我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式

第24卷第1期

2004年2月

大地测量与地球动力学

JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICS

Vol.24,No.1

　Feb.,2004

　　文章编号:167125942(2004)0120004205

我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式

宁津生　罗志才　(,Ξ

摘　要　高精度局部大地水准面将为测绘学、、的基础地球空间信息。GPS(如三角高程测量和低。在总结和分析我国目前省市,提出了今后精化我国省市级大地水准面的若干建议。

关键词　　技术模式　精化　GPS技术　现状中图分类号:P223　　　　文献标识码:A

PRESENTSITUATIONSANDTECHNICALMODESFORREFINING

PROVINCIAL(MUNICIPAL)GEOIDINCHINA

NingJinsheng,LuoZhicaiandLiJiancheng

(SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan　430079)

Abstract　Thepreciselocalgeoidmodelwillprovidetheimportantfundamentalgeo2informationnotonlyfor

surveyingandmappingbutalsoforstudyingsomerelatedproblemsofgeophysics,oceanographyandgeodynam2ics.GPStechnique,alongwiththehighprecisionlocalgeoid,canbeemployedtosubstitutethetraditional(heightsurvey),suchastrigonometricheightingandlowprecisionleveling.Thisisoneoftheprincipalobjec2tiveofrefiningthelocalprovincial(municipal)geoidforgeodesyandgeomaticsin

China.Thepresentsitua2tions,technicalmodesandcharacteristicsarefirstanalyzedfortheprecisedeterminationofthelocalprovincial

(municipal)geoidinChina,andthensomesuggestionsarepresentedforrefiningthelocalprovincial(municipal)geoidinfuture.

Keywords:localprovincial(municipal)geoid,technicalmode,refining,GPStechnique,presentsituation

1　概述

大地水准面或似大地水准面是获取地理空间信息的高程基准面,过去某个国家或地区的局部高程基准面通常是由该国家或地区多年的验潮站资料确

定的当地的平均海平面,与真正意义上的大地水准面是不同的。传统的水准测量的参考基准只是区域性大地水准面上一个特定的点,由精密水准测量建立的国家或地区性高程控制网是水准测量测定高程的参考框架。GPS技术结合高精度、高分辨率大地

Ξ收稿日期:2003-11-19

基金项目:山东省基础地理信息与数字化技术重点实验室资助项目(编号:SD2003-11)

作者简介:宁津生,中国工程院院士,长期从事大地测量学教学与科研及局部重力场之逼近理论的研究工作

　第1期宁津生等:我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式

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水准面模型,可以取代传统的水准测量方法测定正高或正常高,真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能,使得平面控制网和高程控制网分离的传统大地测量模式成为历史,将为构建“数字城市”“、数字区域”和“数字地球”提供高效的数据采集技术,因此,大地水准面的函数模型或格网数值模型也可以作为一种测定正高或正常高的参考框架。在现今GPS定位时代,精化区域性大地水准面和建立新一代传统的国家或区域性高程控制网同等重要,也是一个国家或地区建立现代高程基准的主要任务①②。

近年来,许多国家和地区先后研制和推出了各自的新一代(似)大地水准面模型,较大。如美国自20世纪,了GEO和GEOID99,其中最新推出的GEOID991’×1’,精度为±2.0cm～±2.5cm[1,2]。整个欧洲地区大地水准面的计算始于20世纪80年代,研制推出了EGG1、EAGG1、EGG94、EGG95、EGG96和EGG97

率先建立高分辨率、高精度省市级大地水准面模型

已成必然趋势。下面讨论武汉大学(原武汉测绘科技大学)在省市级大地水准面精化中取得的主要成果。

2　省、市级大地水准面的精化

2.1　主要省市级大地水准面简介

武汉大学(原武汉测绘科技大学)始终致力于区域性大地水准面精化的研究工作,先后在塔里木盆地、海南省、江苏省、、香港特别行政。

为研制江苏省高精度、高分辨率似大地水准面模型,建立了江苏省C级GPS控制网,该网包括框架网和基本网两部分,共由472个控制点组成,其中框架网6个点,基本网466个点。利用已有的二等水准点、国家高精度GPS(A、B级)网点、中国地壳运动观测网点及三角点等各类控制点358个,新选埋点114个。在计算中采用的其它数据资料包括:(1)在陆地上收集到的8756个点重力数据;(2)由第三版T/P测高数据(1～249周期)、Geosat/GM/ERM测高数据、ERS21和ERS21/168天测高数据、ERS2(0～52周期)数据计算的422475个交叉点上

序列重力似大地水准面模型,其中EGG97的分辨率

达到了1.0’×1.5’,该模型中长波系统误差为±8.0cm,短波误差为±1.3cm[3～5]。加拿大GSD95大地水准面模型具有5’×5’的分辨率以及在几十公里上达到±5cm～±10cm的精度。我国似大地水准面的确定经历了近半个世纪的发展过程,自20世纪50年代至今,国家测绘局和原武汉测绘科技大学先后建立了CLQG60、WZD94[7]和CQG2000[8]大地水准面模型,其中最新研制的似大地水准面CQG2000计算的模型分辨率为5’×5’(实际分辨率略低),高程异常的总体精度为±0.36m,东经102°以东地区约为±0.3m,在东经102°以西、北纬36°以北和以南地区分别为±0.4m和±0.6m[8]。

CQG2000的成功研制是我国精化似大地水准面的一个阶段性进展,其分辨率和精度达到了一个新的水平,但与欧美国家精化大地水准面的先进水平相比还有相当大的差距。从测绘生产的应用看,CQG2000基本上可以满足西部地区中、小比例尺(小于1:1万)航测测图采用GPS测高作地面高程控制的需求;但对于中、东部经济发达地区,大比例尺(如1:5000至1:500)测图更新的需求量呈快速增长的趋势,要求大地水准面模型的分辨率和精度分别达到2～5km和1～2cm,CQG2000与此要求相距甚远。为此,在我国部分省市和经济发达地区

[6]

的海洋重力异常;(3)江苏省分辨率为18″.75×28″.125的数字地形模型和美国NASA/NIMA研制

的2′×2′全球陆地海洋高程海深模型DTM2000;(4)WDM94和EGM96作为参考地球重力场模型。该似大地水准面的分辨率为2.5′×2.5′,其精度优于±0.078m①。

香港大地水准面模型HKGEOID22000以WDM94为参考重力场③[10,7]

,采用的数据包括:(1)香港地区640个分辨率为2～4km的陆地和海洋重力异常,以及香港周边地区2158个分辨率约为1km的陆地和海洋重力异常;(2)50个高精度GPS水准数据,其中GPS椭球高相对于WGS84椭球和ITRF96@1998:121,水准高程相对于香港主要高

程基准面(HKPD),精度优于2cm;(3)覆盖整个香港及其周边地区分辨率为100m的数字地形模型

①陈俊勇.建设我国现代大地测量基准的思考.2003.②晁定波.关于我国似大地水准面的精化及有关问题.2003.③陈俊勇,李建成,姜卫平,等.江苏省似大地水准面技术研究报

告.2002.

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大地测量与地球动力学24卷

(DTM)。该大地水准面的分辨率为1km(实际分

辨率略低),其覆盖范围为:在香港独立坐标系下,南北方向800km至850km,东西方向800km至870km。利用19个独立高精度GPS水准数据的检核

结果表明,HKGEOID22000的实际精度优于±1.7cm①[12]。该大地水准面的精度和分辨率均优于江

地水准面作为控制,将重力学方法确定的高分辨率但精度较低的重力大地水准面与之拟合,以达到精化局部大地水准面的目的。先进的计算方法可以正确有效地利用不同类型的重力场相关信息和数据,但(似)大地水准面计算的最终成果的分辨率和精度主要取决于数据的质量、分辨率和精度。国内外目前在计算局部或区域(似)大地水准面中主要采用移去2恢复技术、FFT/FHT技术、最小二乘配置法、最小二乘谱组合法及输入/输出算法等。重力大地水准面和GPS,,,13]2恢复FFT技术(1D/2DFFT),辅以多项式拟合法或其它拟合方法。在实际计算中通常采用分步计算方法(如HKGEOID22000和SZGEOID22000等),即首先应用移去2恢复原理和1DFFT技术计算重力大地水准面,然后以高精度的GPS水准数据作为控制,采用多项式拟合法或其它拟合方法将重力大地水准面拟合到由GPS水准确定的几何大地水准面上,旨在消除这两类大地水准面之间的系统偏差。一般说来,消除系统误差后的重力大地水准面与GPS水准之间仍存在残差,这些残差包含了部分有用信息,再利用Shepard曲面拟合法、加权平均法及最小二乘配置等对这些剩余残差进行格网拟合,并将拟合结果与消除系统误差之后的重力大地水准面叠加,得到大地水准面的最终数值结果③[11,14]。计算流程如图2所示。

苏省似大地水准面模型。

为了适应目前深圳市经济建设与科技高速发展的需要,深圳市规划与国土资源局于2000年立项建立深圳市1km分辨率的厘米级似大地水准面。为此,深圳市规划与国土资源局委托原武汉测绘科技大学、国家测绘局第一大地测量队等8个单位于2001年完成了深圳特区高精度GPS水准测量km用深圳市65、5WDM94采用移去2恢复原理和1DFFT技术计算了深圳市1km格网似大地水准面

模型SZGEOID22000。该大地水准面的覆盖范围为:在深圳格网坐标下,南北方向8km至60km,东西方向79km至179km。利用29个独立高精度GPS水准数据的检核结果表明,深圳市1km格网

似大地水准面高和似大地水准面高差的精度(标准差)分别为±0.014m和±0.019m,其相对精度总体上优于1×10-7[11]。SZGEOID22000的实际精度和分辨率略优于HKGEOID22000,是迄今为止我国省市级大地水准面模型中精度和分辨率最高的。

2.2　技术模式

确定大地水准面的方法可归纳为:几何方法(如天文水准、卫星测高及GPS水准等)

、重力学方法及几何与重力联合方法(或称组合法),如图1所示。目前,陆地局部大地水准面的精化普遍采用组合法

,即以GPS水准确定的高精度但分辨率较低的几何大

图2　省市级大地水准面的计算流程图

Fig.2　Calculatingflowofprovinchal(municipal)geoid

图1　确定大地水准面的方法

Fig.1　Methodfordeterminingthegeoid

从应用于精化区域大地水准面的数据资料看,

主要采用以下方式和途径:

1)国家测绘局已完成1:250000和1:50000DEM数据库的建设,某些省市和地区甚至完成了

　第1期宁津生等:我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式

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1:10000DEM数据库的建设,因此,用于精化区域

大地水准面的DEM主要从这些数据库中生成。

2)收集已有的高精度GPS控制点数据、水准数据、重力资料(陆地和海洋重力数据、卫星测高数据等)。

3)建立B级或C级区域GPS水准网,并与国家A级或B级GPS网点和一、二等水准点联测,获取高精度GPS水准数据,作为省市级大地水准面精化的控制。

4)在国家重力基本网的基础上建立区域性重力基本网,加密陆地或海洋重力测量,获取高精度的陆地或海洋重力数据。

5)选取适合本地区大地水准面精化的参考重力场模型,如EGM96和WDM94等。

SZGEOID22000GPS准数据及(陆H-2000分收集的资料精化的重要组成部分,也是建立我国现代大地测量基准和地理空间基础框架的主要内容之一。近几年,我国少数省市和地区已建立高精度高分辨大地水准面模型,初步实现了GPS测高取代传统低等级水准测量的目标,极大地改善了本地区测绘工作的技术模式,产生了较大的社会效益和经济效益。但我国是一个幅员辽阔、地形起伏很大的国家,各省市和地区经济发展很不均衡,重力场的变化也较复杂,特别是中西部地区局部重力场的短波成分很复杂,,还需要长期。为此,,实。

2)对于我国中西部地区,应着重研究山区大地水准面精化的理论和方法、地壳密度异常及DEM对精化山区大地水准面的贡献。

3)深入研究区域大地水准面精化对加密重力测量、GPS水准布测的要求,如GPS水准点的密度和分布、实测重力数据的分辨率和精度等,以达到投入少、收效大的目的。陈俊勇院士[15,16]对此作了初步研究,给出了指导性原则。

4)尽快复测我国的一、二等水准网,为省市级大地水准面的精化提供高精度的高程控制,并且省市级GPS水准网应与国家高等级点联测,保持数据资料的一致性。

5)大力发展航空重力测量技术,以改善我国中西部地区重力数据的分布、密度和精度,为精化该地区大地水准面提供数据保障。

6)开展卫星重力探测技术的研究,联合新一代卫星重力数据(如CHAMP、GRACE和GOCE)和我国局部重力场信息建立更加精细的全球重力场模型,为我国国家大地水准面和省市级大地水准面的精化提供更精密的参考重力场。

2.3　精化区域大地水准面的有关问题

各省市和地区经济发展很不均衡,测绘工作的发展现状差异较大,发展目标往往以本省和本地区为主,对精化大地水准面的需求和目标也不一样,因此,省市级大地水准面的精化应本着因地制宜的原则制定合理的目标。从目前省市级大地水准面精化的实际情况看,存在以下问题有待解决:

1)各省市和地区精化大地水准面所采用的高程系统和GPS椭球高的参考框架(ITRF)各不相同,不利于测绘信息资源的共享和建设我国现代大地测量基准及地理空间基础框架。

2)我国一、二等水准网已有20余年没有复测,由于地壳运动、城市建设、地下水和矿产资源开采等原因,某些地区地面出现沉降,现有一、二等水准网的现实性较差,不能作为省市级大地水准面精化的高程控制,在江苏省和深圳市大地水准面精化中都发现了类似问题。

3)对于同类数据而言,实测数据与已有的数据是不同时期观测的,观测精度和所依据的基准不同给实际计算和处理带来一定困难;对于不同类数据,如GPS椭球高与精密水准测量的时间跨度较大,由于地面沉降等原因,则由此求得的大地水准面高或高程异常存在系统偏差,在数据处理中应引起重视。

4)省市级大地水准面精化对加密重力测量、GPS水准布测、地壳密度异常和DEM的要求我们还认识不够,目前还没有比较完善的规范可遵循。

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3　结论与建议

省市级大地水准面精化是我国国家大地水准面

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美国阿拉斯加大学地球物理研究所李澍荪副教授访问

中国地震局地震研究所

应我所王琪研究员、乔学军副研究员的邀请,美国阿拉斯加大学地球物理研究所李澍荪副教授于2003年12月22日访问了我所。

多年来,李教授一直从事遥感研究,特别是在利用卫星遥感技术研究冰雪覆盖、冰川运动以及辐射传导理论及数字影像处理与分析等领域做出了突出贡献。他主要承担着美国NASA多项与遥感和InSAR有关的研究课题,在国际遥感杂志、冰川学杂志及应用光学等有关遥感与数字影像处理分析的国际杂志上发表论文多篇。

访问期间,李澍荪教授与我所有关专家进行了广泛的交流,并作了关于InSAR技术与地壳形变监测的报告,还就国际InSAR最新的发展状况,以及InSAR过程中的配准、相位解缠、误差来源作了详细分析,同时还对差分DInSAR处理技术及其在三峡地区的形变监测与结果进行了讨论。

中国地震局地震研究所　刘汉钢