陈春1，黄辰虎2，王智明3，吴太旗2，段福楼4
( 1. 92899 部队，浙江宁波315200; 2. 海军海洋测绘研究所，天津300061;
3. 总参作战部测绘导航局，北京100088; 4. 92292 部队，山东青岛266405)
1.引言
水位改正是水深测量的一项基础性工作。对于单波束水深测量来讲，由于其测深精度主要通过主、检测线交叉点不符值的中误差获得评估，因此其水位改正效果优劣通过该指标得不到明确反映;对于多波束水深测量来讲，由于其全覆盖测量特点，其测深精度除采用上述指标外还可在数据处理阶段通过检查相邻测深条带是否存在拼接断层等情况获得评估，换言之，其水位改正效果优劣在数据处理阶段即可得到明确反映。因此从某种角度讲，相对于单波束测深，水位改正对于多波束测深显得更为重要。目前水深测量水位改正可通过布设验潮站、GPS 无验潮测深模式、潮汐场数值预报以及基于余水位配置的潮汐推算等方法予以解决。
为此将基于日平均海面订正的海洋潮汐推算方法引入水深测量水位改正，并与天文潮预报、基于余水位配置的海洋潮汐推算等水位改正方法进行比较，以探讨各自的适用性和可靠性。
2.几种水位改正方法的比较与分析
2.几种水位改正方法的比较与分析
从验潮站A 验潮零点起算水位值表达如下:
式中，MSLA为A 站长期平均海面; hA( t) 为A 站天文潮位; δA( t) 为A 站余水位; ΔA( t) 为潮汐观测误差，此项可忽略不计。
或
同理，可得水深测量作业区域内某测深点B 位置处的水位值，即:
各符号意义同上，由上可得余水位计算式，即:
基于余水位配置的潮汐推算思想为，假定余水位与空间位置无关或呈规律性变化，即:
或
其中，k 为距离变化因子。
由此则B 位置处的水位可表示为:
基于日平均海面订正的潮汐推算思想为，首先计算验潮站A 的逐时日平均海面数值MA( t) ，其次消除Sa 等长周期分潮对MA( t) 的影响，由此得到hA_Sa( t) ，则B 位置处的水位值可表示为:
在实际水深测量作业过程中，往往遇到仅有1个验潮站作为计算余水位的控制站的情况。这时哪一种水位改正方法更适用，应根据具体使用效果作出科学评判。
根据水位改正原理，由天文潮预报法得到的测深点B 位置处的水位改正值vB1( t) ，可表示为:
由基于余水位配置的潮汐推算思想，可得测深点B 位置处的水位改正值vB2( t) ，可表示为:
由基于日平均海面订正的潮汐推算思想，可得测深点B 位置处水位改正值vB3( t) ，可表示为:
以上各式中，LB表示测深点B 位置处的理论最低潮面数值。
由式( 10) ～ ( 12) 知，测深点B 位置处的水位改正精度主要取决于两个因素，一是潮汐场的解算精度，其对LB和hB( t) 有直接影响; 二是分别由δA( t)与MA( t) － hA_Sa( t) 代替δB( t) 造成的代表性误差。本文主要研究余水位值对水位改正精度的影响，关于潮汐场及MSL 自身的误差不予考虑。
由于式( 10) 未顾及余水位即增减水的影响，因此一般来讲，其水位改正精度较低。对于式( 11) 、( 12) ，二者水位改正的精度主要取决于A、B 位置处余水位或日平均海面的相关性强弱。
文献［13］指出，应用式( 11) 、( 12) 时不需顾及潮汐性质是否相似及其相似的程度。在消除潮汐的短周期分潮影响方面，Godin 低通滤波法要明显优于中数法、陈宗镛法、Doodson 法、Ｒossiter 法等［11 － 13］，因此本文采用Godin 法计算各验潮站的逐时日平均海面数值。
下面分别选取C、D 两个验潮站在1978 年的实测水位数据ζ( t) ，共计8 760 个观测值进行分析。
首先分别对原始的水位观测数据进行粗差和系统差的判别和剔除; 其次进行潮汐调和分析，分别得到两个站Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2、M4、MS4、M6、Sa、SSa共计13 个分潮的调和常数; 然后按照式( 3) ～ ( 4) 分别计算δC( t) 、δD( t) ，并计算MC( t) 、hC_Sa( t) ; 最后比较δC( t) 、MC( t) － hC_Sa( t) 与δD( t)之间的互差，该统计结果反映了使用C 站余水位值或逐时日平均海面值代替D 站余水位值后所造成的代表性误差，实质上也反映了D 站的水位改正的精度。
使用天文潮预报法实施水位改正，其水位改正精度实际上直接受制于同位置处的余水位变化量值及其规律，即天文潮预报法的水位改正误差如下:
经计算，C、D 站1980 年的余水位值见图1( a) ，其中蓝色表示δC( t) ，绿色表示δD( t) ，二者间互差值为δC( t) － δD( t) ，其数值见图1( b) 。
基于余水位配置的海洋潮汐推算法的水位改正误差如下:
基于日平均海面订正的海洋潮汐推算法的水位改正误差如下:
经计算，C站1980 年的逐时日平均海面、长周期分潮变化趋势见图2，其中图(a) 中蓝色表示MC(t) ，红色表示hC_Sa(t) ，由图知MC(t) 存在一个周期较长的变化趋势，其与hC_Sa(t) 变化趋势正相符，其二者之差见图2( b) 。
下面对γ1、γ2、γ3分别进行不同数值的区间统计，以直观反映三种水位改正方法的效果对比，数据共计8 689，相应结果见表1。
由表1 知，由于天文潮预报法未考虑余水位对水位改正的影响，因此其水位改正精度自然是最低的，而基于日平均海面订正的海洋潮汐推算法略优于基于余水位配置的海洋潮汐推算法，分析其内在原因，主要是在扣除Sa 等长周期分潮影响后，逐时日平均海面实际上是一定时段内( 24h) 逐时余水位的平均值，较逐时余水位来讲，其在测区内的变化更稳定、区域代表性也就更强。
在具体应用实践中可通过主测线与检查线的交叉点不符值统计情况得到评估，其中超限点数不得超过参加比对总点数的15%，具体要求见表2，该指标实质上反映了测深的内符合精度。
对于多波束测深成果来说，除采用主、检测线交叉点不符值的中误差之外还可根据多波束测深特有特点，通过检查实施水位改正后相邻测深条带拼接是否存在断层及其程度得到评估。
3.应用分析
某单位在2012 年的多波束水深测量作业区域略图见图3( a) ，其中仅在沿岸有1 个长期验潮站作为控制站，其位于测区西方位，与测区最近约60km、最远约110km，受作业条件限制测区内未布设定点验潮站。该测区潮汐性质较复杂，包含了半日潮、全日潮以及混合潮等类型。特别是在2012 年3 月31日至4 月3 日期间，受极端低气压影响，验潮站观测记录甚至出现了约0. 7m 的较大规模减水，其势必给水深测量水位改正造成较大困难。
选取该测区内某虚拟网格验潮站在上述时段内的3 种水位改正值，见图3( b) ，其中蓝色表示天文潮法( a) 、绿色表示余水位配置法( b) 、红色表示日平均海面订正法( c) ，由图可知，受异常天气、气象等因素影响，上述3 种水位改正值整体上存在互差，特别是在2012 年4 月3 日12 时左右互差值较大，反映到该时刻的多波束相邻测深条带的拼接符合程度上，必然存在较大差异。
为直观对比上述3 种不同水位改正法的改正效果，对主测线与检查线的交叉位置处进行相邻测深条带的拼接检查与分析，其中主测线于3 月31 日至4月1 日期间测量，检查线于4 月3 日13 时后开始测量，上述3 种水位改正方法的改正效果见图4( a) ～( c) ，其中在垂直方向上网格间距为0. 5m。
图4( a) ～ ( c) 反映了标注处的主测线与检查线在深度方向的拼接误差约1. 2m、0. 48m、0. 35m，该位置处水深约28m，根据表2 相关交叉点不符值指标要求，天文潮法水位改正不满足要求，余水位法水位改正和日平均海面订正法水位改正均满足要求，且日平均海面订正法水位改正优于前者。
对图4( a) ～ ( c) 中的主测线之间进行相邻测深条带拼接检查与分析，上述3 种水位改正方法的改正效果见图5( a) ～ ( c) ，其中在垂直方向上网格间距为0. 5m。
图5( a) ～ ( c) 反映了标注处的主测线之间在深度方向的拼接误差约1. 0m、0. 25m、0. 4m，该位置处水深约28m，根据表2 相关交叉点不符值指标要求，天文潮法水位改正不满足要求，余水位法水位改正和日平均海面订正法水位改正均满足要求，且余水位法水位改正略优于后者。
这里需说明的是，在多波束测深期间受测深换能器自身故障以及声速剖面布设不合理等因素综合影响，图4、5 中多波束测深条带呈现“V”字状系统性偏差，其可通过文献［15］、［16］中方法予以解决，但该误差并不影响本文中不同水位改正方法对多波束测深相邻条带拼接的评估。
4.结束语
4.结束语
由于基于日平均海面订正的海洋潮汐推算法和基于余水位配置的海洋潮汐推算法均顾及到余水位的影响，因此二者均可适用于多波束水深测量水位改正，至于哪一种方法水位改正效果更优，不具有绝对性，其与作业期间验潮站的布设、余水位在时间、空间的变化规律等因素密切相关，具体选择上应根据实际主测线相互间、主测线与检查线间的拼接符合程度以及主测线与检查线的交叉点不符值统计情况综合评判。在沿岸仅有1 个验潮站控制情况下，若测区内余水位相关性不强，建议使用基于日平均海面订正的海洋潮汐推算法。
参考文献:
参考文献:
［1］ 刘雁春． 海洋测深空间结构及其数据处理［M］． 北京:测绘出版社， 2003．
［2］ 暴景阳，刘雁春． 海道测量水位控制方法研究［J］． 测绘科学， 2006， 23( 6) : 49-51．
［3］ 黄辰虎，陆秀平，申家双，等． 海道测量水位改正通用模式研究［J］． 海洋测绘， 2011， 31( 4) : 13-16．
［4］ 欧阳永忠，陆秀平，黄谟涛，等． GPS 测高技术在无验潮水深测量中的应用［J］． 海洋测绘，2005，25 ( 1) :
6-13．
［5］ 王征，桑金，王骥． 海洋潮位推算在水深测量中的应用［J］． 海洋测绘， 2002， 22( 2) : 3-8．
［6］ 黄辰虎，陆秀平，欧阳永忠，等． 远海航渡式水深测量水位改正方法研究［J］． 海洋测绘， 2013， 33( 5) : 10-14．
［7］ 侯世喜，黄辰虎，陆秀平，等． 基于余水位配置的海洋潮位推算研究［J］． 海洋测绘， 2005， 25( 6) : 29-33．
［8］ 裴文斌，牛桂芝，董海军． 余水位及潮汐差分方法［J］．水道港口， 2007， 28 ( 6) : 439-443．
［9］ 刘雷，李宝森，李冬，等． 基于余水位订正的海洋潮位推算关键技术研究［J］． 海洋测绘， 2012， 32 ( 2) :11-14．
［10］ 方国洪，王骥，陈宗镛，等． 潮汐与潮流的分析与预报［M］． 北京: 海洋出版社， 1986．
［11］ 徐汉兴． 潮汐计算技术［M］． 北京: 华文出版社， 2010．
［12］ 黄祖珂，黄磊． 潮汐原理与计算［M］． 青岛: 中国海洋大学出版社， 2005．
［12］ 黄祖珂，黄磊． 潮汐原理与计算［M］． 青岛: 中国海洋大学出版社， 2005．
［13］ 黄辰虎，卫国兵，翟国君，等． 海道测量中余水位分离方法的研究［J］． 海洋测绘， 2013， 33( 6) : 5-10．
［14］ GB 12327 － 1998． 海道测量规范［S］． 北京: 中国标准出版社， 1999．
［15］ 刘胜旋，屈小娟． 多波束测深残余折射处理技术的对比研究［J］． 海洋测绘， 2010， 30( 2) : 49-51．
［16］ 赵建虎，张红梅，严俊，等． 削弱残余误差对多波束测深综合影响的方法研究［J］． 武汉大学学报: 信息科学版， 2013， 38( 10) : 1184-1187．
声明：中国勘测联合网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述，文章内容仅供参考。
