关于海洋测绘技术体系化归类与专业教育思考

为加深对海洋测绘知识、技术体系的系统化认识,在分析海洋测绘概念形成与发展、学科专业体系构成与分类现状以及海洋测绘理论和技术特征的基础上,将海洋测量各分支技术按面向要素或目标的客体认知技术、面向应用方向的服务技术,以及通用型关键支撑技术进行体系化归类论证,依此建构了立足学科交叉理论、凝聚关键技术,适应多样化服务需求的专业教育模式。将海洋测绘技术进行体系化归类,厘清了相关科学与海洋测绘各分支的关系,突出了学科的认知与描述目标,彰显了技术驱动与需求牵引的海洋测量技术与应用发展状态,也适应人才能力指标设定和灵活的专业教育课程体系构建。

水位改正的天文潮时差方法

针对传统时差法水位改正按距离内插计算的潮时差可能与实际情况存在较大差异,进而影响水位改正效果的问题,提出利用天文潮直接计算站间潮时差实施水位改正的方法,研究了我国沿海部分验潮站天文潮与实测水位之间潮时系统的差异与变化性质,并分析了不同分潮选择下确定的天文潮对站间潮时差计算值的影响量级。利用黄海沿岸与北部湾的验潮站设计了天文潮时差水位改正试验,比较了传统时差法与天文潮时差方法的效果。试验和分析表明,利用天文潮计算潮时差比传统时差法更接近实测潮时差,且8分潮水位改正结果的中误差控制在5 cm以内,比传统时差法的水位改正精度提高了近一倍,实现了对传统方法的改进,证明了利用天文潮进行时差法水位改正的可行性。

基于半参数模型的水位数据预处理方法研究

为消除压力式验潮仪数据因误差而存在的抖动现象,提出了利用半参数模型对水位数据进行预处理的方法。研究了半参数模型在水位预处理中的具体实现方法,并对处理后的数据在应用方面进行了数据实验。实验表明,半参数模型既能够剔除不合理观测噪点,又能够高精度拟合观测水位,利用处理后的数据确定的余水位以及潮汐比较参数更具备合理性,精度得到了提高。

声速剖面EOF表示的第一模态解析

为实现对声速剖面EOF表示后第一模态时间系数和空间函数变化规律的解析,提出了一种简化的声速剖面变化模型,即"拐点"深度值和声速值的变化;声速梯度的变化和表层海水温度周期性变化所引起的海水声速变化,通过将4种因素所引起的第一模态空间函数的变化规律与实际声速剖面簇第一模态空间函数的变化规律对比,分析引起实测声速剖面变化的主要因素,最后,分别用深海和浅海实测声速剖面数据对其进行验证。

海底控制点定位的半参数平差模型法

针对圆走航确定海底控制点三维绝对坐标存在垂直解精确度差的问题,本文提出了基于半参数平差模型处理测距系统误差的方法,首先分析了声速变化对测距误差的影响,其次在圆走航观测方程的基础上建立了水下控制点三维坐标解算的半参数平差模型,分别给出了观测时长为测距误差长周期项整数倍与非整数倍时的解算方法。仿真试验表明,当内波存在且观测时长不足测距误差长周期项的整数倍时,该方法相比于差分法和最小二乘法可明显提高水下控制点垂直解的精确度。

时差法水位改正的精度评估方法研究

为实现对时差法水位改正结果的精度评估,根据协方差传播律,推导了时差法水位改正的误差方程,讨论了评估潮时差确定精度的方法,并通过数据试验对结果进行了验证。试验结果表明,最小二乘拟合法比相关系数法更能满足时差法水位改正精度评估对潮时差的要求;根据《海道测量规范》要求,试验海域潮时差中误差的限差为6.2min,验潮站网潮时差闭合差中误差的限差为1.0min;水位改正方差反映出了水位改正结果的合理性,可用以评估水位改正精度。

Algorithm for Harmonic Tidal Analysis along T/P Tracks： Taking Differences of Observed Sea Surface Heights at Adjacent Points as Observations

An algorithm （differential mode） is presented for the improvement of harmonic tidal analysis along T/P tracks, in which the differences between the observed sea surface heights at adjacent points are taken as observations. Also, the observation equations are constrained with the results of the crossover analysis; the parameter estimations are performed at 0.1° latitude intervals by the least squares. Cycle 10 to 330 T/P altimeter data covering the China Sea and the Northwest Pacific Ocean （2°-50° N,105°-150° E） are adopted for a refined along-track harmonic tidal analysis, and harmonic constants of 12 constituents in 8 474 points are obtained, which indicates that the algorithm can efficiently remove non-tidal effects in the altimeter observations, and improve the precision of tide parameters. Moreover, parameters along altimetry tracks represent a smoother distribution than those obtained by traditional algorithms. The root mean squares of the fitting errors between the tidal height model and the observations reduce from 11 cm to 1.3 cm.

不同时段下海平面相关参数的差异分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面时常使用的重要基础观测信息,针对平均海面以及相对海平面变化速率在不同时段观测资料下结果的差异进行了分析,统计了不同时间尺度平均海面确定的差异,并设计了两组数据实验,具体讨论了不同年份19年观测以及观测时长逐年累加两种情况下,相对海平面变化速率确定结果的规律。实验结果表明,月平均海面具有明显的季节性变化,最大互差可达几十厘米,1年平均海面基本稳定,19年平均海面精度可达厘米级;利用19年的观测资料确定的相对海平面变化速率反映的观测时段内海平面的变化情况,各时段结果差异较大且可靠性较低;为获得稳定可靠的相对海平面变化速率,观测时长应至少涵盖两个潮汐变化周期。

利用时变潮时差进行水位改正

针对目前实施时差法水位改正时使用的潮时差未考虑时变现象的影响以及利用潮时差确定水位观测时段选择混乱等问题,提出利用逐时滑动时段确定潮时差以进行水位改正的方法,分析了潮时差时变现象的原因及潮时差逐时滑动时段与逐日独立时段确定结果的差异,推导了时差法水位改正的误差公式。以某海域验潮站为例,进行了水位改正的数据实验,比较了逐时滑动时段与逐日独立时段确定的潮时差的水位改正效果。实验结果表明,利用逐时滑动确定的潮时差进行水位改正,在理论与精度方面均对目前使用的时差法有所完善与提高,尤其在潮差差异较大的海域,改进效果更加显著。

利用BP神经网络剔除多波束测深数据粗差

针对多波束单ping水深数据多呈现较为复杂的曲线形式的现象,提出了基于逆传播(back propagation, BP)神经网络的多波束测深数据粗差剔除方法,即依据BP神经网络具有从输入到输出的映射功能,构建适应多波束单ping水深数据复杂曲线的训练学习算法进行曲线拟合。考虑地形之间的延续性进行相邻ping水深数据间的相关性分析,纵向检查定位并剔除粗差。通过实测多波束测深数据验证该方法的有效性,并与不确定性与测深学联合估值滤波以及交互式滤波方法进行比对分析,结果表明该方法可以有效剔除多波束测深数据中的粗差。

利用卡尔曼滤波改正多波束数据声速整体误差

针对传统多波束测深系统从误差源进行平差的后处理方式受声速误差等因素影响较大的应用局限,提出了以相邻条带中央波束构建的每ping海底地形趋势线作为先验信息,利用卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)对声速整体误差影响下的测深数据系统性误差进行改正的方法。首先,提取测深数据准确性相对较高的相邻条带的中央波束数据,对多波束每ping测深点所在的区域海底地形构建大致走向的趋势线;其次,利用检测线中央波束与主测线交叉重叠部分的数据,得到观测值的偏差和所构建海底地形趋势线的偏差;最后,结合得到的偏差,以构建的趋势线作为先验信息对测深数据利用卡尔曼滤波进行改正,并对改正后的数据进行精度分析与评估。实验表明,对于声速整体误差引起的海底地形畸变,利用卡尔曼滤波能够对边缘波束的系统性误差进行有效的改正。

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

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。

一种无人机倾斜摄影的海岸线提取方法

针对目前海岸线提取手段效率低、成本高、精度差等缺陷,提出了一种联合无人机倾斜摄影与潮位信息快速、高效、准确的海岸线确定及监测方法,并通过实验在平缓沙砾海岸处取得了优于1.7 m的平面位置精度,验证了方法的可行性。

相对海平面变化时段选择效应分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面的重要基础观测信息,利用滑动时段法和时段累积法对验潮站不同观测时段相对海平面变化速率的差异进行了分析,讨论了时段选择效应对计算相对海平面变化的影响,并利用美国东海岸验潮站观测数据对分析结果进行了补充实验。实验结果表明,不同观测时段相对海平面变化速率差异最大可达27.5 mm/a,相邻年份逐年滑动结果的最大互差可达7.1 mm/a;随着观测时段年数的累积,相对海平面变化速率增加,为了获得0.5 mm/a中误差精度的相对海平面变化速率,验潮站需要的观测年数为22~28 a;而要获得0.2 mm/a中误差精度的相对海平面变化速率,则需要40~54 a的观测年数,这与使用美国验潮站观测数据的补充实验结论一致。

利用模拟退火算法反演多波束测量声速剖面

针对多波束测量声速剖面站点布设密度不够而引起的声速剖面代表性误差问题,提出一种利用模拟退火算法反演声速剖面的方法。首先,对测区已有声速剖面序列进行经验正交函数（empirical orthogonal function,EOF）分析,利用声速扰动矩阵和前几阶EOF求得EOF重构系数及其变化范围。其次,采用模拟退火算法对EOF重构系数进行迭代优化,以多波束测得的海底地形畸变量大小为依据构建目标函数,并设定合理的退火控制参数。最后,得到待反演区域的声速剖面数据。实例分析表明,该方法反演的声速剖面较时间就近原则选取的替代声速剖面更接近真实声速剖面,且利用反演声速剖面改正后的海底地形更接近真实地形,有效削弱了声速剖面代表性误差的影响,显著提高了多波束测量精度及数据处理效率。

中国香港验潮站1962-2017年水位相对变化分析

利用1962-2017年验潮站水位观测数据,对中国香港的海平面、潮汐调和常数等水位变化特征量进行了确定与统计分析。结果显示,香港海域验潮站海平面相对变化速率差异明显。1962-2017年间,鲗鱼涌站长周期分潮逐年调和分析结果稳定性差,除数据质量的因素外,厄尔尼诺显现对长周期分潮的变化有影响作用;全日潮与半日潮分潮调和常数较稳定,但在2004-2008年间M2、O1、K1分潮振幅小于往年,分析表明与潮差变化一致;理论最低潮面与最低天文潮面均呈上升的变化趋势,变化速率分别为0.18 mm/a、0.27 mm/a,香港目前使用的海图基准较理论最低潮面和最低天文潮面相对保守。