基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法及装置、存储介质

摘要

本发明公开了一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法及装置、存储介质，其中，所述方法包括步骤：首先利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型，然后根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型，最后根据所述瞬时天文潮数值模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型，通过构建的瞬时水位模型实现测区潮位的精准改正，获得准确的水深测量数据，从而解决了现有技术在进行水深测量时，因测区的验潮站分布较少或者测区的潮流场复杂导致潮位无法得到准确改正的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及水深测量领域，尤其涉及基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法及装置、存储介质。

背景技术

现今，水深测量已经成为海道测量的中心工作，同时水深测量也是制作海图、获取海底地形变化的最有效途径，水深测量的手段有很多，包括机载激光水深测量和卫星遥感水深反演等，然而，对于近海沿岸海域水深测量，目前仍然以船舶走航测量为主，不管通过何种手段，水深测量所测成果大部分为测量时刻的瞬时海面高，在不同时刻包含了不同大小的由潮汐引起的水位影响，不同于远洋测量，在近海，特别是沿岸海区，由于水深较浅，潮汐成为制约水下地形测量精度的主要因素，并且由于浅水效应，沿岸海域的潮差也远大于远洋海域，因此，在高精度的近海沿岸水深测量作业中，潮位改正成为一项必不可少的作业内容。

瞬时海面受到潮汐效应的影响而具有动态特征，海道测量过程中为了得到稳定的水下地形水深数值，必须消除掉潮汐的影响，即将海区瞬时测深值归化到一个稳定的已知深度基准面上去的过程称为潮位改正，由于潮位改正的精度直接影响最后成图的精度，因此世界各沿海国家对潮位改正都十分重视，由于各国的海区情况及技术要求有所不同，因此所采用的潮位改正的方法也有所不同，但其基本原理均是基于测量海区验潮站的水位观测信息或潮汐预报值进行时间内插和区域空间内插，这些插值算法大多数采用的是空间几何插值，然而，当测区验潮站分布不足时或者测区潮流场变化复杂时，测区潮位的空间变化可能和几何插值出来的结果不相符，甚至会出现较大的误差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法及装置、存储介质，旨在解决现有方法进行水深测量时，由于测区验潮站分布较少或者测区潮流场变化复杂，使得潮位无法得到准确改正的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法，其中，包括步骤：

利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型；

根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型；

根据所述瞬时天文潮数值模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型，通过所述瞬时水位模型实现测区潮位的精准改正。

所述的潮位改正方法，其中，所述步骤利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型，具体包括：

确定模拟区域并提取模拟区域岸线数据，制作模拟区域的精细化网格；

测量并计算测区水深数据，将所述水深数据加载到所述精细化网格中，得到海洋数值模式所需的域条件；

利用分潮的调和常数预报给出与模拟时长一样的开边界点上的一年潮位预报数据，依据选用模式的需求，对数据进行处理，得到相应格式的开边界条件；

选择并设置海洋数值模型启动前的初始条件，对测区内的天文潮过程进行高精度的数值模拟，得到瞬时天文潮数值模型。

所述的潮位改正方法，其中，所述步骤根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型具体包括：

基于测区分布的长短期验潮站验潮数据，利用调和分析原理，对潮位进行调和计算，从而获得分潮调和常数；

对调和常数进行修正，得到稳定性较高的调和常数，并基于稳定的调和常数进行潮位预报；

利用验潮站实测潮位减去预报潮位值，得到该验潮站的余水位值，再基于所有验潮站的余水位值，利用插值算法，得到测区内余水位模型。

所述的潮位改正方法，其中，所述步骤根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时剩余水位修正模型还包括：

提取海洋数值模式本身的模拟误差和余水位提取过程中的剩余误差，利用插值算法，构建瞬时剩余水位修正模型。

所述的潮位改正方法，其中，所述瞬时余水位修正模型表达式为R(t)＝h(t)-MSL-T(t)-Δ，其中，R(t)代表余水位序列，h(t)代表实测水位序列，MSL代表平均海面，T(t)代表天文潮位，Δ代表观测误差。

所述的潮位改正方法，其中，所述瞬时剩余水位修正模型表达式为E_i(t)＝h_i(t)-T_i(t)-R_i(t)，其中，E_i(t)表示验潮站i所对应的剩余潮位修正值；h_i(t)表示验潮站i实测潮位值，T_i(t)表示验潮站i的模拟天文潮位值，R_i(t)表示验潮站i的余水位值。

所述的潮位改正方法，其中，所述瞬时水位模型表达式为T_j(t)＝h_j(t)+R_j(t)+C_j(t)，其中，T_j(t)是测深点j处t时刻所求的潮位改正值，h_j(t)是测深点j处t时刻的天文潮位模拟值，R_j(t)是测深点j处t时刻的余水位修正值，C_j(t)是测深点j处t时刻的剩余水位修正值。

一种存储介质，其中，存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述任意一项所述基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法的步骤。

一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正装置，其中，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述任意一项所述基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法的步骤。

有益效果：本发明公开了一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法，首先利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型，然后根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型，最后根据所述瞬时天文潮数值模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型。本发明通过构建的瞬时水位模型能够有效实现测区潮位的精准改正，从而解决了现有技术在进行水深测量时，因测区的验潮站分布较少或者测区的潮流场复杂导致潮位无法得到准确改正的问题。

附图说明

图1为本发明一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正装置较佳实施例的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法及装置、存储介质，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：

S10、利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型；

S20、根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型；

S30、根据所述瞬时天文潮数值模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型，通过所述瞬时水位模型实现测区潮位的精准改正。

具体来说，现有技术进行水深测量时，当测区验潮站分布不足时或者测区潮流场变化复杂时，测区潮位的空间变化可能和几何插值出来的结果不相符，甚至会出现较大的误差，潮位无法得到准确改正，导致水深测量结果的不准确。

为解决上述问题，本发明公开了一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法，其中，所述方法包括步骤：利用海洋数值模式构建瞬时天文潮模型，利用测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型，综合瞬时天文潮模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型，并用于潮位改正。本发明解决了现有方法进行水深测量时，因测区的验潮站分布较少或者测区的潮流场复杂，使得潮位无法得到准确改正，从而导致水深测量结果不准确的问题。

在所述步骤S10中，利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型。

具体来说，天文潮数值模拟是通过海洋数值模式对测区内的天文潮过程进行的高精度数值模拟，模拟分潮数为M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁和M₄九个最主要的分潮，具体方法如下：

选用海洋数值模式：常用的数值模式有FVCOM、POM、ROM和MIKE21等。

确定模拟区域和网格划分：模拟区域要覆盖测区，采用卫星遥感影像目视提取模拟区域岸线数据，利用SMS软件制作模拟区域的精细化网格。在计算区域网格划分的过程中，网格的角度质量控制在30°-120°之间，对复杂的岸线进行了局部加密，岸线平均分辨率约0.002°，开边界平均分辨率约0.01°-0.04°渐变，中间有岛屿部分要采用局部加密。

海底地形反演：准备测区水深数据，水深数据的质量对天文潮模拟精度影响很大。选用海军航海保障部出版的测区内所有海图水深数据，该水深数据是基于理论深度基准面，需要根据测区长期验潮站所提供的当地理论深度基准面与平均海平面的插值L，进行水深数据的基准转换。最终将水深数据基准转换为平均海平面。利用SMS软件，将水深数据加载到制作好的网格中去，最终得到天文潮数值模拟所需求的domain(域)条件。

开边界条件：开边界条件是数值模拟最主要的部分。利用OTPS程序中M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁和M₄九个分潮的调和常数预报给出模拟时长一样的开边界点上的一年潮位预报数据，该时间包含测区作业时间，时间间隔为1小时，潮位基准采用平均海平面，然后，根据选用数值模式需求，将开边界制作相应格式要求。

海洋数值模式启动：模式在启动前还需要设置初始条件，模式采用冷启动，温度设置为10℃(年平均表层水温)，盐度设置为35‰，采用Smagorinsky湍流封闭模式作为水平混合方案，摩擦系数设置为0.001，水平混合系数为0.1，模型模拟时间与开边界条件设置时间相一致，模式每小时输出一次结果，根据输出的结果数据构建瞬时天文潮数值模型。

更进一步地，在本实施例中，所述步骤S20、根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型。

瞬时余水位修正模型是基于测区分布的长短期验潮站验潮数据，利用调和分析原理，对潮位进行调和计算，从而获得分潮调和常数；再利用相关算法对调和常数进行修正，得到稳定性较高的调和常数；再基于稳定的调和常数进行潮位预报，从而得到预报潮位；最后，利用验潮站实测潮位减去预报潮位值，从而得到该验潮站的余水位值；再基于所有验潮站的余水位值，利用适应的插值算法，便可得到测区内余水位模型。

具体来说，余水位是指由于受到风、气压、降水等短周期随机气象因素而引起海面扰动，导致出现短期水位异常现象，其数学表达式可列为：

R(t)＝h(t)-MSL-T(t)-Δ 公式(1)，其中，R(t)代表余水位序列，h(t)代表实测水位序列，MSL代表平均海面，T(t)代表天文潮位，Δ代表观测误差(可忽略)。MSL和T(t)由对实测水位的调和分析而得。作为具有信号特征的余水位部分，尽管不能确定其明确的函数模型，但在近海和沿岸，由于余水位的较强的空间相关性，它有比潮汐在空间尺度具有更大的渐变的规律，当以适当的方法即可实现余水位空间场的重构。

1)、分潮调和常数计算方法：潮位主要由月球、太阳等天体的引潮力作用下所产生的潮汐可以由多个余弦项的叠加形式表达，其中每个余弦项代表一个分潮，其计算公式为：

式中：a₀表示平均海平面，m表示分潮数目，a_j＝f_jH_jcos[g_j-(v₀+u)_j],b_j＝f_jH_jsin[g_j-(v₀+u)_j]，f_j表示节点因子，σ_j表示分潮角速度，(v₀+u)_j表示分潮初相，t表示瞬时时间，H_j、g_j即为分潮调和常数。调和分析就是通过算法去逼近实际的潮位ζ(t)。采用选取对应观测时段的中间时刻作为计算的时间原点。按最小二乘原理，必须使：

当D为最小，以此确定系量a_j，b_j。若取369天的资料作为分析，式中T＝8856小时。

把(2)式代入(3)式得：

对连续变量求积分，利用离散化的观测值替代，其中t＝kΔt＝k(通常取1小时)，于是K＝-N，-N+1，…，0，…N-1，N，若取369天，则T＝369*24＝8856＝2N，所以N＝4428，2N+1＝8857。为了方便起见，下面求和时头尾两项各取一半，这从最小二乘法的意义出发，并不失一般性。

为方便起见，把a₀作为角速率为零的一个特殊分潮处理。当头尾两项各取一半时，可将公式(4)写成为：

根据最小二乘法的原理，求D对a_j，b_j的偏导数，并令其等于零，得到公式(6)：

m为分潮总数，Σ表示求和时头尾两项各取一半。同时，因为公式(7)：

∑sinσ_jkcosσ_jk＝∑cosσ_jksinσ_jk＝0；

所以公式(6)可以写成为：

将得到的系数带入公式(6)中，便可得到两个对称方程组。对前一个方程组有m+1个方程，可解出a₀，a₁，…，a_m，后一个方程组有m个方程，可解出b₀，b₁，…，b_m。

求出a和b之后，我们就可以根据下面的式子计算R和θ：

求出R和θ后，就由中间日期的时刻，计算f，V₀+u，进而就可以求出调和常数H，g。

2)、根据调和常数进行潮位预报：上面介绍了利用潮汐调和分析求得各分潮的调和常数的算法。利用求得的分潮调和常数也可以进行任意时刻的潮位预报。

其中，m为分潮的个数，f是预报日分潮的节点因子；(V₀+u)是预报日分潮的格林威治时间初相角；A₀是年平均海面或多年平均海面的高度。

3)、瞬时余水位修正模型：由公式(1)可知，余水位的提取精度取决于天文潮位的精度。其中天文潮潮位是根据验潮站的分潮调和常数预报得到，因此分潮调和常数的稳定性决定了余水位提取精度。在实际水深测量作业中，通常只会有一些长期验潮站短期验潮数据，或者施工方会布设一些短期站作为进行潮位观测，然而短期验潮数据直接进行调和分析所获得的调和常数往往精度比较低。因此，采用下面两种余水位提取方法，可有效解决这个问题。

(1)有稳定调和常数的短期站余水位提取

根据调和常数稳定性的研究，利用一年潮位资料(每小时进行)调和分析得到的调和常数具有极好的稳定性。因此对于统一站点具有某一整年的潮位观测资料和其他时间某一个月观测资料，可通过一年的潮位调和分析得到稳定的调和常数，然后利用稳定的调和常数对短期站观测时间段进行水位预报，最后利用实测时间段的水位值减去预报的水位值，公式如下：R(t)＝h(t)-MSL-T_L(t)公式(14)，其中，h(t)表示短期实测潮位数据，MSL表示该点的平均海平面，T_L(t)表示具有稳定调和常数进行水位预报所得的预报水位值。

(2)无稳定调和常数的短期站余水位提取

一个月潮位观测数据称为中期观测资料，只能保证满足潮汐变化的基本周期，与一年观测资料调和分析所得到的结果存在着明显偏差，同时这种偏差在同步观测的邻近验潮站之间具有一定的相关性。根据这种相关性，对涉及的短期验潮站所得的调和常数进行改进。

其中，H、g分别为所研究分潮的振幅和迟角；第二个下标m和L分别表示月和整年资料分析结果。而对待订正验潮站B具有同样的变化表达式：

假定在两站，整月资料调和分析的结果与多年或者整年分析结果的差异相等，即：ΔH_Am＝ΔH_Bm，Δg_Am＝Δg_Bm；根据公式(15)和(16)有：

其中，A潮位长期观测站，B为潮位短期观测站。

利用该算法对短周期潮位资料所得的分潮调和常数进行精化，从而获得精准的结果。然后利用修正后的结果做水位预报来提取余水位，公式如下：

R(t)＝h(t)-MSL-T_m(t)公式(18)，其中，h(t)表示短期验潮站潮位资料，MSL表示平均海平面，T_m(t(表示修正后的调和常数所得预报水位。

根据上述两种余水位提取算法，便可得到的各个验潮站的修正值序列，利用反距离加权公式如下：

其中，R_j(t)为点j处t时刻的余水位修正值，R_i(t)表示验潮站i的t时刻所提取的余水位修正值；j为测深点的空间位置，i为验潮站的序号；λ_i是水位H在测深点j处t时刻验潮站i的权重，p表示指数值。

再进一步的，在本实施例中，所述步骤S20还包括：

提取模式本身的模拟误差和余水位提取过程中的剩余误差，利用插值算法，构建瞬时剩余水位修正模型。

具体来说，剩余水位误差包括模式本身的模拟误差和余水位提取过程中的剩余误差组成。剩余水位误差包含着具有一定的空间相关性的误差，同时还存在着非线性的误差。剩余水位的计算公式如下所示：E_i(t)＝h_i(t)-T_i(t)-R_i(t)公式(21)，其中，E_i(t)表示验潮站i所对应的剩余潮位修正值；h_i(t)表示验潮站i实测潮位值，T_i(t)表示验潮站i的模拟天文潮位值，R_i(t)表示验潮站i余水位值。

由于剩余水位中存在着线性误差，因此整个测区存在一种稳定的误差序列。对测区各验潮站剩余水位值进行关系分析，可以得到各验潮站之间的相关性系数。

其中，ρ表示变量X和Y之间线性相关密切度的特征值。

对于剩余水位的内插本文使用较为常用的改进后的时差法水位内插法：

公式(23)，其中C_j(t)测深点j处t时刻的剩余水位改正值，μ_i为验潮站i的相关系数权重值，，S_j(t)为将验潮站j与最相关验潮站之间水位插值算法。D_AB为时差法中的A、B两个验潮站，D_AB为A、B之间的距离，D_Aj、D_Bj为测深点j到A、B两站的距离，S_A(t)、S_B(t)为A、B两站的水位序列，Δt_AB(t)为A、B两站的时差序列，Δt_Aj(t)、Δt_Bj(t)为测深点j到A、B两站的时差序列。时差法改进模型的主要是将A、B两站的时差改成具有即时性，以便更好的反映剩余水位误差变化。

综合瞬时天文潮模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型，可得到测区瞬时水位模型：T_j(t)＝h_j(t)+R_j(t)+C_j(t)公式(25)其中，T_j(t)是测深点j处t时刻所求的潮位改正值，h_j(t)是测深点j处t时刻的天文潮位模拟值，R_j(t)是测深点j处t时刻的余水位修正值，C_j(t)是测深点j处t时刻的剩余水位修正值。

通过本发明构建的瞬时水位模型能够有效实现测区潮位的精准改正，得到准确的水深测量数据，从而解决了现有技术在进行水深测量时，因测区的验潮站分布较少或者测区的潮流场复杂导致潮位无法得到准确改正的问题。

基于上述方法，本发明还提供了一种存储介质，其中，存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述任意一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法的步骤。

更进一步，本发明还提供一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正装置，其中，如图2所示，包括处理器10，适于实现各指令；以及存储设备20，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器10加载并执行上述任意一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法的步骤。

综上所述，本发明公开了一种基于构建瞬时水位模型的潮位改正方法，首先利用海洋数值模式对测区内的天文潮位进行数值模拟，得到包含测量作业时间在内的瞬时天文潮数值模型，然后根据测区分布的验潮站观测的验潮数据构建瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型，最后根据所述瞬时天文潮数值模型、瞬时余水位修正模型和瞬时剩余水位修正模型构建瞬时水位模型。本发明通过构建的瞬时水位模型能够有效实现测区潮位的精准改正，从而解决了现有技术在进行水深测量时，因测区的验潮站分布较少或者测区的潮流场复杂导致潮位无法得到准确改正的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。