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海洋无缝垂直基准构建理论和方法研究

柯灏  
【摘要】:海洋无缝垂直基准及其建立是近年来海洋测绘研究领域的一个热点问题,也是一个难点。海洋无缝垂直基准是海洋、内陆江河流域以及水陆交界区域测量活动的垂直起算基准,具有①连续、无缝;②稳定,一经确定后不得变化;③符合人类海洋测绘等相关活动的使用习惯;④易与其它垂直基准进行转换等四大特征。随着国家对海岸带、江河流域的浅滩等水陆交界区域开发和利用的日益加大,建立现代化的海洋无缝垂直基准已是海洋测绘发展、国家经济建设的内在需求和必然趋势,可为我国海岸线的界定、数字海岸带和国防经济建设等提供重要的理论依据和基础保障。 目前海洋无缝垂直基准的建立仍存在着一系列关键性难题。如选用何种垂直基准用来建立海洋无缝垂直基准为最优,建立前如何对原始数据实施预处理,采用何种无缝垂直基准构建方法以及同其它垂直基准之间的转换关系如何确定等。为此,本文在系统总结国内外海洋无缝垂直基准研究现状的基础上,提出了多项新思路、新模型和新方法,最终实现了局域海洋无缝垂直基准面的构建以及基准面间的相互转换。主要工作及创新之处体现在: (1)用于构建海洋无缝垂直基准的垂直基准面选择 系统的比较和分析了(似)大地水准面、参考椭球面、平均海平面和深度基准面四种海洋测绘中常用的垂直基准面的特点,认为(似)大地水准面作为陆地高程基准,虽具有连续、无缝和光滑等特征,但其反映的是一个重力等位面,适用于陆地高程基准,而不适合作为海洋垂直基准;参考椭球面为几何面,尽管数学模型简单,且同样具有连续、无缝和光滑等特征,但缺少物理意义,也不符合海洋测绘中海图高标定习惯;平均海平面由于地域和时间的不同而存在着差异,且无法保证船舶航行安全;深度基准面尽管存在离散、非连续的缺点,但其是海道、水运工程测量中海图高程(水深)标定的参考,并为船舶的航行提供安全保障。为此,本文选择深度基准面,用来构建海洋无缝垂直,既具备实际物理意义和应用价值,又符合海洋测绘垂直基准的使用习惯。 (2)潮位资料预处理方法研究 深度基准面是基于潮位观测资料来确定的,因此潮位观测资料的不准确或缺失都将直接影响深度基准面的确定精度和可靠性。为此,本文在潮汐数据预处理方面开展了如下工作: 根据潮位观测资料中影响因素的特征,将其分为:波浪因素引起的观测噪声、潮位观测的缺失和遗漏、粗差和系统误差四大类。 ①波浪因素的影响 提出了一种基于FFT的低通滤波方法,实现了该噪声的有效滤除,给出了截止周期的大小与潮汐分潮周期之间的相关性,认为当截止周期为1h时,基本可彻底消除波浪因素的影响,同时为了防止潮汐中有效成分被滤除,截止周期的大小不要超过3h。 ②潮位观测的缺失和遗漏 根据潮位序列曲线间的相关性参数:潮差比x,潮时差y,基准面偏差z,给出了一种潮位时序中缺失部分的修复方法。90%修复数据的精度优于10cm,80%优于5cm,可满足海道测量规范中潮位修复精度的相关要求。 ③粗差 针对长潮位序列中的粗差问题,提出了一种基于潮汐调和分析模型的粗差修复方法,克服了人工修复方法在效率和精度上的不足,较传统的FFT低通滤波方法,精度有了显著提高,90%修复数据精度优于20cm。 ④系统误差 本文主要研究了由于潮位站验潮“零点”漂移产生的系统误差问题。分别从长潮位序列和短潮位序列两个角度出发,研究了系统误差的消除方法。针对前者,提出了基于概率论中切比雪夫不等式原理的一种新的探测方法,并采用月平均海平面数学期望,对含有系统误差的潮位序列进行修复,精度优于15cm,90%优于10cm;针对后者,提出了一种潮位序列分段匹配探测修复方法,实现了短潮位序列中系统误差有效的探测和修复,精度优于10cm。 (3)深度基准面确定精度分析及质量控制 深度基准面的高精度确定对建立海洋无缝深度基准面具有重要意义。深度基准面的确定方法大致可分为两类,第一类根据潮汐调和分析所得调和常数按深度基准面模型计算得到;第二类根据深度基准面传递法获得。 针对第一类问题,本文着重研究了潮汐调和分析和深度基准面确定的精度、稳定性与潮汐时长之间的相关性,给出了在不同潮汐时长下,适宜采用的分潮模型、个数以及深度基准面的确定精度。 针对第二类问题,首先,通过实验分析比较得到最优传递方法,认为最小二乘综合传递法为最优传递法,当同步观测长度≥3天时,传递精度可达5cm。并基于该传递方法,着重研究了深度基准面传递精度与站间潮汐类型值(HK1+HO1)/HM2差值大小的相关性,得如下结论: ①在宽阔平缓水域,站间潮汐类型值差值≤0.05,传递距离≤80km时,深度基准面传递精度一般可控制在5cm以内。当传递距离80km时,深度基准面传递精度逐渐下降,下降速率大概为1cm/km左右。 ②在狭长湍急水域,站间潮汐类型值差值≤0.05时,传递距离≤40kmm时,深度基准面传递精度一般可控制在15cm以内,当传递距离40km时,精度迅速下降,已不适合深度基准的传递。 ③无论是在宽阔还是狭长水域,当潮汐类型值差值0.05时,由于潮汐性质差异较大,传递精度不甚理想,不建议进行深度基准面的传递。 在长江口水域,对上述结论进行了大量的实验分析,验证了其正确性。该结论对日后在长江口水域开展验潮站间深度基准面传递及精度控制具有重要指导意义。 (4)海洋无缝垂直基准几何建立方法研究 对反距离加权法、最小曲率法、最近邻点法、带线性插值的三角剖分法、多项式回归法、移动曲面拟合法、克里金法和径向基函数法等8种几何建模法进行了深入研究,并借助这些方法分别在温州瓯江和长江口水域构建了局域无缝深度基准面模型。通过对所建立的无缝深度基准面三维曲面的形态特征、深度基准面等值线的分布和变化特征、模型精度等方面进行比较分析后,认为当验潮站数量较多,分布均匀,且深度基准面高变化较为平缓或呈较强规律特征时,几何建模法精度都较高;当验潮站数量较少,分布不均匀,且深度基准面变化无特定规律时,反距离加权法、克里金法和径向基函数法三种方法精度要优于其余几何建模法。此外,该三种方法能较好的反映整体区域深度基准面的变化趋势,所建曲面具有连续光滑等特征,为最优几何建模方法。 (5)海洋无缝垂直基准物理建模方法研究 针对几何建模方法精度受潮位站分布密度、均匀性和深度基准面的变化复杂程度等因素影响较大的问题,以及几何模型在外推时,精度普遍较低的现象,本文从潮汐传播的物理机制角度出发,提出了基于潮汐调和常数、潮差比以及最小二乘传递参数的三种海洋无缝垂直基准面物理建模方法。 通过在长江口以及瓯江区域的多组实验分析,认为三种物理建模方法较几何建模法在精度及稳定性上更具优势。其中基于潮汐调和常数的建模法,无论在外推还是内插时,精度均优于10cm,具有较高的精度和稳定性,为最优的连续无缝深度基准面建模方法。 (6)海陆垂直基准转换及精度分析 根据参考椭球面、似大地水准面和深度基准面之间的关系,结合各自模型,构建了大地高、正常高和海图高(图载水深)之间的无缝转换模型。同时根据转换模型中各参量的误差来源,给出了每种高程转换模型的误差表达式。


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