中國南海海底地形模型

摘要

針對目前大面積海域依然存在海深測量數據空白的問題，該文選取中國南海（12～16°N，115～119°E）海域範圍為研究區域，通過頻率域上的相關性分析，得到重力異常在30～130 km波長範圍與研究海域海底地形的相關程度較高。以ETOPO1海深模型作為先驗模型，應用導納函數實現了在無船測數據情況下對海深的反演，最終得到1（′）×1（′）的海深模型。將反演結果與檢核點進行比較發現，模型1在2 500 m以上海域相對誤差較小，反演精度較高；2 500 m以下海域相對誤差變化大，反演精度較低。無船測數據環境下，適當加入一定數量船測海深值作為控制點得到的海深模型2，相較於未加控制點的模型1，在1 000 m以下水深處的標準差明顯優於模型1，與檢核點的差值精度最大提高了45%左右。

引用格式

范雕，李姍姍，孟書宇，等．導納函數的中國南海海底地形模型［Ｊ］． 測繪科學，２０１８，４３（７）：４４-４９．

正文

海底地形模型是數字地球高程模型的重要組成部分。隨著衛星觀測技術的發展，陸地的數字高程模型精度和解析度不斷提升。海水表面的高程模型隨著測高衛星數據的不斷積累，精度和解析度也達到較高水平。然而，海底地形由於受觀測條件的限制，其高程模型的精度和解析度較之於陸地高程模型和海面高程模型差距甚遠。為了解決這一問題，當前的方法主要包括船載聲吶測深、機載激光測深、水深遙感和衛星測高重力反演等。

相比於運用船載聲吶技術測量水深，利用空天信息反演水深具有高效率測量全球水域水深的優勢，可彌補船載水深測量效率低、測量點分布不均勻和難以對全球水域進行測量的問題。基於重力數據的水深反演可在全球大規模實施，所需的重力數據可由重力衛星和測高衛星高效率、大範圍獲得。衛星測高提供的高精度、高密度的海面高測量數據，為海底地形的反演提供了可行性，近幾十年國內外已有學者對重力值推算海深做過討論研究[1-8]。Haxby（1983）融合Seasat衛星測高數據和重力數據，生產了西南太平洋的重力異常模型。1985年，Haxay用相同演算法，處理Seasat衛星的全部數據，生產了著名的世界海洋重力場地圖。這些地圖彌補了傳統測量的局限，提高了人們對海洋重力場認識的深度和廣度，顯示了衛星測高技術的巨大潛力[9]。

國內大多數文獻對於海底地形反演的研究方法主要以實際船測數據為基礎，通過將船測數據格網化處理得到格網化海深，進而在格網化船測數據基礎上應用相應反演方法推估海底地形[10-12]。然而，地球上大多數海域還處於未開發狀態，實際船測數據十分缺乏，依賴船測數據為基礎反演海底地形過於局限。基於目前研究現狀，本文擬研究在無實際船測數據情況下，探究利用重力異常數據建立海深模型的方法與途徑。並利用實際測深數據作為外部檢核條件，與國際上通用的ETOPO1海深模型進行精度評價和分析。

文章選擇中國南海4°×4°海域範圍為研究區域。由於反演過程在頻率域中進行，為消除邊緣效應的影響，反演範圍在經度和緯度方向分別向外擴大2/（°），然後將反演結果進行截斷處理，得到研究區域的最終海深模型。數據來源：重力異常模型來自於丹麥科技大學空間實驗室（DTU Space）發布的DTU10模型。模型海深數據選擇國家地球物理數據中心（National Geophysical Data Center，NGDC）和美國國家海洋和大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）於2008年8月發布的全球的ETOPO1「冰面」地形模型。利用CRUST1.0地殼模型獲得反演過程中海水密度、洋殼密度等地球物理參數。得到研究海域的海水密度和洋殼密度。作為檢核的海深數據來自於NGDC發布的實測海深數據。將模型值與實測海深值進行互差比較，進而評價最終的反演效果。首先依據準則對實測數據進行粗差剔除，最終得到10 144個海深檢核點。

文章通過ETOPO1海深模型作為先驗模型，依據研究海域重力異常在30～130 km波段內與海底地形相關程度高的特點，應用導納函數實現了在無船測數據情況下，對研究海域海深的反演。同時，開展了依據船測數據對反演結果進行外部檢核工作，結果表明模型1在2 500 m以上海域相對誤差較小，反演精度較高；2 500 m以下海域相對誤差變化大，反演精度較低。

無船測數據環境下，適當加入一定數量船測海深值作為控制點得到的海深模型2，相較於未加控制點的模型1，在1 000 m以下水深處的標準差明顯優於模型1，與檢核點的差值精度最大提高了45%左右。

編輯：鄧國臣

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