大地水准面
大地水准面是地球形状的物理表达,是地球内部质量分布的外在表现,大地水准面精化是物理大地测量学研究的核心任务之一,同时高精度的大地水准面及其变化为研究地球内部结构、地震学、地质学以及在工程建设和数字地球构建中都发挥着重要作用。大地水准面(或似大地水准面)是大地测量中的高程基准面。GPS技术作为现代空间大地测量技术的最新代表,精度高、成本低、快速、灵活等特点,使其在大地测量中发挥着越来越重要的作用。通过高精度大地水准面的确定,用GPS测量手段代替低等级(一般为三等或四等)的水准测量,真正实现GPS技术的三维定位功能(平面位置和高程),从而大幅度减少几何水准测量工作量及生产成本,克服水准测量的系统偏差等劣势。因此大地水准面精化成为重力场研究的主要任务之一。欧洲、美国等地区或国家在大地水准面精化方面做了大量工作。我国也完成了新一代覆盖整个国土的具有分米级精度的似大地水准面模型CQG2000(李建成等,2003)。但是,为了满足用GPS方法测定高程的需要,要求大地水准面或似大地水准面达到相应的分辨率和精度,分米级的精度还远远不够。
随着地球重力场相关信息量的丰富和地球重力场相关理论研究的进展,厘米级精度的大地水准面作为目标已经提出,国内外学者对此做了大量研究,取得了许多有益成果,某些区域的局部大地水准面精度能够达到厘米级、甚至毫米级(M.Vronneau,2000;A.Ellmann,2000;R.Forsberg,2002;李建成,2005)。但是现有的方法在大范围区域,特别是高海拔、高起伏区域,如我国的西部、西南地区,进行似大地水准面精化时,要达到厘米级精度尚且困难。从理论上如何有效地配置不同类型的观测数据,从算法上对大地水准面进行误差分析与精度评定,是困难地区高精度似大地水准面精化的关键问题。
20世纪90年代以来,世界(似)大地水准面的研究取得了长足的发展,在精度和分辨率均提高了约一个量级。
欧洲地区似大地水准面(欧洲采用正常高程系统)精化自1994年以来,先后推出了EGG94、95、96和97序列重力似大地水准面模型,实际计算采用移去-恢复技术,EGG94~96中分别采用GEM-T2、OSU91A以及OSU91A与JGM3联合的位模型,EGG97中采用EGM96位模型,短波分量采用残差地形模型(RTM)归算法,残差重力异采用最小二乘预估法形成格网数据。
美国在90年代先后推出了GEOID90、93、96和99等大地水准面模型。美国大地水准面采用的是NAVD88高程基准和Helmert正高高程系统。计算方法也是基于移去-恢复技术,首先按照Molodensky级数展开式计算高程异常,再转换为大地水准面高。
加拿大大地水准面模型GSD95采用正高高程系统,高程基准为NAVD88,基于移去-恢复法应用Stokes积分直接计算大地水准面高。重力归算采用地形质量的Helmert凝聚法,即将大地水准面外部的质量全部压缩到大地水准面上成一薄层,得到Helmert重力异常,其值为地面点重力值加完全Bouguer改正、凝聚重力改正以及空间改正,再减去对应椭球面上的正常重力值。应用最小二乘配置法对Helmert重力异常移去模型重力异常得到的残差重力异常进行格网化处理。再应用Stokes公式对残差重力异常积分得到残差大地水准面高。最后的大地水准面高为位模型大地水准面高与残差大地水准面高的和加地形移去和凝聚恢复产生的间接影响。
我国似大地水准面精化的进展经过试验性的研究成果WZD94发展到CQJ2000。
新一代中国似大地水准面CQG2000(Chinese Quasi-Geoid 2000)在WZD94的基础上吸收了当前国际上局部重力场逼近的最新理论和算法,基于移去-恢复技术,综合应用地面重力观测数据、数字地面模型、参考位模型、特别是GPS水准高程异常数据和卫星测高数据。重力归算采用经典的Airy-Heiskanen地形均衡法。
伴随着CQJ2000的建立,我国省市级大地水准面精化也取得了较大进步,典型代表有海南省似大地水准面模型、江苏省似大地水准面模型、深圳市似大地水准面模型和东莞市似大地水准面模型。