本發(fā)明涉及一種多潮位站海道地形測量潮位控制方法和裝置，特別涉及大面積海域海道地形測量多潮位站潮位控制方法。

背景技術：

隨著沿海及近海地區(qū)的開發(fā)與利用，海洋航運、港口碼頭修建、漁業(yè)養(yǎng)殖等人類活動愈加頻繁，對海洋的分析研究要求也越來越高，這勢必造成對獲取的海洋信息的詳細度要求越來越高。大面積海洋測繪精度已經(jīng)逐步實現(xiàn)了由小比例尺測繪資料向中小比例尺資料的過渡。因此，傳統(tǒng)的通過用沿岸設立潮位站，對大面積海域的測量資料進行單站潮位改正的測繪方式已經(jīng)無法滿足精度的要求，我們不得不將目光投向?qū)y量資料進行多站潮位改正這一研究方向。然而受海洋潮汐、地球曲率、涌浪等諸多外界因素的影響，多潮位站海道地形測量對潮位站的布設尤其是海域臨時潮位站的布設、海域臨時潮位站零點聯(lián)測、基面計算與傳遞的要求較為嚴格。雖然針對每種技術要求都有多種處理方法，但多潮位站海道地形測量的綜合性較強，難度較大，從而導致了該類項目實施困難。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多潮位站海道地形測量潮位控制方法和裝置，實現(xiàn)精確測量潮位，進而對大面積海域進行有效控制，實現(xiàn)大面積多潮位站海道地形測量的目的。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術方案是潮位站布設、潮位數(shù)據(jù)采集、海域臨時潮位站零點聯(lián)測、基面計算與傳遞；

所述潮位站布設，在測試區(qū)域至少設置一個沿岸基準潮位站和一個海域臨時潮位站，海域臨時潮位站使用特定水位自記儀固定裝置拋射在海域中設計位置；

所述采集潮位數(shù)據(jù)采集，同步收集沿岸基準潮位站與海域臨時潮位站潮位數(shù)據(jù)3天以上，且沿岸基準潮位站連續(xù)觀測1個月潮位數(shù)據(jù)用于潮汐調(diào)和分析；

所述海域臨時潮位站零點聯(lián)測，根據(jù)同步收集的沿岸基準潮位站與海域臨時潮位站潮位數(shù)據(jù)，采用最小二乘擬合模型傳遞潮位站零點高程，最小二乘擬合模型如下：

T_B(t)＝γ_AB·T_A(t+δ_AB)+ε_AB，

式中：

T_A(t)──基準潮位站A的實測潮位(m)；

T_B(t)──海域臨時潮位站B的實測潮位(m)；

γ_AB──基準潮位站A與海域臨時潮位站B的潮差比；

δ_AB──基準潮位站A與海域臨時潮位站B的潮時差；

ε_AB──基準潮位站A與海域臨時潮位站B的起算零點差；

所述基面計算與傳遞：通過潮汐調(diào)和分析和半潮差法計算測區(qū)內(nèi)基面轉(zhuǎn)換關系，兩種方法相互驗證，確?；孓D(zhuǎn)換關系的正確性。潮汐調(diào)和分析模型如下：

臨時潮位站在任意t時刻的潮高h(t)可表為

其中H₀為平均海平面，f_k為節(jié)點因子，R_k為分潮角速度，(v₀+u)_k為

分潮初相，H_k、g_k即為分潮調(diào)和常數(shù)；

半潮差法計算模型如下：

式中：L′_x為臨時潮位站深度基準面與同步期平均海面的高差(m)；

L為長期潮位站深度基準面與同步期平均海面的高差(m)；

P_x為臨時潮位站同步期的平均半潮差(m)；

P為長期潮位站同步期的平均半潮差(m)。

一種多潮位站海道地形測量潮位控制的水位自記儀固定裝置包括固定盤，在所述固定盤中心點設有中心桿，二根加強桿一端連接在中心桿上、另一端連接在固定盤邊緣上，二根加強桿之間的夾角大于10度，二根所述的加強桿之間通過連接桿連接，在其中一根加強桿與連接桿的連接處設有固定繩套筒，固定繩一端穿過固定繩套筒連接在另一根加強桿上；

水位自記儀設在中心桿上；

所述中心桿與所述加強桿中設有配重。

進一步講，所述中心桿下端設有連接接頭，水位自記儀通過連接接頭連接在中心桿上。

進一步講，固定繩通過滑動套筒連接在加強桿上，固定繩一端通過滑動套筒連接在加強桿上、另一端連接指示浮漂，滑動套筒套在加強桿上、并通過彈性部件連接。

進一步講，指示浮漂上還設有GPS定位裝置。

進一步講，滑動套筒直徑是加強桿直徑的1.5-2.5倍，滑動套筒與加強桿之間至少設有一根橫向彈性部件和一根縱向彈性部件連接。

本發(fā)明的優(yōu)點是，(1)通過特定水位自記儀固定裝置能夠穩(wěn)固安全的固定海域臨時潮位站水位自己儀，進而獲得有效的海域潮位資料。(2)利用最小二乘擬合理論能夠?qū)崿F(xiàn)海域臨時潮位站與沿岸基準潮位站之間的零點聯(lián)測。解決了海域臨時潮位站潮位計零點無法獲取這一難題。(3)分別利用潮汐調(diào)和分析法和半潮差法求解潮位站間的基面轉(zhuǎn)換關系，求解成果相互驗證，確?；孓D(zhuǎn)換關系的正確性。

附圖說明

圖1最小二乘擬合法模型。

圖2黃海某海域臨時潮位站位置圖。

圖3多潮位站海道地形測量潮位控制的水位自記儀固定裝置結(jié)構示意圖。

圖4滑動套筒與加強桿連接示意圖。

圖5潮位數(shù)據(jù)預處理示意圖。

圖6該海域附近長期潮位站基面關系圖。

圖7海域臨時潮位站“2#”站基面關系。

如圖中，固定盤1、中心桿2、加強桿3、連接桿4、固定繩套筒5、固定繩6、水位自記儀7、滑動套筒8、彈性部件9。

具體實施方式

本多潮位站海道地形測量潮位控制方法的理論基礎：

(1)最小二乘擬合模型

如圖1所示，以時間為X軸，潮位值為Y軸，曲線T_A(t)與T_B(t)為基準潮位站A、臨時潮位站B同步潮位曲線兩同步潮位曲線存在三個參數(shù)方面的差異，包括水平位移即兩潮位間的潮時差δ_AB；垂直位移即兩驗潮站的基準面偏差ε_AB(應用到本文為兩驗潮站的起算零點差)；和同步潮位值的比值即潮差比γ_AB。則曲線T_A(t)與T_B(t)存在下列關系：

T_B(t)＝γ_AB·T_A(t+δ_AB)+ε_AB (1)

式中：

T_A(t)──基準潮位站A的實測潮位(m)；

T_B(t)──臨時潮位站B潮位站的實測潮位(m)；

γ_AB──兩潮位站的潮差比；

δ_AB──兩潮位站的潮時差；

ε_AB──兩潮位站的水尺零點差。

(2)半潮差法

臨時潮位站附近有一個長期或短期基準潮位站時，臨時潮位站的理論最低潮面可通過長期或短期潮位站的基面關系推算求得。根據(jù)《JTS131-2012,水運測量規(guī)范[S]》所述，在大潮期同步觀測兩站水位2～3d，計算同步期平均海面。兩站潮差差值不大于0.1m時，臨時水位站的深度基準面與同步期平均海面的高差，可借用鄰近長期或短期水位站的深度基準面與同步期平均海面的高差值；當兩站潮差差值大于0.1m時，臨時水位站深度基準面與同步期平均海面的高差應按下式計算：

式中：L′_x為臨時潮位站深度基準面與同步期平均海面的高差(m)；

L為長期潮位站深度基準面與同步期平均海面的高差(m)；

P_x為臨時潮位站同步期的平均半潮差(m)；

P為長期潮位站同步期的平均半潮差(m)。

(3)潮汐調(diào)和分析

臨時潮位站附近無基準潮位站或基準潮位站離測區(qū)較遠，可根據(jù)潮汐調(diào)和分析求解臨時潮位站的基面轉(zhuǎn)換關系。

由潮汐理論知，海洋中的潮汐主要是由月球和太陽對地球的引潮力所致。所謂調(diào)和分析，就是把月球等天體引起的復雜的潮汐現(xiàn)象，分離成由許多假想天體相對于地球作均速圓周運動而產(chǎn)生的潮汐(即分潮)之和。即對某一潮位站，在任意t時刻的潮高h(t)可表為

其中H₀為平均海平面，f_k為節(jié)點因子，R_k為分潮角速度，(v₀+u)_k為分潮初相，H_k、g_k即為分潮調(diào)和常數(shù)。

利用M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁、M₄、MS₄、M₆、S_a、S_sa等13個分潮的調(diào)和常數(shù)，根據(jù)弗拉基米爾法可計算出理論最低潮面與高程基準的基面偏差。

以黃海某海域水下地形測量項目為例

(1)潮位站布設

1)潮位站點位選擇

以黃海某海域水下地形測量項目為例，如圖2，測區(qū)范圍寬約為20km，長約為40km，為滿足規(guī)范規(guī)定潮位控制要求，在沿岸碼頭設置基準驗潮站，連續(xù)觀測1個月，用于潮位調(diào)和分析；在碼頭南北約10km處各設置一個臨時潮位站，在測區(qū)外側(cè)離岸邊約40km海域設置一個臨時潮位站。岸邊三個臨時潮位站水尺零點高程按四等水準從Ⅲ等水準控制點上引測，海域臨時潮位站起算零點高程通過最小二乘曲線擬合推算。

2)固定架制作與拋射

由于海洋環(huán)境多變，多潮位站海道地形測量潮位控制的水位自記儀固定裝置應保證穩(wěn)定安全，為確保潮位數(shù)據(jù)安全，一般應在重要的潮位站布設2個以多潮位站海道地形測量潮位控制的水位自記儀固定裝置，這樣可以保證在單個水位自記儀故障或丟失的情況下，仍然有可用的潮位數(shù)據(jù)。

在遠離岸邊的區(qū)域拋射水位自記儀應采用質(zhì)量較重的材質(zhì)，并在潮流方向上增加錨繩固定，由于水位自記儀固定架拋射后存在沉降現(xiàn)象，因此應在測量開始前幾天拋射，待其穩(wěn)定后再進行測量作業(yè)。

如圖3中，一種多潮位站海道地形測量潮位控制的水位自記儀固定裝置包括固定盤1，在所述固定盤1中心點設有中心桿2，二根加強桿3一端連接在中心桿2上、另一端連接在固定盤1邊緣上，二根加強桿3之間的夾角大于10度，二根所述的加強桿3之間通過連接桿4連接，在其中一根加強桿3與連接桿4的連接處設有固定繩套筒5，固定繩6一端穿過固定繩套筒5連接在同一根加強桿3上，固定繩6另一端連接指示浮漂，優(yōu)選的指示浮漂上還設有GPS定位裝置，通過GPS定位裝置可以時實了解指示浮漂的位置，以便于對指示浮漂進行定位，方便找到指標浮漂，因固定繩的長度是相對固定的，也可以通過對指示浮漂的定位，以確定下端水位自記儀7位置(因為是定點測量，在測量過程中可能因為海底環(huán)流的原因，使本發(fā)明中的固定裝置偏離原先設定的位置，從而使數(shù)據(jù)失真，通過設置GPS定位置，對水位自記儀7每時斷采集的數(shù)據(jù)進行大致位置標記，從而方便在后期數(shù)據(jù)分析過程中排除干擾數(shù)據(jù))；

中心桿2與加強桿3中設有配重，配重增加了水位自記儀固定裝置自重，利于將此裝置沉入海底：

水位自記儀7設在中心桿2上，優(yōu)選的，中心桿2下端設有連接接頭，水位自記儀7通過連接接頭連接在中心桿2上，通過設置連接接頭可以很方便的更換水位自記儀，即可以實現(xiàn)針對不同深度的海水更換不同型號的水位自記儀。

如圖4中，固定繩6通過滑動套筒8連接在加強桿3上，滑動套筒8套在加強桿3上、并通過彈性部件9連接，優(yōu)選的，滑動套筒8直徑是加強桿3直徑的1.5-2.5倍，滑動套筒8與加強桿3之間至少設有一根橫向彈性部件和一根縱向彈性部件連接，固定繩6通過滑動套筒8作用于加強桿3，可以通過橫向彈性部件或縱向彈性部件變形，緩沖對固定裝置的作用，從而減少固定繩(指示浮漂物受海面水流的影響，并通過固定繩對此裝置進行傳導)對測試數(shù)據(jù)的干擾。

3)水位自記儀的設定

現(xiàn)今采用的水位自記儀多為壓力式水位自記儀，這種水位自記儀設置時需要注意以下兩點：一是大氣壓的測定，水位自記儀是通過不同深度的壓力值減去大氣壓來反算水深，不同測區(qū)的大氣壓不同，應在自記儀中設置測區(qū)實際的大氣壓。二是水位自記儀有各自的量程，不同水深應選取合適量程的自記儀。

水位自記儀的設定方式一般分兩種，一是取瞬時潮位，即水位自記儀記錄某時刻的瞬時值，優(yōu)點是潮位數(shù)據(jù)真實；二是取平均潮位，即水位自記儀記錄某時刻起5S、10S等時段內(nèi)的瞬時潮位取平均作為該時刻的潮位值，優(yōu)點是能夠一定程度上消弱涌浪的環(huán)境影響，減小潮位數(shù)據(jù)預處理中濾波處理的工作量。

(2)臨時潮位站零點聯(lián)測

如該項目測量事例，對于如圖2中“1#”、“2#”、“3#”三個岸邊潮位站的零點可通過水準聯(lián)測和人工比測數(shù)據(jù)計算潮位站水尺零點，將三站的潮位數(shù)據(jù)歸算到1985國家高程基準。位于海上的“4#”潮位站，無法通過水準聯(lián)測的方式確定起算零點，采用最小二乘擬合傳遞推估技術(曲線擬合法)傳遞臨時潮位站的起算零點。

(3)基面計算與傳遞

本次實驗數(shù)據(jù)中各潮位站的1985國家高程基準與理論最低潮面之間的基面關系采用兩種方法相互驗證，確?；骊P系的準確性。

方法一：沿岸基準潮位站“2#”收集1個月的潮位資料，對該站30d的潮位觀測資料，采用潮汐調(diào)和分析法計算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11個分潮的調(diào)和常數(shù)；Sa、Ssa分潮的調(diào)和常數(shù)，由附近長期站一年以上的潮位觀測資料求得，最后采用弗拉基米爾法計算出理論最低潮面與1985國家高程基準的基面偏差。

方法二：收集測區(qū)附近長期潮位站站與“2#”一個月的同步潮位數(shù)據(jù)，以及長期潮位站1985國家高程基準與理論最低潮面的關系，根據(jù)交通運輸部JTS131-2012《水運工程測量規(guī)范》7.4.4.3中所述方法，將基面關系傳遞到測區(qū)。

實驗數(shù)據(jù)處理與分析

(1)潮位數(shù)據(jù)預處理

由于海洋環(huán)境惡劣，受涌浪、行船等因素的影響，水位自記儀原始記錄數(shù)據(jù)多為鋸齒狀，為了得到真實平滑的潮位資料，需要對原始水位資料做平滑預處理。方法有小波濾波處理^[5]、MATLAB平滑擬合函數(shù)、人工干預等，本次采用MATLAB平滑擬合函數(shù)方法(如圖5中)。

如上圖所示：洋紅色鋸齒狀曲線表示原始水位數(shù)據(jù)，灰色表示經(jīng)過平滑擬合后的數(shù)據(jù)，藍色表示實際應用潮位數(shù)據(jù)。由圖中可以看出，漲落潮時使用平滑擬合函數(shù)與實際潮位數(shù)據(jù)吻合較好，高低平潮時擬合數(shù)據(jù)與實際值有一定出入，需要人工干預處理。

(2)潮位站零點聯(lián)測

沿岸臨時潮位站可通過水準聯(lián)測方式，聯(lián)測出潮位站基點高程，再通過每天高低潮時人工驗潮比測方式推算潮位站零點高程；海域臨時潮位站通過最小二乘擬合模型傳遞。1985國家高程基準的水尺零點最小二乘擬合成果如下表：

表1“4#”最小二乘擬合成果表

(2)基面計算與傳遞

方法一：采用潮汐調(diào)和分析法求解，即在測區(qū)基準潮位站“2#”收集1個月的潮位資料，對該站30d的潮位觀測資料，采用潮汐短期調(diào)和分析法計算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11個分潮的調(diào)和常數(shù)，如下表。

表2短期調(diào)和分析成果表

收集附近長期站一年以上的潮位觀測資料采用潮汐長期調(diào)和分析法求解Sa、Ssa分潮的調(diào)和常數(shù)，由于本項目無法收集到附近長期站一年的潮位觀測資料，現(xiàn)用相近海域某長期潮位站全年潮位資料做數(shù)據(jù)分析，如下圖7：

調(diào)和分析成果如下表：

表3長期調(diào)和分析成果表

最后采用弗拉基米爾法計算出理論最低潮面在平均海平面下的高度為L＝1.93m。平面海平面的計算采用面積包圍法，求解同步期平均海平面的高程為M＝0.19m。則通過潮汐調(diào)和分析法求得測區(qū)基準潮位站“2#”站理論最低潮面的1985國家高程基準高程為H＝L-M＝1.74m。

方法二：根據(jù)某長期潮位站，理論最低潮面與1985國家高程基準的基面關系，采用半潮差法，將基面關系傳遞到測區(qū)基準潮位站“2#”站。長期潮位站站基面關系如圖6：測區(qū)基準潮位站“2#”站基面關系如圖7：

則由半潮差公式：LX/PX＝L/P得：測區(qū)基準潮位站“2#”站理論最低潮面的1985國家高程基準高程為H＝1.71m。

由上面分析可以看出通過兩種方法推算基準站“2#”站的基面轉(zhuǎn)換關系符合性較好。