专题论述∣平均海面确定的精度指标与精度评估
【编者按】本文是大连舰艇学院许军博士为我们平台读者专题编写的，旨在厘清对于平均海面确定长期以来认识上的误区，并对现行《海道测量规范》提出了修改意见。文章从历史演进的视角，说明了平均海面确定方法及精度指标的由来，对《海道测量规范》中的精度量化指标进行了合理性分析，进而提出了精度评估方法，以体现出质量控制的思想。在此，我们对许军博士务真求实的科学态度表达敬意，也代表广大的海洋测绘从业者表示感谢！许军，1981年出生，男，讲师，博士，大连舰艇学院海洋测绘系，主要从事精密潮汐模型、水位改正、海域垂直基准等方面的理论与技术方法研究。在海道测量中，平均海面、深度基准面与（似）大地水准面等垂直参考面相互关系是由验潮站来维持的。验潮站的平均海面是指具有足够稳定性的平均海面在验潮水位零点上的垂直高度，习称为当地平均海面、（当地）长期平均海面或（当地）多年平均海面。深度基准面是由相对于平均海面的垂直差距来度量，量值为L值。同样也用平均海面与（似）大地水准面的差异反映平均海面与国家高程基准的关系，相应量值为海面地形。因此，平均海面是最基本的海域垂直基准。用于水位改正的每个验潮站（点）都需确定其多年平均海面在水位零点上的垂直高度。对于具有多年实测水位数据的长期验潮站，其平均海面的确定依定义独立计算，而对于短期或临时验潮站，需由邻近长期验潮站以平均海面传递技术确定其多年平均海面。现行的《GB12327-1998海道测量规范》中规定：长期验潮站采用2年（含）以上连续水位观测数据，取其每小时的平均值求得平均海面。短期验潮站的平均海面，一般用邻近的两个长期验潮站的平均海面转测求得，转测误差不得大于10cm。临时验潮站的平均海面，可利用与邻近的长期验潮站或短期验潮站以几何水准法或同步改正法求得。海上定点验潮站的平均海面，可由与邻近长期站或短期站以同步改正法求得。对于长期站与短期站，分别规定了数据时长和精度指标，更短时长的临时站与定点站只规定了传递方法。其中，“转测误差不得大于10cm”是唯一的精度量化指标。本文将首先考证该精度指标的由来，再分析其合理性，并对精度评估与规范改进提出了设想。王志豪撰写的《应用潮汐文集第二集——中国的海平面与基准面》（1986）较详细地叙述了我国海道测量中平均海面确定的历史进程，可总结归纳为三个阶段（时间段）：1957年以前、1957～1959年、1959年及以后。10cm精度指标要求出现于第三阶段 。作业范围往往限于孤立的一幅或半幅海图，水位改正方法基本沿袭英、日等留下的作业方法，只在靠近测图中部作业人员驻地附近设置一个验潮站，进行30天或15天连续的潮位观测，直接计算平均海面。前苏联专家指导海道测量的作业实施，为中国制定了海道测量技术设计书，水位改正基本按前苏联的作业要求进行，对验潮站明确规定了有效作用范围的限制，并开始普遍采用潮汐分带法。为了计算平均海面，每个验潮站的连续观测时间要求尽量长，最少一年，但因实际做不到而改为要求达到3～6个月。如1957～1959年在黄渤海以及1959年在东海设置的验潮站中半数左右进行了3～6个月的连续观测，独立计算平均海面，而其他站都进行一个月的连续观测，按差比法转测平均海面。1959年，通过实践总结，认为前苏联独立计算平均海面的作业方法脱离了中国潮汐十分复杂的实际，连续3～6个月的潮位观测需要庞大的人力支出，但仍可能存在20～30cm误差。这是因为没有充分认识到中国海区月平均海面随季节而具有的明显规律性。通过反复的实践与认识，提出了后称之为“同步季节改正”、“图解法求平均海面”、“海面水准”或“同步改正法”等平均海面确定方法，仅观测一个月即可获得±2～5cm误差的平均海面，仅观测一天可获得±10cm误差的平均海面。在获得前苏联专家的认可后，1959年将海道测量技术设计书规定的3～6个月的验潮站改为一个月的验潮站。并逐步制定了如下规则：①规定了“验潮站平均海面的作用范围”：验潮站处与测深点处的平均海面高度差（即两处海面地形间的差异），满足给定误差要求时的有效范围。进一步根据中国海区已有多年平均海面的长期验潮站分布和当地平均海面与黄海平均海水面的高度差异，分析认为若按±10cm的误差要求，对应的长期验潮站作用范围为100～200km，当时已有十年观测时长的长期验潮站一般能够满足这个要求。②对于其他类型验潮站，制定了平均海面计算的作业原则：“相距100～200km的长期验潮站观测的多年平均海面，按几何水准法或海面水准法转测至各验潮站，转测误差以±10cm要求”。“转测误差不得大于10cm”从1959年提出并指导实践开始，成为传递确定平均海面的精度指标，并以条目体现于海道测量规范中。该指标通常理解为“传递确定平均海面的中误差小于10cm”（文援兰等，1994；暴景阳等，2001）。该精度指标的合理性应分两个层次：一是指标提出时的合理性；二是延续至目前的合理性。简要分析如下：
⑴1959年，由大量的实践与试验总结的事实说服前苏联专家，才实现了作业方式的改变（验潮时长缩短、独立计算改为传递），并进而提出了±10cm的误差要求。该要求与长期验潮站分布密度和传递方法的实施相匹配：①对于几何水准法（水准联测法），其假设条件是长期站与短期站的海面地形一致。当时我国沿岸长期验潮站的分布间隔约100～200km，以短期站处于两站中间计，现据海面地形模型（邓凯亮等，2009）估计，该假设条件的误差约在5cm内。再顾及水准点高程误差（或水准联测的误差），转测误差不大于10cm的要求是合适的。②对于海面水准法（同步改正法），根据实践与实验，认为中国沿海进行一至二次24小时持续观测即能满足±10cm的误差要求。许军等（2014）以中国沿岸典型验潮站（相距50～100km）的实测水位数据统计同步改正法的精度，结果表明，该结论是正确的。总之，“转测误差不得大于10cm”的要求，充分考虑了当时长期验潮站条件与两种传递方法的应用需求，并经过了实践与试验的检验，因此，是合理的且完全可满足的。⑵半个多世纪后的当今，验潮的难度与人力支出已大幅降低，长期验潮站分布密度也显著增大，因此，提高平均海面传递精度的客观条件是充分的。同时，考虑到目前的测深仪器与技术现状，对于沿岸浅水海域的工程测量，特别是港口与重要航道的多波束全覆盖测量，平均海面作为深度基准面的更高一级的垂直基准，中误差10cm的精度指标已明显过低。笔者认为以10cm作为95%置信度的误差指标是较合适的，也可近似地取为2倍中误差，即中误差为5cm。
采用传递技术确定短期（或临时）验潮站的平均海面，是规范的明确规定，实践也是这么执行的。但通常只说明引用的长期站信息与传递方法（以同步改正法为主），甚少对平均海面的确定精度进行评估。这与目前对水深测量成果质量评估的认识有关：主检测线交叉点（含多波束重叠区域的重合点）不符值反映了水深测量所有误差的综合影响。但实际上，各站点平均海面（以及深度基准面）的误差将扭曲测区水深起算面，是与时间无关的系统性偏差。因此，平均海面的确定精度应独立评估，基本思路是不同方法、不同基准站的传递结果间进行互相检核，工作内容建议如下：
⑴统计差异的量值及规律性，分析原因，如：①同一基准站不同方法传递值间的差异较大，可能与同步时长（7d内应慎用回归分析法）、缺测情况（同步改正法未限制只采用两站同时刻数据、回归分析法因缺测使日平均海面不准确）、水准点高程系统不一致或沉降等有关；②同一基准站不同方法传递值间的差异较小，但不同基准站传递值间存在系统性的差异，可能与基准站间的平均海面历元不一致等有关。⑵给出各传递值的取舍意见、最终取值的计算方法（多值平均或加权平均）以及精度指标。
整体上，将改变“只给出量值，而无精度评估与指标”的现状，体现质量控制的思想。如引言所述，现行的《GB12327-1998海道测量规范》涉及平均海面的条目分别针对长期站与短期站（或临时站），修改意见与原因简述如下：⑴删除“长期验潮站采用2年（含）以上连续水位观测数据，取其每小时的平均值求得平均海面”的规定。在海道测量实践中，长期站处的垂直基准关系（平均海面、国家高程系统、水位零点、深度基准面等之间的关系）是已知信息，直接用于短期验潮站的基准面传递确定，通常不考虑该垂直基准关系的确定问题，实际上也很难对此问题进行考证，更不可能涉及其长期实测水位数据处理与基准面计算。因此，该条目更适合于长期站运行维护的相关规范或规定中，以满足海道测量应用需求。另一方面，以2年作为时长要求也需进行论证。⑵整合短期站与临时站的相关规定，修改为“短期站与临时站的平均海面应由邻近长期站传递确定，对传递精度进行评估，误差不得大于10cm（95%置信度）”。对于作业单位布设的短期站与临时站，强制要求采用传递技术，明确质量控制要求。⑴短期站的平均海面应采用传递技术进行确定，“转测误差不得大于10cm”是唯一的量化指标，通常理解为中误差10cm。在1959年提出时，该精度指标是与当时长期验潮站条件与两种传递方法的应用需求相匹配的。考虑目前的客观条件，建议以10cm作为95%置信度的误差指标，或近似地取为2倍中误差，即中误差为5cm。⑵建议对海道测量规范涉及平均海面部分进行修改：①删除对长期站时长要求的条目；②对于短期站与临时站，规定必须采用传递技术（但不指定具体方法），提出明确的精度指标，并要求进行精度评估。平均海面是比深度基准面更高一级的垂直基准，其精度评估应该得到足够的重视。在本次海道测量规范修订中，应进一步强化质量控制要求，设定与技术现状与发展趋势相匹配的精度指标。本文的拙见以供参考。▲王志豪.1986.应用潮汐文集第二集——中国的海平面与基准面.▲文援兰,熊介,杨元喜.1994.几种平均海面模型的数字实现与比较[J].解放军测绘学院学报,11(3):167-170.▲国家质量技术监督局.1998.GB12327-1998 海道测量规范[S].北京:标准出版社.▲暴景阳,章传银.2001.关于海洋垂直基准的讨论[J].测绘通报,6:10-11.▲邓凯亮,暴景阳,章传银,等.2009.联合多代卫星测高数据确定中国近海稳态海面地形模型[J].测绘学报,38(2):114-119.▲许军,暴景阳,刘雁春,等.2012.平均海面同步改正传递法的误差分析[J].海洋测绘,32(4):22-24.▲许军,暴景阳,于彩霞.2014.平均海面传递方法的比较与选择[J].海洋测绘,34(1):5-7.■致谢：感谢许军博士对我微信公众平台的支持与厚爱，同时感谢暴景阳教授对本文作出的审核。
