CN111368406A - 连续深度基准面构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续深度基准面构建方法，首先通过海底地形测量来获取基于参考椭球面的海底大地高，通过一定时间段内的海平面变化的算术平均值获取平均海面高度。其中本发明运用海洋数值模型对海面高进行潮波运动数值模拟，获取海面高，然后进行余水位修正，最后计算海底大地高与海面高的差值，求得深度基准面值。该方法质量可靠，操作容易，能够更加准确的反正测区连续深度基准面值，且计算的连续深度基准面值精度较高，具有较大的使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及海洋信息采集技术领域，尤其涉及一种连续深度基准面构建方法。
背景技术
传统的深度基准面是由验潮站的验潮资料利用调和分析法求得，根据海道测量规范采用13分潮模型计算。因此深度基准面相对于平均海面数值，仅是对真正曲面形态基准面在特定点的采样，是离散、跳变和不连续的，具有区域性。随着港口建设、船舶大型化和航运经济的迅猛发展，现有的深度基准面精度不高的问题越来越成为制约海洋测绘服务于现代航运的瓶颈问题。此外，无验潮水深测量等远距离快速海道测量技术越来越成为海洋测绘发展的主要方向，而这些技术发展的基本前提就是建立覆盖全海区的、高精度、无缝连接、平滑过渡的深度基准面。深度基准面构建方法依赖于潮汐的分潮理论，深度基准面的变化随潮波传播特征的变化而变化，如果能更深入的了解潮波运动特征将对构建连续深度基准面具有指导作用。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中的缺点，提供一种新型的连续深度基准面构建方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续深度基准面构建方法，其特征在于：采用精密定位定姿***和海洋数值模式，按照如下步骤进行；
步骤1：通过精密定位定姿***测得所选测区的海底大地高；
步骤2：开边界水位条件获取，本发明的开边界上各个网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学的海潮模型；
步骤2.1：从步骤2的海潮模型中获取的各点水位值，其水位值由八个主要半日分潮和全日分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1，以及三个浅水分潮M4、MS4、M6和两个长周期分潮Sa和Ssa分潮组成的13个分潮模型计算得到的；
步骤3：获取测区岸线数据，岸线数据一般来自美国国家海洋与大气管理局NOAA的全球高分辨率海岸线数据库GSHHG，从数据库中获取我们所需要的岸线数据；
步骤4：获取测区水深数据，水深数据一般情况下同样来自NOAA全球地形模型数据库；
步骤5：进行数据同化，将数据同化程序写入海洋数值模型中，来提高模拟精度；
步骤6：通过潮波动力学模型进行数值模拟获取海面高；
步骤7：在步骤1和步骤6获取海底大地高和海面高后，计算出二者的差值，获取该位置的水深；
步骤8：通过余水位改正，对计算得到的水深进行修正，进一步提高水深精度；
步骤9：进行连续基准面构建。
在步骤2.1中，通过M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等全日和半日分潮和三个浅水分潮以及两个长周期分潮模型计算求得水位值。具体形式见公式：
式中，L为深度基准面值；H、g和f是下标所对应的各个分潮的调和常数和交点因子；R1、R2、R3、
均为K1分潮相角
的函数，将K1分潮相角
从0°至360°变化取值，最小值即为求得L的值。其对应的潮面为深度基准面，对应的K1分潮相角为
在步骤5中，通过数据同化来提高数值模拟精度。
在步骤8中，通过余水位改正，对计算得到的水深进行修正，进一步提高水深精度。
在步骤9中，进行连续深度基准面构建，在建立过程中运用线性插值法，然后计算验潮站出基准面数值与网格点数值插值结果之比来验证模拟基准面的精度，其具体形式如下公式：
γ＝ZO/ZC (2)
其中，z表示基准面数值；下标O和C分别表示观测值和网格点插值结果。通过此式来验证模拟精准面精度，其值越接近于1模拟的越精确；
采用距离加权平均的方法，对网格点结果进行调整，权重函数如下：
其中，N是所选验潮站的个数；d(n)是第n个验潮站到网格点的距离；a取0.9时既可以抚平短期波动，还起到了平滑的作用。
本发明的有益效果是：本发明解决了深度基准面不连续、跳变的问题，实现了高精度实时水深数据和海图数据获取，构建了连续深度基准面，相对于传统的通航水深服务模式更为便捷、高效、精确且易实现，具有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明一种连续深度基准面构建方法处理流程图；
图2是渤海湾西部测区水深示意图；
图3是海洋数值模式模拟分析结果；
图4是影响测区主要分潮同潮图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明一种连续深度基准面构建方法。包括海底地形测量***、余水位修正和海洋数值模型。
实施实例：
步骤1，利用海底地形测量***获取海底大地高，结合精密定位定姿***，获取海底大地高；获取测区的开边界条件、水深和需要同化的数据，利用海洋数值模型进行潮波数值模拟，获取水位高，通过余水位修正对求得的数据进行订正。上述方案中，所述的海底大地高是通过海底地形测量***获得的，其实施方法是可通过无人艇搭载海底地形测量***进行数据获取，其海底地形测量还可以更高效率的通航水深应用效率和通航水深智能服务，提供实时的高精度动态水深。
为了提高海洋数值模型的精确度，输入模式的水深数据需要高精度的水深数据，将实际观测数据同化到模型中。
步骤2-5，这些步骤都是为了输入海洋数值模型所需要准备的前期数据。根据测区的范围，本发明的模式计算域选取范围为37°N～41°N，117.5°E～122.8°E，水深数据来自TOPO2卫星数据,近岸地区使用中国航海保证部出版的海图和实测水深进行调整，各网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学发布的海潮模型(http://volkov.oce.orst.edu/tides/YS.html)，模式水平分辨率为1.2′×1.2＇，模式网格格点数为200×265×13，由13个分潮组成：M2、K2、S2、O1、Q1、P1、N2、K1、M4、MS4、M6、Sa和Ssa。
数据同化主要是将实际卫星测高数掘直接***到动力学模型中，把待求格网点的预报潮高看成是实际观测数据与动力学模型的模拟位的加权和的形式。
步骤6，本发明所采用的海洋数值模式分别运行Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2等8个分潮，开边界与T/P点的输入都对应单分潮的水位。浅水分潮也同时运行，此时开边界与T/P点的输入为MS4、M2、S2、M4与M6。垂直方向上分为13个sigma层，较好地拟合了海底地形和海岸线，可以较好的反映真实的地形。
参见图2，本发明提供的一种连续深度基准面构建方法通过对测区水深数据获取来输入海洋数值模式中，海底地形和海岸线形状对近岸潮汐的变化特征具有非常重要的影响，为直观表征模拟区域的地形特征，其测区地形及水深分布如图2所示。
步骤7：在步骤1和步骤6获取海底大地高和海面高后，计算出二者的差值，获取该位置的水深，获取的水深存在精度不高的缺点。由于海面高受风等多种短期气象因素的影响，所以进行步骤8，进行余水位改正，其主要目的为减低由于风等多种短期气象因素影响的海面高的变化影响，使得数据更加趋向于真实值。
步骤9，进行连续深度基准面构建，其具体步骤为：(1)在模拟海域建立1.2′*1.2′的网格，(2)应用数值模型计算各网格点的13个分潮的值，(3)按照《海道测量规范》(GB12327-1998)(海道测量规范，1999)规定的13个分潮模型构建整个研究区域的连续深度基准面值，(4)通过网格点的(B,L,H)拟合三维曲面，此曲面即连续深度基准面。由于我国渤海湾近岸海域缺乏长期验潮数据且该区域存在无潮点，潮汐性质复杂。为了与历史上沿用的海图基准面一致，同时又保持基准面分布的平滑性。使用线性插值法对各个网格点进行求值，求出最终的连续深度基准面。
参见图3、4，本发明提供的一种连续深度基准面构建方法，图3为调和常数对比图，图4为影响渤海湾海区的M2分潮同潮图，如图3所示，图中为4个验证点的振幅差和迟角差数据；如图4所示，计算区域内形成了两个无潮点,其中1个比较明显的点位于秦皇岛外海附近海域,较不明显的一个点位于老黄河口位置,由于填海造陆等人类活动的影响,导致海岸线急剧变化,从而影响了潮流的运动，导致无潮点已退化到陆上，分潮的振幅和迟角的走向与实际情况基本一致。具体步骤为：
步骤1：利用定位定姿***获取测区海底大地高；
步骤2：获取开边界水位条件，本发明的开边界上各个网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学的海潮模型，海洋数值模型所需要的开边界条件。
步骤2.1：从步骤2的海潮模型中获取的各点水位值，其水位值由八个主要半日分潮和全日分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1，以及三个浅水分潮M4、MS4、M6和两个长周期分潮Sa和Ssa分潮组成的13个分潮模型计算得到的；
步骤3：获取测区岸线数据，岸线数据一般来自美国国家海洋与大气管理局NOAA的全球高分辨率海岸线数据库GSHHG，从数据库中获取我们所需要的岸线数据；
步骤4：获取测区水深数据，水深数据一般情况下同样来自NOAA全球地形模型数据库；
步骤5：进行数据同化。将数据同化程序写入海洋数值模型中，来提高模拟精度；
步骤6：通过潮波动力学模型进行数值模拟获取海面高；
步骤7：在步骤1和步骤6获取海底大地高和海面高后，计算出二者的差值，获取该位置的水深；
步骤8：通过余水位改正，对计算得到的水深进行修正，进一步提高水深精度；
步骤9：进行连续基准面构建。
海底大地高数据是通过海底地形测量***获取，该数据获取方便，在实际生产应用中可通过水面无人艇搭载海底地形测量***进行数据采集，实施成本较低，机动灵活，作业方便且更容易实现。
利用潮波数值模拟的方法构建高精度的连续深度基准面，其精度较传统的深度基准面已大大提高。由平均海面、深度基准面和海底建立转换模型，将深度基准面统一归算到参考椭球面上；为以后的各个基准面转换提供更加便捷转换基础。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种连续深度基准面构建方法，其特征在于：采用精密定位定姿***和海洋数值模式，按照如下步骤进行；
步骤1：通过精密定位定姿***测得所选测区的海底大地高；
步骤2：开边界水位条件获取，本发明的开边界上各个网格点的潮汐调和常数数据来自俄勒冈州立大学的海潮模型；
步骤2.1：从步骤2的海潮模型中获取的各点水位值，其水位值由八个主要半日分潮和全日分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1，以及三个浅水分潮M4、MS4、M6和两个长周期分潮Sa和Ssa分潮组成的13个分潮模型计算得到的；
步骤3：获取测区岸线数据，岸线数据一般来自美国国家海洋与大气管理局NOAA的全球高分辨率海岸线数据库GSHHG，从数据库中获取我们所需要的岸线数据；
步骤4：获取测区水深数据，水深数据一般情况下同样来自NOAA全球地形模型数据库；
步骤5：进行数据同化，将数据同化程序写入海洋数值模型中，来提高模拟精度；
步骤6：通过潮波动力学模型进行数值模拟获取海面高；
步骤7：在步骤1和步骤6获取海底大地高和海面高后，计算出二者的差值，获取该位置的水深；
步骤8：通过余水位改正，对计算得到的水深进行修正，进一步提高水深精度；
步骤9：进行连续基准面构建。
2.根据权利要求1所述的连续深度基准面构建方法，其特征在于：在步骤2.1中，通过M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等全日和半日分潮和三个浅水分潮以及两个长周期分潮模型计算求得水位值。具体形式见公式：
式中，L为深度基准面值；H、g和f是下标所对应的各个分潮的调和常数和交点因子；R1、R2、R3、
均为K1分潮相角
的函数，将K1分潮相角
从0°至360°变化取值，最小值即为求得L的值。其对应的潮面为深度基准面，对应的K1分潮相角为
3.根据权利要求1所述的连续深度基准面构建方法，其特征在于：在步骤5中，通过数据同化来提高数值模拟精度。
4.根据权利要求1所述的连续深度基准面构建方法，其特征在于：在步骤8中，通过余水位改正，对计算得到的水深进行修正，进一步提高水深精度。
5.根据权利要求1所述的连续深度基准面构建方法，其特征在于：在步骤9中，进行连续深度基准面构建，在建立过程中运用线性插值法，然后计算验潮站出基准面数值与网格点数值插值结果之比来验证模拟基准面的精度，其具体形式如下公式：
γ＝ZO/ZC (2)
其中，z表示基准面数值；下标O和C分别表示观测值和网格点插值结果。通过此式来验证模拟精准面精度，其值越接近于1模拟的越精确；
采用距离加权平均的方法，对网格点结果进行调整，权重函数如下：
其中，N是所选验潮站的个数；d(n)是第n个验潮站到网格点的距离；a取0.9时既可以抚平短期波动，还起到了平滑的作用。
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