無驗潮測深深度基準面的確定方法本科畢業(yè)論文

1、本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文)無驗潮測深深度基準面的確定方法the way to confirm depth datum of no tide sounding學 院： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2013年6月淮海工學院本科生畢業(yè)設計（論文）誠信承諾書1.本人鄭重地承諾所呈交的畢業(yè)設計（論文），是在指導教師的指導下嚴格按照學校和學院有關規(guī)定完成的。2.本人在畢業(yè)設計（論文）中引用他人的觀點和參考資料均加以注釋和說明。3.本人承諾在畢業(yè)設計（論文）選題和研究過程中沒有抄襲他人研究成果和偽造相關數據等行為。4.在畢業(yè)設計（論文）中對侵犯任何方面知識產權的行為，由本人承擔相應

2、的法律責任。 畢業(yè)設計（論文）作者簽名： 年 月 日畢業(yè)設計（論文）中文摘要無驗潮測深深度基準面的確定方法摘 要：海洋測量中深度基準面是圖載水深的起算面，深度基準面的確定是海洋測深的基礎工作。目前，隨著gps與海洋測深技術的不斷發(fā)展，gps與數字測深儀相結合的無驗潮測深技術已廣泛應用于海洋測量中。本文論述gps無驗潮測深技術的基本原理及常用方法；考慮到無驗潮測深區(qū)域與長期驗潮站的高程異常差距，分兩種情況論述了無驗潮測深深度基準面的確定方法：當測深在長期站附近時，直接求取該驗潮站的深度基準面大地高并采用；當測深離長期站較遠時，測深區(qū)域附近布設短期驗潮站，兩站利用cors進行同步水位觀測，確定短期

3、站深度基準面值，測深區(qū)域則采用該深度基準面。給出了無驗潮測深情況下，從gps實測的大地高轉換到以深度基準面為基準的圖載水深的計算方法。關鍵詞：無驗潮測深；深度基準面；深度基準面?zhèn)鬟f；圖載水深計算畢業(yè)設計（論文）外文摘要the way to confirm depth datum of no tide soundingabstract: the depth of the water is calculated form the depth datum in marine surveying, determining the depth datum is the basic work in mar

4、ine sounding. with the development of gps, it can measure a high precision 3d coordinate in real time, the accuracy of the coordinate can achieve centimeter level, which can meet the requirements of marine sounding. with the development of sounding technology, no tide sounding has been widely used i

5、n marine sounding. in this paper, we will discuss the basic principle of no tide sounding; analysis the commonly used method to calculate depth datum; we first calculate the depth datum in the tide station for a long time and pass it to temporary tide station, so we can have a unity depth datum, and

6、 we should research the relationship between vertical benchmark. under no tide sounding ,we must design an algorithm with which we can transform ellipsoid height to chart height. keywords: no tide sounding; depth datum; depth datum conversion; calculation of chart height目 錄1緒論11.1 課題研究意義11.2 國內外研究現狀

7、及發(fā)展趨勢11.3 本課題研究的內容22水深測量原理以及誤差分析22.1 海洋水深測量22.2 誤差分析33gps無驗潮測深技術53.1gps在海洋測繪中的應用53.2gps無驗潮測深原理及常用方法74深度基準面104.1深度基準面簡介104.2深度基準面發(fā)展114.3深度基準面概況124.4海洋無縫垂直基準的構建125深度基準面的計算135.1海洋潮汐135.2深度基準面的計算156無驗潮測深深度基準面的確定以及誤差分析186.1 測深區(qū)域離長期驗潮站較近時深度基準面的確定186.2 測深區(qū)域離長期驗潮站較遠時深度基準面的確定206.3 深度基準面確定的誤差分析257gps無驗潮測深圖載水深

8、的計算258 算例分析26結 論29致 謝30參 考 文 獻311 緒論1.1 課題研究意義海洋水深測量是繪制海圖最基本的工作。近年來隨著gps衛(wèi)星定位技術的不斷發(fā)展，由gps定位系統(tǒng)跟數字測深儀結合的無驗潮測深方法已在海洋測繪工作中取得廣泛的應用。無驗潮測深不需要設立水尺進行水位觀測，節(jié)約成本，能夠消除由于人工水位觀測帶來的誤差；并且無驗潮作業(yè)模式不受白天黑夜的影響，每天隨時都可以進行測深作業(yè)，提高測深作業(yè)效率；同時它還能得到一個即時水位，有效消除波浪等因素對船體造成的搖擺引起的測深結果誤差。是一種比較好的海洋水深測量方法。我們通常所認知的海底深度都認為是從海面到海底的垂直距離，然而船體所在

9、瞬時海面受到風浪、潮汐等各種因素的影響，海面會處于上下波動狀態(tài)，那么我們在不同時間，不同地點測的到的水深數據就沒有可比性，因此，我們就要構建一個統(tǒng)一的基起算面，最后的測深數據都要換算到這個基準面上，這樣才以便于測深數據的處理與分析，這就是我們所說的深度基準面。由于我國沿岸長期驗潮站數量的有限性，每個驗潮站潮位觀測的方法可能不相同，以及計算深度基準面所采用的方法也不盡相同，因此，每個驗潮站的深度基準面可能略有差異。并且，無驗潮測深區(qū)域可能離已有長期驗潮站比較遠，測深區(qū)域的基準面可能與長期驗潮站計算出的深度基準面不再同一等位面上，假如直接采用長期驗潮站的深度基準面作為無驗潮測深的深度基準面，可能對

10、測深數據的處理分析有一定的影響。鑒于此，海洋無驗潮水深測量作業(yè)時，所采用的深度基準面是至關重要的，確定出一個可靠穩(wěn)定的深度基準面對無驗潮測深數據的處理分析有著不可估量的作用。1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢我國通常根據驗潮站多年的潮位觀測，算出多年平均海水面并且推算出深度基準面的位置。一九五六年以后，我國統(tǒng)一將長期驗潮站的出現的理論最低潮面作為我國的海圖深度基準面。無驗潮測深時我國通常選擇在測深區(qū)域附近沿岸建立一個短期驗潮站，再對其進行水位觀測，得出一段時期內潮位觀測資料，由于時間條件受限制，短期驗潮站的潮位觀測資料還不足以用來計算一個穩(wěn)定可靠的深度基準面。我們需要利用長期驗潮站已有的穩(wěn)定可靠

11、的深度基準面資料，傳遞推估出所建立的短期驗潮站的深度基準面位置，將其作為無驗潮測深作業(yè)時應該采取的基準面。國外一些國家所采用的深度基準面也不盡相同，比如，日本采取的基準是東京靈岸島驗潮站多年觀測水位的平均值；美國采取的基準是波特蘭驗潮站多年觀測水位的平均值；澳大利亞的大多數國家，比如挪威、德國等國家采用的海洋測量深度基準面是最低天文潮面。由于我國各個驗潮站進行潮汐觀測時所采用的觀測手段不一致，導致各個驗潮站算出的基準面可能有差異，這就會導致我們每個地方的海洋測深數據不能共享。假設我們能夠確定出一個海洋測繪中統(tǒng)一的垂直基準，對我們所測的資料成果共享甚至是海洋跟大陸的一些測量成果的拼接都有很大的意

12、義。至今也有學者提出將海平面作為垂直基準。海道測量實踐表明，不管是長期驗潮站平均海平面的直接計算還是短期站平均海平面的傳遞都可達到較高精度。因此我們若把當地的平均海平面作為垂直基準，就可以獲得用該基準起算的平均水深。當然，也有學者認為wgs參考橢球面也可以作為統(tǒng)一的垂直基準，可以將測的大地高轉換為海圖高。實際上也就建立了一個局域無縫的垂直基準面。1.3 本課題研究的內容本文前面主要介紹海洋水深測量的基本原理，以及gps與數字測深儀相結合的無驗潮測深的基本原理及作業(yè)流程。闡述深度基準面的定義以及理論深度基準面的算法。后面論述兩大種確定無驗潮測深深度基準面的方法，并進行分析比較，給出無驗潮測深圖載

13、水深的計算方法，并且舉例說明確定深度基準面的方法，最后得出結論。2 水深測量原理以及誤差分析2.1 海洋水深測量海洋水深測量是海洋測量中的基礎工作，是海底地形測量最基本的要素。從過去到現在，海洋測深也經歷了很多個發(fā)展階段，從最早的測繩重錘測量到現今的多波束測深系統(tǒng)，甚至以后還會發(fā)展成利用遙感技術進行水深測量。2.1.1 常用的測深方法隨著人們對海洋測深技術的不斷研究發(fā)展，海洋測深技術越來越變得高效率、高精度，從以前的測深繩、測深桿等點測深發(fā)展到現在的激光測深，遙感測深等面測深。由單波束測深發(fā)展成為多波束測深，大大的提高了測深效率。由于單波束測深系統(tǒng)只能測得某一點的深度，不利于提高作業(yè)效率，因此

14、，由單波束測深系統(tǒng)發(fā)展而來的多波束測深系統(tǒng)更加得到廣泛的應用。多波束測深系統(tǒng)能同時測得與航線垂直面內的幾百個點的深度，相比單波束而言，具有測深范圍更加廣、更加穩(wěn)定、更加自動化、數據處理更快等優(yōu)點。海面海底單波束測深多波束測深圖2-1 單波束測深與多波束測深2.1.2 水深測量原理在海洋水深測量中，我們通常采用回聲測深儀進行水深測量，回聲測深儀是由安裝在船底的換能器、發(fā)射裝置、接收裝置、顯示屏等部分組成。換能器垂直向下發(fā)射聲波，傳到海底再反射回來接收，從而算出船到水底的深度。船底換能器海底脈沖信號圖2-2 回聲測深原理圖如圖2-2所示，換能器安裝在測量船底下，豎直地向海底發(fā)射一個脈沖信號，到達海

15、底后反射回來，接收機裝置接收反射回來的信號。假設脈沖信號從發(fā)射到接收總共經歷的時間為t，脈沖信號在水中的傳播速度為c，換能器的吃水深度為d，則海面到海底的深度h可表示為：h=ct+d (2-1)由于海洋測量中，描述海底深度都要從深度基準面算起，因此，我們要將實測到的水深減去深度基準面以上的距離d。那么我們就可以得出對于深度基準面的海圖高z的計算公式：z=ct+d-d (2-2)2.2 誤差分析2.2.1 波浪引起的水深測量誤差測深船在海上進行作業(yè)時，有很大的概率會遇到波浪，在海面上的分布也比較廣，波浪很容易使得船體姿態(tài)發(fā)生一些變化，比如使船體產生上下左右的搖晃，還能使得船體不斷的升沉，那么這些

16、很顯然都會對我們的測深作業(yè)產生一定的影響。我們就得對船體各種姿態(tài)的變化進行分析，以便于減弱波浪對海洋測深的影響。照理論，船體下面的發(fā)射機換能器應該是垂直的向海地發(fā)射脈沖信號，但是由于波浪對船體姿態(tài)造成的影響，發(fā)射出去的脈沖信號就不會真正的垂直于海底，而是發(fā)射到了測深點的左右兩邊或者前后兩處，會發(fā)生一定的偏差，這就導致我們測深結果有一定的誤差。如圖2-3所示，當波浪使得船體發(fā)生橫向的搖擺時，擺動角度為，則實際的測深為pa1，而理論上的深度應該為pa，因此，波浪對船體造成的橫搖會對測深結果有一定影響。x垂直于測深線的海底換能器底部圖2-3 船體橫搖產生的測深誤差同理，如圖2-4所示，波浪對船體造成

17、縱搖時，產生偏角度，使得理論的水深pb與實測水深pb1有一定誤差。y平行于測深線的海底船底換能器pbb1圖2-4 船體縱搖產生的測深誤差2.2.2 船速引起的水深測量誤差在海洋水深測量中，船速是一個很重要的因素。如果船速過慢，那么我們水深測量的效率就會變低，然而，如果船速過快，那么我們水深測量的結果精度就不夠高。因此，測深作業(yè)時，要選擇合理的開船速度。2.2.3 水位觀測引起的誤差由瞬時海面實測的水深換算到以深度基準面為基準的海圖高需要進行水位觀測，也就是我們所說的驗潮。常規(guī)人工驗潮很難捕捉到準確的瞬時的潮高，潮位觀測時人為因素等會造成水位改正誤差。對最終水深數據造成一定的影響。因此，可以看出

18、常規(guī)驗潮水深測量精度還是不夠穩(wěn)定的。3 gps無驗潮測深技術3.1 gps在海洋測繪中的應用3.1.1 gps應用于海洋測繪一切與海洋有關的活動，比如說海洋工程的建設，海洋環(huán)境的研究等都離不開海洋測繪單位提供的各種數據以及圖文。所以，我們進行的海洋測繪工作是相當基礎而又甚是重要的。海洋測繪經過了近十年的不斷發(fā)展，海洋測繪采用了各種高新技術，比如gps，遙感等，使得我國海洋測繪水平有了很大的提高。由于gps有很良好的技術特性，測量精度高，測量速度快，將其應用到海洋測量，能夠很大程度上提高海道測繪的效率。全球定位系統(tǒng)簡稱為gps。gps導航系統(tǒng)是基于全球24顆衛(wèi)星進行工作的，它能夠隨時隨地的向全國

19、擁有gps接收機的用戶提供他們所在的地理位置信息。它由三部分構成，如圖3-1所示，一是由主控站、監(jiān)測站、注入站組成的地面支持系統(tǒng)；二是由24顆gps衛(wèi)星組成的空間部分；三是gps用戶設備部分。衛(wèi)星發(fā)射信號跟gps接收機接收到這個信號之間有一段時間差，gps接收機通過計算這算時間差，求得衛(wèi)星跟gps接收機之間的距離，利用衛(wèi)星瞬時的位置確定出地面點的位置，這一特點能廣泛應用于海洋測繪，比如用于海洋大地測量，海洋資源開發(fā)等等。gps是現代全新的定位方法，由于其定位精度較高，尤其是rtk定位精度可達厘米級。已經取代了很多傳統(tǒng)的測繪儀器。1980年以后，gps定位技術不僅僅在陸地測量中使用的比較多，也逐

20、漸的應用到海洋測繪中，空間gps衛(wèi)星gps用戶設備部分監(jiān)測站主控站注入站地面支持系統(tǒng)圖3-1 gps定位系統(tǒng)組成部分3.1.2 gps海洋定位常用差分系統(tǒng)gps常用的定位系統(tǒng)有信標差分定位、cors、rtk等。信標差分系統(tǒng)：近年來，沿海地區(qū)信標機的設立為海洋測繪提供了基礎，它為海上船舶的運輸安全，以及一些海洋建設工程，海洋水深測量提供了技術上的支持。每一臺信標機都在不斷的發(fā)送差分數據，這樣，用戶一旦擁有了gps跟信標二合一接收機，就可以得到相對精度的定位結果。cors：基準站通過網絡模式發(fā)送差分數據，用戶接收差分數據的同時，也接收gps衛(wèi)星信號，就能進行實時的定位。cors網絡覆蓋的范圍大，因

21、此，用戶可以在大范圍內進行作業(yè)。rtk：rtk也分網絡模式跟電臺模式，網絡模式由服務商幫用戶登錄服務器，直接架設基準站，通過網絡將差分數據發(fā)送給移動站，用戶直接獲取精度較高的三維坐標；電臺模式需要在基準站架一個電臺，發(fā)送差分數據，繼而移動站經過系統(tǒng)內部數據處理得出定位結果?，F在rtk在海洋測繪上已經得到廣泛應用，圖3-2表示了gps技術跟數字測深儀結合的無驗潮測深技術。換能器gps天線前拉繩后拉繩水面圖3-2 gps用于無驗潮測深3.1.3 gps應用在海洋測繪中的優(yōu)勢全球全天候實時定位：由于gps的24顆衛(wèi)星分布相對均勻，這就使得無論用戶在哪個地方，接收機都能至少接收到4顆衛(wèi)星的信號，且海洋

22、上視野開闊，能觀測到更多的衛(wèi)星，能更快的給出定位結果。定位精度高：假設在離長期驗潮站不遠的地方測深作業(yè)，采用rtk模式，測深精度可達12厘米，足以滿足海洋測深的精度要求。觀測時間短：移動站作業(yè)時在具有一定條件時，可以設置成兩秒測一次，大大減少了工作的時間。海洋視野開闊：gps作業(yè)時要求周圍視野相對開闊，這樣就很快的能夠進入固定解。恰好海洋上視野相當開闊，為gps的無驗潮測深作業(yè)提供了一個良好的作業(yè)環(huán)境。操作方便：現在gps產品變得越來越自動化，測深工作者只需稍加學習便可熟練掌握。 基準統(tǒng)一：gps測量可獲取測點平面坐標數據以及高程數據。另外，其定位結果是在全球唯一的wgs-84坐標系統(tǒng)中解算的

23、，因此全球不同地點的測量成果是相互關聯的。3.2 gps無驗潮測深原理及常用方法目前，傳統(tǒng)海洋水深測量中，我們都是通過人工驗潮的方式確定圖載水深，然而，水位改正又恰恰是影響水深測量精度最重要的因素，因此，傳統(tǒng)人工驗潮測深方法誤差可能相對較大。近年來，隨著人們對gps技術的不斷研究跟發(fā)展，gps技術已經廣泛應用于海洋測繪中各個領域，尤其是近年實時動態(tài)載波相位差分技術（rtk）的發(fā)展，為我們的海洋水深測量提供了一個更有效的途徑。rtk技術能夠精確的測定觀測站的三維坐標，精度可達厘米級，已經滿足了海洋水深測量的精度要求。除此之外，還可以用覆蓋范圍較廣的cors系統(tǒng)來進行無驗潮水深測量，近年來，我國沿

24、岸也設立了不少信標機，作業(yè)時，通過接收差分改正信號也可實現無驗潮水深測量。因此，由gps定位系統(tǒng)跟數字測深儀相結合的無驗潮測深技術已經在海洋水深測量中獲得廣泛的應用。3.2.1 gps-rtk無驗潮測深原理如圖3-3，用戶首先將一臺gps接收機安置在沿岸長期驗潮站控制點上，假如用電臺模式的話，還需在基準站架設電臺用于傳播差分數據，對已知控制點進行觀測，并且與其已知數據進行對比分析，將誤差數據通過電臺發(fā)送給在海洋上測深的移動站gps接收機，測深的gps接收機通過內部數據處理分析，能夠得出一個相對精度的三維坐標，其中就有包含有高程，再通過數學關系求出實測的大地高轉換到深度基準面以下的圖載水深。假如

25、需要采用網絡模式，用戶測深人員首先需要請服務商幫他們的兩臺gps接收機都登上網絡，那么用戶只需在沿岸長期站控制點上假設接收機而不需要架設電臺，差分數據都是通過網絡發(fā)送給海洋上的測深船上的gps接收機。岸上基準站連續(xù)地觀測gps衛(wèi)星，流動站的gps接收機安置在數字測深儀換能器的上端，要求在同一垂線上?；鶞收就ㄟ^數據鏈將觀測到的相位觀測值、已知數據等實時地傳輸給流動站，測深儀上面的流動站在接收基準站傳輸過來數據的同時，自己也不斷的觀測gps信號，在系統(tǒng)內通過處理差分值以及觀測數據，最終解算出測深點的三維坐標。當岸上基準站與海上流動站距離小于20 公里時，將岸邊的高程異常與海洋上測深點的高程視為一致

26、。即： (3-1)wgs84橢球面高程基準面海面岸邊基準站換能器測深點海底圖3-3 rtk無驗潮測深示意圖我們在長期驗潮站確定出深度基準面的大地高，深度基準面大地高具體算法在之后章節(jié)給出。當測深點與長期驗潮站在20 公里范圍之內時，我們無驗潮測深就采用該基準面。那么，測深點的圖載水深計算就可以用圖3-4的位置關系求出。 wgs84橢球面瞬時海面換能器gps天線測區(qū)深度基準面海底hdd圖3-4 無驗潮計算水深圖中，h為gps接收機測出的大地高；d為測深儀實測出的換能器到海底的距離；為測深儀換能器到gps接收機天線的垂直距離；為wgs-84橢球面到海底的距離；為深度基準面到wgs-84橢球面的距離

27、；那么海底某點的海圖高d： (3-2)上式中未涉及到水位數據，也就是說不需要進行人工驗潮來確定圖載水深，也即我們所說的無驗潮測深。這種測深方法消除了傳統(tǒng)測深中人工驗潮所帶來的誤差，是一種理想的海洋測深方法。3.2.2 cors用于無驗潮測深考慮到rtk差分信號改正受到距離的限制，假設海面測深區(qū)域與長期驗潮站的距離大于30公里時，rtk可能不能正常工作，對測深結果造成一定影響。隨著近年來我國越來越多cors站建立，為海洋測深提供了技術支持，海洋測繪中利用cors進行無驗潮測深能夠擴大作業(yè)范圍，這種作業(yè)模式解除了rtk無驗潮測深受到距離限制的困擾，對無驗潮測深作業(yè)工作效率的提高有很大幫助。我們求出

28、附近長期驗潮站的高程異常以及深度基準面大地高，通過內插法能夠求出測深點的高程異常，有了高程異常值以及深度基準面的大地高，通過計算機技術，不難確定出實時圖載水深。3.2.3 信標差分用于無驗潮測深gps衛(wèi)星國家已經在我國沿海區(qū)域設立了多個信標臺站，這樣我們就可以考慮用信標差分技術進行無驗潮測深。將一臺gps接收機架設在已知的基準點上，叫做信標臺站接收機，在測深點的船上安置gps以及信標差分二合一接收機，就可以進行獲取具有相當精度的三維坐標。雖然其定位精度沒有rtk精度高，但其作業(yè)區(qū)域可以遠離基站，這也是優(yōu)于rtk的地方，在沿海一帶也受到了廣泛的應用。gps信標二合一天線信標發(fā)射臺差分數據沿岸信標

29、站臺無驗潮測深點gps天線圖3-5 信標差分無驗潮測深示意圖3.2.4 無驗潮測深技術優(yōu)缺點高精度：當外界環(huán)境滿足gps工作條件時，在一定范圍內，gps所測得的三維坐標精度可達厘米級，數據可靠性高，而且還沒有誤差累積。高效率：gps能夠實時的測出某點的坐標，海上測深作業(yè)速度快。而且還可以全天候進行作業(yè)，除特殊天氣外。數字測深儀與gps數據線用數據線相連接，測深數據自動保存，測深作業(yè)效率高。利用gps與測深儀進行無驗潮水深測量時，能夠有效的解決由海面風浪以及動態(tài)吃水引起的測深誤差。同時，還能避免傳統(tǒng)人工驗潮帶來的水位改正誤差。并且這些潮位數據都是來自岸邊長期驗潮站的潮位觀測數據，這與我們無驗潮測

30、深點的潮位數據可能有點差異，導致測深結果的精度不夠，且人工很難捕捉到一個精確的瞬時潮位數據。因為gps工作要實時的接收基準站發(fā)來的差分信息，當測深區(qū)域與基準站距離很遠時，gps可能不容易得出固定解，對測深結果精度影響較大。而且，假如基準站的坐標精度本身就有問題則對我們無驗潮測深結果也有一定一定影響。因此要選擇合適的基準站位置。隨著gps技術與海洋測深技術的不斷發(fā)展，利用gps與數字測深儀相結合的無驗潮測深技術將在海洋測量中擁有廣闊的前景。4 深度基準面4.1 深度基準面簡介測量人員若要測量陸地某點的高程或者是海洋的水深，都必須有一個起算面，起算面就是起算的零面，也叫做基準面。一個國家或地區(qū)確定

31、的基準面必須要科學和穩(wěn)定，因為它對測繪、測圖海岸建設、地殼升降以及海洋學等各個學科都有著非常重大的意義。海區(qū)各點的水深是指從深度基準面到海底泥面的垂直距離。深度基準面就是海圖基準面，它位于多年平均海平面以下l的地方。海洋水深測量通常在受風浪影響，不停波動的水面上進行，因此相同的地方不同時間去測，各次的測深結果可能都有一定出入。這個出入與波浪的大小有一定關系，在一些海面相當明顯。為了使得不同時間不同地點所測水深有一定可比性，必須確定一個統(tǒng)一起算面，使不同時間測的水深都從這個面開始起算，這個面就是深度基準面。求算深度基準面時既要考慮到海面上艦船的航行安全,也要考慮水深的利用率。由于每個國家求l值的

32、方法都不同，所以計算出來的深結果也不相同。我國現在使用的是理論深度基準面。如圖4-1所示，深度基準面是在多面平均海面往下l的地方，海底某一點的圖載水深d就是從深度基準面到海底的垂直距離。多年平均海面深度基準面l圖載水深d海岸圖4-1 深度基準面示意圖4.2 深度基準面發(fā)展特大潮低潮面：三十年代初期，國家政府，海軍，和美國海軍在海洋事務的數據，是以特大潮低潮面為深度基準面。民國三十五年，英國仍然以特大潮低潮面為深度基準面進行海圖的測繪。尋常大潮低潮面：宣統(tǒng)三年以前，上海航道局將尋常大潮低潮面作為作業(yè)的深度基準面。同時也將其作為一些航道整治工程的起算零點。與吳淞零點相比較，尋常大潮低潮面高于吳淞零

33、點0.43米。略最低低潮面：甲午戰(zhàn)爭以前，日本采用略最低低潮面作為本國深度基準面。在抗日戰(zhàn)爭期間，我國海軍測量局在測量兩地之間長江河道圖時，采用的深度基準面也是略最低低潮面。中華人民共和國成立之后，1949年到1958年期間，我國深度基準面仍然是略最低低潮面。最低低水位：宣統(tǒng)三年，上?？Ｆ止こ炭偩旨瓷虾：降谰指鶕诟鱾€驗潮站歷年的水位觀測資料，將最低低水位作為深度基準面。這個深度基準面是與上述三個深度基準面相比，是一個高度最低的基準面。理論深度基準面：理論深度基準面是指根據分潮組合可能出現的最低水位，利用弗拉基米爾斯基方法計算得到的理論上可能出現的最低潮位面。1956年起，我國海軍司令部以及

34、海道測量部在進行海洋測繪作業(yè)時，采用的深度基準面是理論深度基準面。1958年，長江口海洋測繪時首次采用了理論深度基準面理論深度基準面，1959年在測量杭州灣的時候也是采用理論深度基準面。1967年，利用長江口的、瀏河口、外高橋、吳淞、橫沙、長興、中浚、南門港、奚家港、堡鎮(zhèn)等水位站連續(xù)30天的同步潮位觀測資料，計算理論最低潮面，并對其進行適當調整，計算出長江口的深度基準面，并于1967年8月開始使用。1971年我國再次調整了深度基準面。調整的依據是1971年3月4月，江陰以下的27個驗潮站30天的同步潮位觀測數據。這一次的調整范圍比較廣，資料很完善，計算出的結果也很合理。這次調整，年平均海平面被

35、平均年最低水位替代了，相當于對其進行了長周期改正。1975年6月，國家海軍司令部，海道測量部以及海洋局在天津召開會議，會議研究了多個 開放港口深度基準面值，并且對上海市長江口地區(qū)的某些水位站深度基準面數值進行適當調整。其余不變。1990年12月起開始實施的海道測量規(guī)范指明，將之前海洋測繪中的理論深度基準面進行改名，改過后叫理論最低潮位。同時規(guī)定，在確定理論最低潮面時，需要對其進行長周期改正，因此計算理論最低潮面時要考慮長周期分潮訂正。4.3 深度基準面概況各個國家采用的深度基準面的概況如下：略最低低潮面：它指在當地平均海面之下的距離。采用略最低低潮面的國家有印度、日本。1956年以前我國也采用

36、它。平均低潮面：美國大西洋沿岸、瑞典的北海地區(qū)和荷蘭等國采用它。平均低低潮面：美國的太平洋沿岸、菲律賓和夏威夷島采用它。最低潮面：法國、西班牙、葡萄牙、巴西等國采用它。平均大潮低潮面：歐洲的若干個國家采用它。理論深度基準面：理論深度基準面各地的高度不同，潮差的大小會影響理論深度基準面的高度。理論深度基準面為我國的法定深度基準面。4.4 海洋無縫垂直基準的構建瞬時海面平均海平面深度基準面1985國家高程基準大地水準面海底wgs84橢球portgq圖4-2 各面之間位置關系示意圖我國現有的垂直基準有wgs84參考橢球、大地水準面、海圖基準面等。圖4-2中，pq為gps所測的瞬時海面的大地高h; p

37、g是p點的正高h;oq為多年平均海平面的大地高;rg為大地水準面和國家高程基準之間的差值;or為以國家高程基準面作為基準面的海面地形;ot為海圖深度基準面的值l;tq為深度基準面的大地高;tg記作深度基準面的正高;gq為利用大地水準面模型法計算得到的大地水準面差距n?？紤]到不同的長期驗潮站驗潮方式不同，求出的基準面組合確定出來的深度基準面可能會有一定的偏差，不便于建立一個統(tǒng)一的海洋垂直基準。近年來，不少學者提出構建海洋無縫垂直基準的構想。海道測量時實踐表明，平均海平面的觀測精度以及計算精度都很高，假設用平均海平面作為垂直基準，就可以獲得以該基準表示的水深。并且可以用于表示海洋深度基礎地理信息的

38、表示。因為gps越來越多的用于無驗潮測深，所以設計出一個從大地高換算到海圖高的算法具有很大的用處。2003年有學者提出將參考橢球面作為海洋統(tǒng)一的無縫的垂直參考基準的思想。因為gps實測的大地高可以通過兩步轉換步驟，轉到到海圖高。先用基于大地水準面的幾何修正法從大地高到正高，再用橫斷面線性內插法從正高到海圖高。這過程實現了橢球面到深度基準面的轉換，實際上也就是建立了一個無縫的統(tǒng)一的垂直基準面。5 深度基準面的計算海洋的水深不僅隨地理位置變化，還因為受到潮汐的作用而隨著時間變化。為了使不同地方所測的水深數據有一個可比性，需要確定一個基準面，使測深數據都從該面起算，這個基準面就叫做深度基準面。5.1

39、 海洋潮汐5.1.1 潮汐要素高潮跟低潮：在海面升降的一個潮周期中，高潮是指海面上升到最高的時候，低潮是指海面下降到最低的時候。平潮跟停潮：海面達到高潮的時候，海面暫時停止升降的現象叫做平潮；在低潮時海面暫時停止升降的現象叫做停潮。漲潮跟落潮：海面從低潮慢慢地上升到高潮叫漲潮；海面從高潮逐漸下降到低潮叫落潮。高高潮、低高潮、低低潮、高低潮：一天之中的兩個高潮和兩個低潮中，高的高潮叫高高潮，低的高潮叫做低高潮，低的低潮叫做低低潮，高的低潮叫做高低潮。潮差：相鄰的高潮與低潮之間的潮位高度差就叫潮差。時間潮高低高潮高高潮落潮漲潮周期低低潮高低潮落潮時漲潮時圖5-1 潮汐要素示意圖5.1.2 潮汐觀測

40、潮汐觀測也叫驗潮，驗潮的目的是獲得當地的潮位觀測數據，以便計算當地的潮汐調和常數、有了潮汐調和常數，就能確定出該地的多年平均海面，也可以計算理論深度基準面，這些數據都可以提供給海洋測繪、軍事等部門使用。常用的潮汐觀測方法有：水尺驗潮：水尺是指一根長度大約三到五米長的刻度尺，其最小刻度一般為厘米。通常將其固定在巖壁上，驗潮人員可以在一天中規(guī)定時間去讀取水位數據，制成潮位觀測表，以便使用。井式驗潮儀：主要由潮井、浮筒、記錄裝置三個部分組成。其工作原理：記錄轉筒隨著水面上浮筒的起伏而轉動，使得記錄針在記錄滾筒上的記錄紙畫線，達到自動記錄潮位的目的。壓力式驗潮儀：壓力式驗潮儀從結構上來分可以分為機械式

41、和電子式。機械式驗潮儀主要由u型管、水壓鐘、記錄裝置等部分組成。基本原理：通過海面的升降產生的壓力變化，反映出潮位的變化。除了上述這些驗潮方法，常用的還有電子水壓驗潮儀以及超聲波潮汐計等等，每種驗潮方法各有其優(yōu)缺點，我們應該根據具體情況，選擇合理的驗潮方法。5.1.3 實際海洋潮汐的潮汐高實際海洋潮波是天體引潮力作用下的一種波動，由于陸地存在、海底地形起伏變化、海底摩擦及地球自轉等影響，潮波變化十分復雜，某一潮位站的潮汐觀測僅是對復雜潮波系統(tǒng)在這一點振動的采樣。雖然在單個驗潮站實際觀測的潮高變化與平衡潮理論給出的理論潮高有很大差別,各種頻率成分(分潮)的貢獻與這些頻率成分之間的理論比值也不同，

42、但實際海洋必然要在天文引潮力的源動力下作相同頻率的振動，或海水系統(tǒng)對引潮力各分量做出頻率成分相對應的響應。因而可以將實際潮汐分成許多有規(guī)律的分振動，這些分離出來的具有一定周期、一定振幅的分振動就叫分潮。表5-1 8個主要分潮周期及其相對振幅分潮符號名稱周期相對振幅（取m2=100）m2s2n2k2k1o1p1q1太陰主要半日分潮太陽主要半日分潮太陰橢率主要半日分潮太陰-太陽赤緯半日分潮太陰-太陽赤緯全日分潮太陰主要全日分潮太陽主要全日分潮太陰橢率主要全日分潮12.42112.00012.65811.96723.93425.81924.06626.86810046.519.112.754.441

43、.519.37.95.2 深度基準面的計算5.2.1 平均海面平均均海面也叫海平面。它是指一定觀測期數內的海面高度平均值，由相應期間內潮位觀測資料獲得，海平面高度是指從驗潮站零點到海面的高度。平均海平面分為月平均海面、日平均海面以及年平均海面。每天、每月和每年的平均海面都是變化的。通常驗潮站的水位觀測值的時間間隔為一個小時，因此，實際計算海平面時常用的方法是對n個小時內的觀測值直接取平均數。 (5-1)上式中h為水位觀測值，n為觀測個數，當已知多個短期平均海面時，也可以由短期平均海面計算長期平均海面值，例如用月平均海面計算年長期平均海面，年平均海面計算多年平均海面。即在平均海面的基礎上計算月平

44、均海面、而由月平均值求年均值及多個年均值求多年平均值。這些平均海面分別稱為日、月、年和多年平均海面。事實上，平均海面作為潮汐振動的起算面，本身可以看作零頻分潮，這樣計算的平均海平面的意義是潮汐振動的平衡面。利用長時間的潮汐觀測數據，采用算術平均可以很好的消除非潮汐因素的影響，獲得較高精度的海平面高度。5.2.2 深度基準面的計算深度基準面的計算主要是確定出多年平均海面之下l的值?，F今每個國家計算深度基準面都采用不同的方法。有些國家計算略最低低潮面; 有的計算平均低潮面; 也有的采用平均低低潮面; 也有國家用平均大潮低潮面; 我國現今采用的是理論深度基準面。理論深度基準面的計算方法是由弗拉基米爾

45、斯基提出的?；居嬎阍硎怯嬎阌蒻、s、n、k、k、o、p、q幾個分潮疊加的值相對于長期平均海面可能出現的最低水位，并附加考慮淺海分潮m、m和m及長周期分潮sa和的一些影響。當時，用m2, s2, n2, k2, k1, o1, p1, q1 8個分潮的調和常數計算理論最高跟最低潮位，從平均海面起算的潮位： (5-2)式中 (5-3)得 (5-4)將式(5-4)代入(5-2)，得 (5-5)將m2與o1,s2與p1,n2與q1進行合并，例 (5-6)則式(5-5)變?yōu)?(5-7)式中 (5-8)對式(5-8)取,用來計算最高潮位h，取，用來計算最低潮位l。 (5-9) (5-10)取代入式(5

46、-9)，(5-10)進行計算，從中取最大的h作為理論最高潮位，取絕對值最大的l作為理論最低潮位。采用計算出來的理論最低潮位作為深度基準面，稱為理論深度基準面。為了得到合理的理論最高跟最低潮位，式子(5-9)跟(5-10)中應該選擇最大的，從表5-2中可看出，當n=時，k1，o1的f最大，m2,s2的f最??；而當n=時，m2,n2的f最大，k1,o1的f最小?？紤]到半日潮海區(qū)，以m2,s2,n2,k2為主的情況下，對正規(guī)半日潮海區(qū)取各分潮n=的f值，對正規(guī)日潮區(qū)，取各分潮n=的f值，對混合潮海區(qū)，取n=以及n=兩者都進行計算，從計算結果中選取絕對值最大的h，l作為所求的理論最高，最低潮位。表5-

47、2 交點因子f分潮升交點黃經nm2s2n2k2k1o1p1q1m4ms4m60.9631.0000.9631.3171.1131.1831.0001.1830.9280.9630.8941.0001.0001.0001.0161.0151.0241.0001.0241.0001.0001.0001.0381.0001.0380.7480.8820.8061.0000.8071.0771.0381.1181.0001.0001.0001.0161.0151.0241.0001.0241.0001.0001.0005.2.3 平均海面季節(jié)訂正按照8個分潮的調和常數計算理論最低潮位時，都沒有考慮長周

48、期分潮的影響，而在我國沿海年周期分潮和半年周期分潮具有相當大的振幅，致使冬春季的月平均海面比年平均海面低，例如在渤海低30cm左右。為此需要對理論最低潮位進行季節(jié)訂正，使其下移。為該海區(qū)最低的月平均海面與年平均海面之間的高度差。也可以按照，分潮的調和常數計算。5.2.4 淺水分潮訂正對于淺水分潮大的海區(qū)，應當對以上計算的理論最低潮位進行淺水分潮訂正。從上面計算中找出使得潮位最低時的，再計算各個分潮的位相。能夠得出包含淺水分潮影響的理論最低潮味?？紤]了淺水分潮之后，理論最低潮位所對應的就會有可能出現一定的偏差，要是想得到真實的理論最低潮位，可在前后一定區(qū)間內，照著上面的公式多算幾次，以便求出絕對

49、值最大的l值，作為理論深度基準面。6 無驗潮測深深度基準面的確定以及誤差分析6.1 測深區(qū)域離長期驗潮站較近時深度基準面的確定由于現今各個國家采用的深度基準面的算法都不盡相同，因此現今的海圖深度基準面都是不統(tǒng)一的。我國沿岸長期驗潮站采用的驗潮方式都不同，而且，我國長期驗潮站的數量有限，不可能為不同時間不同地點的測深工作提供一個精度較高的深度基準面。鑒于此，考慮到長期驗潮站各垂直基準間位置關系均為已知，考慮以wgs84橢球面為基準，在長期驗潮站架設gps站，通過數學關系，我們不難求出長期驗潮站的深度基準面的大地高。這樣，無驗潮測深的圖載水深也就很容易求出。當測深區(qū)域與長期驗潮站距離不遠的情況下，

50、高程異常較小，不影響測深精度的情況下，這個深度基準面的大地高也就是我們無驗潮測深區(qū)域應該采用的深度基準面。求長期驗潮站深度基準面大地高可以用多年平均海水面或者瞬時海面。wgs84橢球面gps天線水準點多年平均海面高程基準面深度基準面l圖6-1 長期驗潮站深度基準面大地高求定示意圖（一）如圖6-1所示，h為長期驗潮站gps實測得到的大地高數據，gps天線跟水準點之間的距離通過丈量可得到設為，水準點的高程設為h，通常情況下多年平均海水面都是由高程基準面推算得出，因此可視為已知量；也可以通過相關資料查詢到每個地方當地平均海面在1985國家高程基準之上的距離。長期驗潮站的深度基準面值l多為經驗值，也可

51、由參照理論深度基準面算法采用潮汐調和分析方法計算得出。因此，從圖6-1中可以看出，長期驗潮站的深度基準面大地高就可表示為： (6-1)則無驗潮測深區(qū)域所采用的深度基準面大地高就為，深度基準面大地高求出后，通過后期數據處理，我們不難求出圖載水深。具體算法將在后面給出。wgs84橢球面瞬時海面gps天線深度基準面瞬時潮高圖6-2 長期驗潮站深度基準面大地高求定示意圖（二）從潮汐表上我們可以看到每個時刻從深度基準面起算的瞬時水位，gps天線能實測大地高h，我們量出gps天線到瞬時海面的距離記作。我們即可求出深度基準面的大地高： (6-2)此方法誤差源比較多，例如人工丈量gps天線到瞬時海面的距離有誤

52、差，而且工作流程比較繁瑣。不建議采用。6.2 測深區(qū)域離長期驗潮站較遠時深度基準面的確定考慮到長期驗潮站數量的有限，以及所在測區(qū)也不一定在長期驗潮站附近，即測深區(qū)域與長期驗潮站的高程異常差距較大，假設我們直接將長期驗潮站的深度基準面?zhèn)鬟f到測深區(qū)域，對無驗潮測深的成果影響比較大，精度不夠，因此我們在測區(qū)附近設立短期驗潮站就行水位觀測以便與長期驗潮站進行聯測，求出精度較高的深度基準面，即無驗潮測深該采取的深度基準面。由于我們對短期驗潮站只進行了短期的潮位觀測，只有短期的驗潮資料，該驗潮站的潮汐調和常數不夠穩(wěn)定，采用獨立求定法求出的深度基準面也不夠穩(wěn)定。在時間條件不允許的情況下，我們只能利用附近已有

53、的長期驗潮站資料，傳遞推估出臨時驗潮站的多年平均海水面跟深度基準面。6.2.1 短期驗潮站平均海面?zhèn)鬟f數學模型6.1.1.1 水準聯測法如圖6-3所示，長期驗潮站的多年平均海面已經確定，水準點a與多年平均海面的高差為。將長期驗潮站跟短期驗潮站的多年平均海面高度視為在同一個等位面上。在短期驗潮站設立水準點b，假設兩站水準點可以陸路相通，則可以直接可以進行水準觀測。那么求得水準點a跟水準點b之間的高差為，那么短期驗潮站的多年平均海面與水準點b之間的高差： (6-3)在通過測量短期驗潮站水準點與水尺零點之間的高度，就容易得到短期驗潮站多年平均海水面在水尺零點之上的讀數。該方法適用的情況：兩驗潮站距離不是很遠，能夠忽略海平面地形的影響，并且兩者兩驗潮站之間所測的高差精度要較高。水準點a多年平均海面水準點b長期站水尺零點短期站水尺零點圖6-3 水準聯測法示意圖6.1.1.2 同步改正法短期驗潮站具有短期水位觀測資料，取附近長期驗潮站同步的