深度基准值(相对于长期平均海平面)/m 分离量Δh
    实测值/m
    分离量Δh
    模型估值/m
    误差
    /cm
    杨林 9.108 2.558 1.57 10.096 10.294 -19.8
    六滧港 10.287 2.489 1.73 11.046 11.304 -25.8
    共青圩 11.106 2.201 1.77 11.537 11.807 -27.0
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  • [1] 暴景阳, 翟国君, 许军. 海洋垂直基准及转换的技术途径分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41 (1): 52-57 doi:  10.13203/j.whugis20150491

    Bao Jingyang, Zhai Guojun, Xu Jun. Vertical Datums and Their Transformation Approaches for Hydrography[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(1): 52 -57 doi:  10.13203/j.whugis20150491
    [2] 柯灝, 张红梅, 鄂栋臣, 等. 利用调和常数内插的局域无缝深度基准面构建方法[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2014, 39(5): 616-620 doi:  10.13203/j.whugis20120201

    Ke Hao, Zhang Hongmei, E Dongchen, et al. Establishment of Regional Seamless Chart Datum Based on Tidal Harmonic Constants Interpolation [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(5): 616-620 doi:  10.13203/j.whugis20120201
    [3] Reilly C O, Parsons S, Langelier D. A Universal Seamless Vertical Reference Surface for Hydrographic Bathymetry with Specific Application to Seismic Areas[M]. Berlin, Heidelberg, Germany: Springer, 1997
    [4] Maltais L. GPS Tide Detection: Implementation of a Full Integrated Solution for Hydrographic Surveys from Data Collection to Data Processing[C]//The Canadian Hydrographic Conference, Canadian Hydrographic Association, Toronto, Canada, 2002
    [5] Robin C, Nudds S, Macaulay P, et al. The Continuous Vertical Datum for Canadian Waters Project: Overview & Status Report[C]//Canadian Hydrographic Conference, Saint John, Canada, 2014
    [6] Robin C, Nudds S, MacAulay P, et al. Hydrographic Vertical Separation Surfaces (HyVSEPs) for the Tidal Waters of Canada[J]. Marine Geodesy, 2016, 39(2): 195-222 doi:  10.1080/01490419.2016.1160011
    [7] Iliffe J C, Ziebart M K, Turner J F. The Derivation of Vertical Datum Surfaces for Hydrographic Applications[J]. The Hydrographic Journal, 2007(125): 3-8
    [8] Iliffe J C, Ziebart M K, Turner J F, et al. Accuracy of Vertical Datum Surfaces in Coastal and Offshore Zones[J]. Survey Review, 2013, 45(331): 254-262 doi:  10.1179/1752270613Y.0000000040
    [9] Parker B. The Integration of Bathymetry, Topography and Shoreline and the Vertical Datum Transformations Behind It[J]. International Hydrographic Review, 2002, 3(3): 14-26
    [10] Parker B, Milbert D, Hess K, et al. National VDatum: The Implementation of a National Vertical Datum Transformation Database[C]//The US Hydrographic Conference, Biloxi, Mississippi, USA, 2003
    [11] Keysers J H, Quadros N D, Collier P A. Vertical Datum Transformations Across the Australian Littoral Zone[J]. Journal of Coastal Research, 2015, 31 (1): 119-128 doi:  10.2112/JCOASTRES-D-12-00228.1
    [12] Martin R J, Broadbent G J. Chart Datum for Hydrography[J]. The Hydrographic Journal, 2004 (112): 9-14
    [13] Todd P, Martin R J, Broadbent G J. Infrastructure Supporting Mapping of Tidal Planes and Lines [C]//Trans Tasman Surveyors Conference, Auckland, New Zealand, 2004
    [14] Broadbent G J. HAT for Emergency Response [C]//Queensland Hydrography Coping with Nature Seminar, Brisbane, Australia, 2012
    [15] 赵建虎, 董江, 柯灝, 等. 远距离高精度GPS潮汐观测及垂直基准转换研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(6): 761-766 doi:  10.13203/j.whugis20130314

    Zhao Jianhu, Dong Jiang, Ke Hao, et al. High Precision GPS Tide Measurement Method in a Far-Distance and Transformation Model for the Vertical Datum[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(6): 761-766 doi:  10.13203/j.whugis20130314
    [16] 柯灝, 吴敬文, 李斐, 等. 基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面建立方法研究[J]. 地球物理学报, 2018, 61(6): 2220-2226 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201806005.htm

    Ke Hao, Wu Jingwen, Li Fei, et al. Study on the Establishment of the Oceanic Continuous Chart Datum Based on Three-Dimensional Numerical Simulation of Tidal Wave Motion[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2018, 61(6): 2220-2226 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201806005.htm
    [17] 龚文平, 刘欢, 任杰, 等. 黄茅海河口潮波的传播特征与机理研究[J]. 海洋学报, 2012, 34(3): 41-54 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SEAC201203005.htm

    Gong Wenping, Liu Huan, Ren Jie, et al. The Study of Tidal Propagation in the Huangmaohai Estuary and Its Underlying Mechanisms[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2012, 34(3): 41 -54 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SEAC201203005.htm
    [18] Orr M H. Nonlinear Internal Waves in the South China Sea: Observation of the Conversion of Depression Internal Waves to Elevation Internal Waves[J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(C3), DOI:  10.1029/2001JC001163
    [19] Pavlis N K, Holmes S A, Kenyon S C, et al. The Development and Evaluation of the Earth Gravitational Model 2008(EGM2008)[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2012, 117(B4), DOI:  10.1029/2011JB008916
    [20] International Hydrographic Organization (IHO). IHO Standards for Hydrographic Surveys[S]. Monaco: International Hydrographic Bureau, 2008
  • [1] 刘聚, 暴景阳, 许军, 周唯.  中国香港验潮站1962?2017年水位相对变化分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1065-1072. doi: 10.13203/j.whugis20180325
    [2] 张胜军, 金涛勇, 褚永海, 孔祥雪.  Cryosat-2数据的大地水准面分辨能力研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(6): 759-764. doi: 10.13203/j.whugis20140829
    [3] 郭东美, 鲍李峰, 许厚泽.  中国大陆厘米级大地水准面的地形影响分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(3): 342-348. doi: 10.13203/j.whugis20130494
    [4] 暴景阳, 翟国君, 许军.  海洋垂直基准及转换的技术途径分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(1): 52-57. doi: 10.13203/j.whugis20150491
    [5] 柯灝, 李 斐, 赵建虎, 王泽民.  利用潮汐性质相似性的长江口水域深度基准面传递精度研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(6): 767-771. doi: 10.13203/j.whugis20130055
    [6] 柯灝, 张红梅, 鄂栋臣, 赵建虎, 王胜平.  利用调和常数内插的局域无缝深度基准面构建方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2014, 39(5): 616-620. doi: 10.13203/j.whugis20120201
    [7] 陈俊勇, 张鹏.  国家测绘基准“十二五”重大项目的思考 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(10): 1135-1138.
    [8] 程芦颖, 许厚泽.  顾及测站点上重力场信息的大地水准面高的拟合方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(7): 701-705.
    [9] 楼立志, 许厚泽.  模拟大地水准面应用于GPS水准内插的研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2005, 30(1): 47-50.
    [10] 申文斌, 宁津生, 李建成, 晁定波.  论相对论重力位及相对论大地水准面 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(10): 897-900.
    [11] 郭海荣, 焦文海, 杨元喜, 刘光明.  1985国家高程基准的系统差 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(8): 715-719.
    [12] 张全德, 张燕平, 张鹏, 陈现军.  精化区域大地水准面若干问题的探讨 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(S1): 94-96.
    [13] 申文斌, 宁津生, 李建成, 晁定波.  论大地水准面 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(6): 683-687.
    [14] 罗志才, 陈永奇, 宁津生.  地形对确定高精度局部大地水准面的影响 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(3): 340-344.
    [15] 李建成, 姜卫平.  长距离跨海高程基准传递方法的研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2001, 26(6): 514-517,532.
    [16] 杨沾吉, 於宗俦, 于正林, 陈永奇.  GPS水准、天文重力水准与重力大地水准面多种数据联合处理的研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1996, 21(4): 330-337.
    [17] 李建成, 宁津生, 晁定波.  卫星测高在物理大地测量应用中的若干问题 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1996, 21(1): 9-14.
    [18] 陈俊勇, 李建成, 晁定波.  用T/P测高数据确定中国海域及其邻海的海面高及海面地形 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1995, 20(4): 321-326.
    [19] 管泽霖, 徐德宝.  我国大陆沿海的海面地形 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1988, 13(2): 31-38.
    [20] 党亚民, 蒋涛, 陈俊勇.  全球高程基准研究进展 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20220234
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-02
  • 刊出日期:  2022-05-05

联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系

doi: 10.13203/j.whugis20200601
    基金项目:

    国家自然科学基金 41506120

    江苏海域海洋无缝垂直基准建模及海陆垂直基准转换关系技术研究 32-JK-2022-029

    作者简介:

    柯灝,博士,副教授,主要从事海洋测绘研究工作。kehao1984@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P229

摘要: 长江口水域地形地貌研究对河道治理建设、水上交通运输等人类社会经济活动具有重要意义,而建立高精度的无缝深度基准面及其与其他垂直基准间转换模型将直接影响到水陆交界区高精度地形地貌数据的获取及统一综合管理与分析。为此着重研究了基于三维潮波运动数值模拟、海面地形和大地水准面3种手段联合的河口水域无缝深度基准面构建及其与其他垂直基准间转换模型,并在长江口南支这一典型河口水域进行了建模实验和模型精度评估分析。结果显示,垂直基准转换模型中误差为12.4 cm,与现场长期潮位站实际观测结果比对分析得垂直基准转换模型误差绝对值均值为24.2 cm,尽管大于模型中误差估值,但仍满足国际水道测量规范对测深中垂向最大不确定度的要求。

English Abstract

柯灝, 赵建虎, 周丰年, 吴敬文, 暴景阳, 赵祥伟, 谢朋朋. 联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
引用本文: 柯灝, 赵建虎, 周丰年, 吴敬文, 暴景阳, 赵祥伟, 谢朋朋. 联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
KE Hao, ZHAO Jianhu, ZHOU Fengnian, WU Jingwen, BAO Jingyang, ZHAO Xiangwei, XIE Pengpeng. Establishment of Sea-Land Vertical Datum Transformation for Hydrography Combining with Geoid, Sea Surface Topography and Numerical Simulation of Tidal Wave Motion in the Yangtze Estuarine Waters[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
Citation: KE Hao, ZHAO Jianhu, ZHOU Fengnian, WU Jingwen, BAO Jingyang, ZHAO Xiangwei, XIE Pengpeng. Establishment of Sea-Land Vertical Datum Transformation for Hydrography Combining with Geoid, Sea Surface Topography and Numerical Simulation of Tidal Wave Motion in the Yangtze Estuarine Waters[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(5): 731-737. doi: 10.13203/j.whugis20200601
  • 河口区及其毗邻水域有着丰富的生物资源和矿产资源,水资源也十分丰富,更建有各种港口,因而河口地形地貌研究对港口建设、河道清淤与疏浚、水上交通运输等人类社会经济活动都具有重要意义。而水陆地形地貌垂向观测数据的综合、统一分析与管理可为上述活动的决策与开展提供可靠的数据支撑。众所周知,陆地高程和海底水深隶属于两个不同的垂直基准体系,在综合二者时需确定不同垂直基准间的转换关系。

    随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)观测精度的日益提升,构建连续的水文垂直基准面及其与其他垂直基准间的转换模型研究成为一个热点[1-2]。国内外学者及相关研究机构在海洋垂直基准转换与统一的算法和模型上做了大量研究。20世纪90年代,加拿大水文局(Canadi‍an Hydrographic Service,CHS)开展了全国验潮站基准GNSS观测工作,将海图基准与参考椭球基准联系起来,从而将水道测量学带入了GNSS时代[3]。2000年初,CHS根据前期积累的海图基准与参考椭球基准间的分离量采用空间插值法建立了一个连续的海图基准到椭球基准的转换模型[4-5]。由于未考虑潮位站和近海水域的潮汐非线性变化,因此在这些区域其模型的精度受到了较大影响。2010年,CHS通过联合验潮站数据、卫星测高、GNSS、大地水准面模型及动态海面地形模型重新构建了模型,并命名为HyVSEPs(hydrographic vertical separation surfaces)模型[6]。诸如此类研究,还有英国水文局的VORF(vertical offshore reference frame)工程,同样融合了卫星测高、验潮数据及水文动态模型在沿海地区开展了不同垂直基准转换研究[7-8]。美国国家海洋大气管理局和国家大地测量局联合研制的垂直基准转换软件系统VDatum,可以在美国的各种垂直参考资料之间进行转换,包括潮汐参考资料、正交垂直参考资料和椭球参考资料等[9-10]。澳大利亚的气候变化与能源效率部发起的UDEM(urban digital elevation modelling in high priority regions)项目,旨在促进跨滨海区域的无缝、高程数据集的创建,以进行气候变化风险评估。无缝的海岸数据产品要求地形数据与水深数据相结合,先决条件就是各自的高程数据集需关联到相同的垂直基准上。因此,建立了以参考椭球为基础的垂直基准转换模型[11]。此前,澳大利亚昆士兰的AusHydroid模型建立了最低天文潮面和WGS84(world geodetic system 84)参考椭球面间的转换关系[11-13];2012年,Broadbent[14]曾研究建立了最高天文潮面与澳大利亚国家正高基准间的转换关系。然而,在上述两个转换模型构建中,都是采用插值拟合法构建连续曲面,而未考虑到水文动力因素,导致了其使用的局限性。赵建虎等[15]基于GNSS事后动态处理技术开展了远岸海域的潮汐垂直基准确定及其与参考椭球基准间转换关系研究,取得了较好的效果,但仍未解决由点到面的垂直基准转换问题。

    由此可见,参考椭球基准由于GNSS垂直定位精度的日益提高,已成为其他垂直基准向其转换的最佳选择。中国测深数据和成果依托于理论最低天文潮面,若要将陆地与水深等相关数据成果无缝衔接起来,得建立最低天文潮面与参考椭球基准间的转换模型。众所周知,天文最低潮面基准具有随时间和空间变化,且呈现离、跳变等非连续特征[16]。此外,天文最低潮面还受流体动力学因素影响,即天文最低潮面的变化并非呈线性,尤其在地形复杂水深较浅的河口水域,潮差和潮波的变化将变得异常复杂[17-18],这对连续深度基准面的建模精度产生影响。潮波运动数值模拟的算法理论逐渐成熟,无论是二维还是三维模式,其模拟精度越来越高。最低天文潮面与最大潮差相关,因此可考虑根据潮波运动数值模拟结果来构建连续的最低天文基准面模型。此外,最低天文潮面基准是一个相对量,乃相对于长期平均海面,而由于潮波运动的存在,在构建最低天文潮面基准与参考椭球基准间的关系时,还需考虑动态海面地形因素的影响。

    综上,本文将重点研究基于潮波运动数值模拟、海面动态地形和大地水准模型等多源数据的融合,来构建地形复杂的河口水域的深度基准与参考椭球基准间的无缝转换关系的算法和模型。

    • 图 1展示了若干不同垂直基准面间的空间几何关系。中国深度基准面通常采用理论最低天文潮面,其位于长期平均海平面(mean sea surface,MSS)以下L处。平均海平面可看成一个不受干扰的稳定海水面,由于受到非潮汐因素影响,尽管它与大地水准面十分接近,但仍存在差异,其差异也称为平均海面地形,如图 1δ所示。图 1中共有参考椭球基准、大地水准面、平均海面地形和深度基准(lowest astronomical tide, LAT)4种垂直基准,其中,前3者都是连续变化的曲面,而深度基准一般表现为离散非连续的,因此在构建深度基准与参考椭球基准的转换关系前,需要建立一个连续变化的深度基准面。

      图  1  海洋中若干垂直基准间空间关系

      Figure 1.  Spatial Relationships Among LAT, MSS, Geoid and Reference Ellipsoid

      根据图 1中垂直基准间的空间关系可得:

      Δh(φ,λ)=HMSS(φ,λ)-L(φ,λ)=N(φ,λ)+δ(φ,λ)-L(φ,λ) ]]>

      式中,HMSS为平均海面基于参考椭球的大地高,由大地水准面差距N和平均海面地形δ两部分组成;L为构建的连续深度基准面;h为待求的深度基准与参考椭球基准间的分离量,是关于大地坐标(φ,λ)的函数。

    • 中国海道测量规范规定采用理论最低天文潮面作为深度基准面,依据主要分潮的潮汐调和常数并按照理论最低潮面模型计算得到。其意义为相对于长期平均海平面以下理论上可能出现的最低潮面。由于深度基准面的确定依赖于长期潮汐观测资料,而潮汐观测资料是通过验潮仪器观测获得,受观测条件的限制,验潮仪的布设通常集中在沿岸浅水区域,且密度稀疏,因此通过验潮站潮位资料确定的某一水域的深度基准呈现为离散非连续特征。另外,正如前言所述,在河口水域,由于潮汐变化的非线性等原因,单纯利用数值插值拟合方法构建河口某水域连续深度基准面,精度可能较差且不稳定。针对上述情况,本文考虑采用基于潮波运动数值模拟的连续深度基准面构建方法,来建立河口水域的连续深度基准。采用有限元近海海洋环流模式(finite-volume coastal ocean model,FVCOM),结合水底地形数据及开边界水位强迫数据,模拟长江口水域一定时段的潮位数据及潮差。根据潮差与深度基准间相关性,采用潮差比法推求模拟格网点的深度基准值,进而得到区域的深度基准面格网模型。在潮波运动非线性水域,该方法可模拟得到较高精度的潮差变化信息,进而建模得到较高精度且符合潮汐变化特征的连续深度基准面[15]

    • 海面地形可通过卫星测高手段获取。目前也有相关研究机构实时发布经各项改正处理的卫星测高产品。例如,哥白尼海洋环境监测服务(Copernicus marine environment monitoring service,CMEMS)发布的卫星测高产品,包括了来自不同的多源卫星、不同空间分辨率、全球或局域、交叉轨迹或沿轨,含有海面地形、海表面流速流向等不同参量信息的测高产品。根据不同地理位置信息及具体需求,针对性下载相关测高产品,获取海面地形信息,进而构建平均海面地形曲面。本文采用CMEMS发布的卫星测高产品进行海面地形计算及建模。

    • 由美国国家地理空间情报局的研发团队发布的全球超高阶地球重力场模型(Earth gravitational model 2008,EGM2008),其参考椭球为WGS84,分辨率为5'×5',采用了美国重力恢复与气候实验卫星跟踪数据、卫星测高数据和地面重力数据等,有着较高的精度水准。因此,本文采用重力模型EGM2008来计算大地水准面。

    • 本文选择长江口南支水域作为实验区,主要从如下方面考虑:首先,从地形、地理环境特征考虑,长江口作为长江入海口的末段水域,岸线变化曲折复杂,且在南支出海口中间坐落有长兴和横沙两座小岛,这对该水域的潮波运动、潮汐性质的变化存在一定影响;然后,在出海口水域,潮波运动受地形影响较大,表现为长江口外水域为正规半日潮,而口内则为不正规半日潮,潮差由口门往里递减,水文特征复杂,为典型的河口水域;最后,长江口末端水域分布有多数长期验潮站,且都已进行过GNSS水准联测工作,确定了验潮零点的绝对高程,本文已收集到这些重要的现场实测资料。因此,本研究也将采用这些数据来验证本文构建的深度基准与参考椭球基准间分离量模型的精度。

    • 建立长江口南支区域的连续深度基准面模型,本文采用FVCOM软件[15]进行长江口区域的潮波三维运动数值模拟。根据FVCOM模拟的长江口南支水域平均大潮潮差,构建了该区域的连续深度基准,其分辨率跟FVCOM模拟时所构建三角形格网相关,为0.04'×0.04',如图 2所示。

      图  2  基于FVCOM建立的长江口南支连续深度基准模型

      Figure 2.  Seamless Chart Datum Model of the Yangtze Estu‍ary South Branch Based on Tidal Wave Motion by FVCOM

      该区域的大地水准面模型采用重力场模型EGM2008计算得到,分辨率为5'×5'。通过双二次插值法构建了长江口水域的大地水准面,如图‍3所示。该区域的大地水准面变化趋势较为简单,等值线分布近似平行,且由口内向口外逐渐递增。此外,还收集了长江口区域共计30个点位的GNSS水准数据资料,通过计算得各点位的水准面的大地高值。图 3中,圆形离散点代表实际GNSS水准点位,其颜色则表征其实测的大地水准面差距。

      图  3  长江口水域大地水准面模型及GNSS水准点

      Figure 3.  Geoid Model of the Yangtze Estuary South Branch and GNSS Leveling Points

      海面地形数据采用的是CMEMS提供的全球海洋格网化测高产品,包括海面地形、海表面流速等信息,格网分辨率为0.25°×0.25°,坐标参考框架为WGS84,产品的时间范围从2017-01至今。在计算平均海面地形过程中,将各格网点每日海面地形被提取出来,通过算术取平均作为该节点的平均海面地形,通过最小曲率插值拟合构建长江口区域的平均海面地形模型,如图 4所示。由于地形的因素,从图 4中可看到海面地形的卫星测高数据未能覆盖整个长江口南支水域。由图 4中海面地形的变化趋势可看到,整个长江口的海面地形变化幅度非常小,基本在5 cm以内,由口内向口外逐渐递增。

      图  4  长江口水域平均海面地形模型

      Figure 4.  Mean Sea Surface Height Above the Geoid Model of the Yangtze Estuary South Branch

      至此,已完成长江口南支深度基准、平均海面地形和大地水准面的建模,根据式(1)可建立该区域的深度基准向参考椭球基准转换的模型。由于各自分辨率不尽相同,因此需要解决模型间分辨率不同的问题。首先,通过将深度基准和大地水准面模型重采样并抽稀,使得二者与平均海面地形模型具有完全相同的分辨率和格网点,并在每个格网点上采用式(1)进行运算;然后,采用最小曲率插值拟合出长江口南支区域的深度基准与参考椭球基准间分离量的模型,如图 5所示。图 5中,分离量h由口内向口外逐渐递增,变化范围大致在10~12.5 m,由此可见,深度基准与参考椭球基准之间的分离量因地理位置不同而存在较大差异。此外,在南支上游河段及口外的外海水域,等值线分布近似成平行分布,而在长江口南支和北支末端,由于潮汐受泾内河流和外海潮波运动的综合影响,等值线的分布发生弯曲,近似形成闭合状。

      图  5  长江口南支水域深度基准与参考椭球基准间的分量h模型

      Figure 5.  Separation Surface hModel Between Chart Datum and WGS84 Reference Ellipsoid of the Yangtze Estuary South Branch

    • 模型精度评估是衡量模型的一个重要指标,其精度高低将直接决定其实际意义。从式(1)可以看出,垂直基准转换模型的误差主要来源于深度大地水准面模型、平均海面地形及深度基准模型3个方面。

      文献[19]详细介绍了EGM2008模型在海洋中的精度,其中,在纬度低于66°海域,模型误差的均方根值为5.8 cm,而其他海域则为6.1 cm。该精度代表的是EGM2008在大洋大尺度环境下的一个精度评估值,而长江口水域相较于大洋,不仅在空间范围尺度上要小得多,且在地形环境上也要更加复杂。目前,共收集到30个GNSS水准点,将位于长江边或江中的GNSS水准点保留,剔除位于大陆或岛屿中央的点位后,共计留下28个点(如图 3所示)。通过计算这28个点位实测的大地水准面差距与EGM2008模型估值的差值,得到28个点位的差值绝对值均值为10.3 cm,中误差为10.4 cm。基于该实测的分析结果,本研究选取10.4 cm作为长江口南支水域大地水准面的模型误差。

      卫星测高产品不仅给出了各个格网节点每天的海面地形等信息,而且给出了每个节点每天的误差值。由于在计算平均海面地形时,采用的是将每天的海面地形求算术平均值作为节点最终的海面地形,可进一步计算出每个格网节点平均海面地形的中误差。各个节点平均海面地形中误差不尽相同,取最大中误差作为长江口南支水域平均海面地形模型的中误差值,其大小为3.8 cm。连续深度基准面是基于FVCOM潮波运动三维数值模拟结果建立而成,通过将模拟结果与长江口南支水域若干长期验潮站真实的深度基准面比较,得到误差绝对值最大值为5.5 cm,将其作为整个长江口南支水域深度基准面模型的中误差。已得长江口南支水域大地水准面、平均海面地形和深度基准面3个模型的误差大小,根据误差传播定律并结合式(1),得到了深度基准与参考椭球基准间分离量模型的中误差为12.4 ‍cm。考虑到本研究只是对上述3种模型的中误差做了简单粗略估计,与实际情况可能存在较大出入,因此12.4 cm的中误差估值在后续野外实测数据验证时只作简单参考,不能作为真实的转换模型精度。

      为验证垂直基准转换模型的精度,利用已收集到的位于长江口南支水域的长期验潮站实测资料来进行验证,验潮站位置分布如图 6所示。

      图  6  长江口长期验潮站分布示意图

      Figure 6.  Schematic Diagram of Long-Term Tidal Station Distribution in the Yangtze River Estuary

      这些验潮站的潮位观测零点的WGS84大地高程已通过水准联测获得,且深度基准值已通过多年的潮位数据进行调和分析后计算得到,各验潮站的平均海平面、深度基准面与WGS84参考椭球面之间的关系可确定出来。同时,根据已建立的垂直基准转换模型估计出各个验潮站处深度基准与WGS84参考椭球面之间分离量值。由于本文建立的转换模型大致覆盖到杨林、六滧港和共青圩3个验潮站,因此本文只在这3 ‍个验潮站处进行比对分析,其结果如表 1所示。

      表 1  深度基准与WGS84参考椭球基准间分离量模型估值和实测值比对

      Table 1.  Comparison of Transformation Model Estimates and Field Observation Value at Long-Term Tidal Stations

      站名 验潮零点
      WGS84大地高程/m
      平均海平面高(相对于验潮零点)/m 深度基准值(相对于长期平均海平面)/m 分离量Δh
      实测值/m
      分离量Δh
      模型估值/m
      误差
      /cm
      杨林 9.108 2.558 1.57 10.096 10.294 -19.8
      六滧港 10.287 2.489 1.73 11.046 11.304 -25.8
      共青圩 11.106 2.201 1.77 11.537 11.807 -27.0

      表 1可知,杨林、六滧港和共青圩3个潮位站实际观测得到的深度基准与WGS84参考椭球基准间的分离量分别为10.096 m、10.046 m和11.537 m,与模型估值比较所得的误差依次为-‍19.8 ‍cm、-‍25.8 ‍cm和-‍27.0 cm,3站误差绝对值均值为24.2 cm。相比模型中误差估值12.4 ‍cm,模型绝对误差要远大于中误差。其原因分析如下,在垂直基准转换模型构建中采用到的平均海面地形模型,尽管其中误差估值只有3.8 ‍cm,但根据卫星测高产品提供的各个节点每天动态海面地形的误差参数信息,可发现其误差范围大多数都在10~30 cm,精度差的甚至超过40 ‍cm。而本文采用的是平均海面地形模型,是将每个节点每天的动态海面地形值取算术平均,导致每个格网节点的平均海面地形的中误差迅速下降,但这并不能代表平均海面地形的准确。若卫星测高产品提供的海面地形信息中含有系统误差,即使求算术平均也无法消除或大幅度地削弱系统误差,会在实际应用中体现出来。从表‍1可以看到,垂直基准转换模型在杨林、六滧港和共青圩3‍个潮位站的误差均为负数,这说明该模型中很可能存在着系统偏差,导致了模型估值均小于实际观测值。尽管这需要更多的现场实测数据去验证这一假说,但可以确定的是,由于海面地形的测高产品在长江口这一典型河口水域的精度较差,在整体上也影响了后续构建的垂直基准转换模型的精度。

      国际水道测量组织(International Hydrographic Organization,IHO)规范[20]对水深测量精度有详细的要求。在将潮汐观测误差、垂直基准及垂直基准面转换等所有误差因素考虑在内,在95%的置信区间内,所允许的最大垂向不确定度应在(a2+b2d21/2以下。其中,a表示不随深度变化而变化的固定常数,b为系数,d为水深。在水深小于100 m水域,参数ab分别为0.5 m和0.013。而长江口南支末端水域,深度变化范围大致在10~60 m,因此结合垂直不确定度表达式,可得垂向上允许的最大不确定度为51.7~92.6 ‍cm。由此可见,本文所构建的垂直基准转换模型精度误差远小于IHO规范要求,具有实际应用意义。此外,本文构建河口水域海陆无缝垂直基准间转换模型的思想对后续该方向的研究也有借鉴意义,若能进一步改进沿岸水域海面地形或海平面模型产品精度,将大大改善垂直基准转换模型的精度。

    • 本文研究了无缝深度基准及其与WGS84参考椭球基准间转换模型的构建原理与方法,并在长江口南支水域进行建模实验及精度评估分析与验证。实验结果显示,垂直基准转换模型中误差估值为12.4 cm,与现场潮位站实际观测结果比对验证得模型误差绝对值均值为24.2 cm。其原因是由于海面地形测高产品在长江口水域精度较差,导致了误差绝对值远大于模型中误差估值。尽管如此,转换模型精度仍满足国际水道测量规范里对测深中垂向最大不确定的要求。

参考文献 (20)

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