GPS 技术在 Saint John 河无缝垂直基准建立

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摘 要： 为将gps大地高应用于河道测量，需在该河段上建立一个无缝垂直参考基准。在该基准的建立中，首先利用GPS水准点对大地水准面模型进行了修正，实现了大地高向正高的精确转换。在大地水准面模型的修正中，比较、分析了几个几何模型，并选择了一个最优模型用于Saint John河测量。研究了横断面线形内插法，实现了CGVD28正高向CD2000 海图高的转换，建立了该河段的无缝垂直参考面。通过GPS在航潮位测量中的实验，验证了本文所述方法的正确性和可行性。

关键词：大地高 正高 海图基准 无缝垂直参考基准

潮位在河道测量中扮演着提供垂直参考面的重要作用，在测量过程中，计算测量船所处潮位的传统方法是利用近岸附近的验潮站观测潮位，通过潮位模型内插获得。传统潮位测量仅能给出离散潮位，难以为动态河道测量提供连续精确的潮位。高精度GPS测量技术为实时潮位的确定提供了可能。GPS RTK 高程信号可反映周期大于2S的周期性垂直运动波，将该技术用于河道验潮，可真实地呈现水面垂直运动过程。

国内某机构在加拿大saint john河实施了水下地形测量工程，其中包括利用GPS进行潮位测量，以替代传统的潮位测量方法。由于传统的潮位站观测潮位以海图高CD2000形式来反映的，这就需要将GPS实测的大地高转换为CD2000海图高。 加拿大曾经了一个大地水准面模型，这个模型可实现NAD83大地高向正高的转化。尽管该模型在整个加拿大国家范围内可达到5cm 的精度，但其精度在全国分布是不均匀的，在个别地区还可能与用GPS水准点计算所得的高程异常存在比较大的出入。为了实现大地高向正高的精确转化，该模型需要进行净化。

海图基准面是基于低潮位定义的。尽管该基准面在定义时与大地水准面通过水准联测建立了联系，但由于海图基准面是离散和跳变的，而非一个连续的面。因此，在Saint John河建立一个无缝的、连续变化的垂直基准面，实现从GPS观测得到的大地高到具有实际应用价值的海图高，就必须建立相应的数学模型，实现高程系统之间的转化。

Saint John河无缝垂直基准的建立主要涉及的基准面包括：椭球面、大地水准面和海图基准面，与之相应的高程系统分别为大地高h、正高Ho和海图高以及两个分离量N （大地水准面差距）和Hc （海图基准高）。这些基准面以及高程系统分别描述在图1中：

为确保航行安全，水深测量与当地的潮位存在着紧密的联系，海图通常采用不同水域的低低潮位作为垂直基准面，而非平均海平面。在加拿大，海图基准面定义为CD2000，这个面不是一个固定不变的面， 而是随着不同水域潮位的变化而变化的。

在实际工程应用中，正高和海图高具有实用价值。然而，随着GPS的广泛应用，直接获得精确的大地高变得越来越容易，因而，实现高程系统之间的转换就变得十分必要和迫切。

获得了大地水准面差距后，利用式（1）可非常容易的实现NAD83大地高向CGVD28正高的精确转换。

海图基准面CD2000定义是离散的，随水域变化。在每个潮位站建立该基准时，利用水准测量实现了与具有CGVD28正高的水准点的联测。若每个海图基准的定义以CGVD28正高的形式来描述，则海图基准定义在该河段存在着不连续的变化。从Fredericton 到 Indian Town， 海图基准面的变化小于1m， 但从Indian Town到Saint John，海图基准面的变化达4.5 m。若在不同的河段，视该基准面为常数，则势必会导致相邻基准面定义段水下地形测量成果的不连续，因此，为了建立一个无缝的垂直基准面，就必须对这些定义在不同潮位站上的海图基准面进行内插处理。由于海图基准面定义的变化有时缓慢，有时剧烈，利用多项式或三次样条进行内插显然是不合适的，并将导致在海图基准面跳变剧烈的河段内插结果不可控。尽管线性内插不能保证内插结果的一阶和二阶连续，但内插结果却是真实、可靠的。下面给出一种横断面线性内插法用于实现CGVD28正高向CD2000 海图高的转换。

横断面线性内插是通过投影GPS实测的离散点到两潮位站（海图基准的定位点）的连线上，再根据距离线性内插出投影点的海图基准定义。假设存在两个潮位站T1和T2，连线T1T2 方程可通过T1坐标（xT1， yT1）和T2坐标（xT2， yT2）来确定。对于任意点 P（x， y），其投影点为P（（xp， yp） 的坐标为：

实验及分析

为了验证上述高程转换模型的正确性，在潮汐变化比较显著的Saint John 的Long Reach河段实施了两个GPS潮位测量实验， 在BM93、BM96和BM98三个分别分布位于Long Reach河段中部和两侧的潮位站上架设了验潮仪并进行了潮位读取。

结束语

CGVD28正高作为建立该无缝垂直参考基准面的中介，修正后的HTv2.0模型确保了NAD83大地高向CGVD28正高的精确转换。横断面线性内插是一种理想的方法，可正确地实现CGVD28正高向CD2000海图高的转换，它不但确保了海图基准在整个河段的连续性，也实现了该河段无缝垂直基准面的建立。本文所述方法对在类似河段建立无缝垂直基准面具有很强的借鉴意义。

（第一作者单位：西安测绘信息技术总站；第二作者单位：61287部队）