高精度海域似大地水準面模型的建立

劉立,張乙志,溫旭,李涼,初理偉

(1.浙江省第一測繪院,浙江 杭州 310012) (2.浙江省測繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗站,浙江 杭州 310012)

高精度海域似大地水準面模型的建立

劉立1,張乙志1,溫旭1,李涼2,初理偉1

(1.浙江省第一測繪院,浙江 杭州 310012) (2.浙江省測繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗站,浙江 杭州 310012)

建立高分辨率、高精度的區(qū)域似大地水準面已成為信息化測繪體系建設(shè)、數(shù)字城市建設(shè)所必需的基本條件，尤其在地形圖測繪、海洋調(diào)查等方面，對厘米級似大地水準面的需求十分迫切。本文基于新理論計算方法、重力場模型和融合技術(shù)建立高精度海域似大地水準面模型，厘米級的海域似大地水準面模型的建立對沿海地區(qū)快速獲取高程信息很有意義，彌補了海域的空白。

似大地水準面;高精度;重力場模型

0 引 言

隨著測繪科技的發(fā)展,用于建立和維持大地測量基準的技術(shù)手段、工具和理論方法發(fā)生了巨大的變化。GNSS定位技術(shù)由于其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點,已經(jīng)成為人們獲取有關(guān)空間位置的一種重要手段。盡管GNSS技術(shù)可以獲得所測點位的高精度三維空間坐標,但由于缺少相應(yīng)精度和高分辨率的似大地水準面模型,致使GNSS所測得的大地高轉(zhuǎn)換為海拔高時精度損失嚴重,未能獲取相應(yīng)精度的水準高(海拔高)。因此,建立區(qū)域性高分辨率、高精度的似大地水準面模型就變得迫切重要[1-2]。高精度海域似大地水準面模型的建立便于沿海和海島地區(qū)實現(xiàn)由衛(wèi)星定位直接獲取海拔高,提高了工作效率,降低了工作成本。采用格網(wǎng)高程數(shù)據(jù)、重力觀測數(shù)據(jù)和地球重力場模型,利用新理論計算方法、重力場模型和球冠諧融合技術(shù)可以建立高精度海域似大地水準面模型,其中常用的地球重力場模型有:WDM94、EGM96、EIG01C、EIG03C、EIG04C、GGM02C和EGM2008等[3]。

1 數(shù)據(jù)準備與收集

舟山市地處我國東南沿海,長江口南側(cè),有大小島嶼一千多個,呈西南東北走向,南部大島較多,排列密集,海拔較高;北部小島為主,分布稀散,如圖1所示。在舟山全市域布設(shè)高精度的C級GNSS控制網(wǎng)和二、三等水準控制網(wǎng),周邊的主要島嶼通過跨海測量進行聯(lián)測。自岱山本島經(jīng)衢山島、柴山大礁,以三角跨海水準測量聯(lián)測至浙江省最遠的海島縣嵊泗縣,跨海水準距離總計約40 km,其中最長跨段約為14 km,采用長距離跨海精密高程傳遞的技術(shù)方法與流程[4]。

圖1 舟山市地形圖

2 似大地水準面計算

建?？傮w思路如圖2所示,首先采用基于新理論的計算方法,由重力數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù),解算出高分辨率格網(wǎng)重力似大地水準面,然后制定先進的技術(shù)標準,利用GNSS加水準實測數(shù)據(jù)獲得低分辨率、高精度的、離散的區(qū)域似大地水準面高;最后利用所提出的球冠諧融合方法,將重力和GNSS水準兩類似大地水準面高融合確定高精度似大地水準面。GNSS水準與重力似大地水準面獨立比較是反映真實精度的客觀指標,相反通過數(shù)學函數(shù)擬合方法給出的精度是不真實的。因為數(shù)學函數(shù)擬合雖然可以在已知的GNSS水準點處無限逼近,但卻會在GNSS水準空白區(qū)域造成扭曲。通過獨立的高精度GNSS水準與最終的似大地水準面進行外部檢核,才能反映最終成果精度的真實性和可靠性[5]。

圖2 區(qū)域似大地水準面的建立

3 高精度海域似大地水準面的確定

舟山市高精度海域似大地水準面于2016年2月份完成,高精度海域似大地水準面計算中,使用了2 578個點重力數(shù)據(jù)和97個GNSS水準資料,如圖3和圖4所示, 采用Airy-Heiskanen地形均衡歸算模型,計算了2′×2′地形均衡改正。采用了2′×2′格網(wǎng)空間重力異常作為輸入數(shù)據(jù),以EIGEN01C作為參考重力場模型,由第二類Helmert凝集法完成了大地水準面的計算。通過嚴密的陸海統(tǒng)一算法和一系列超大規(guī)模數(shù)值計算技術(shù),包括地面和Geosat ERM/GM、ERS-1 ERM/GM、ERS-2 ERM和Topex/Poseidon等衛(wèi)星測高海洋重力異常數(shù)據(jù)聯(lián)合處理、超高階球諧函數(shù)快速穩(wěn)定計算、海量位系數(shù)快速解算及橢球諧展開等技術(shù),確立了高精度海域厘米級似大地水準面模型。98個GNSS水準與重力似大地水準面獨立比較精度為±0.021 m,利用球冠諧調(diào)和分析方法將97個GNSS水準與重力似大地水準面聯(lián)合求解得出的2′×2′格網(wǎng)似大地水準面其精度達到±1.6 cm.采用同精度正確性靜態(tài)檢測22個C級GNSS點結(jié)果表明,在海域似大地水準面精化模型外符合精度為±2.3 cm.結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)檢測海域似大地水準面模型,精度達到±3.0 cm左右。

圖3 GNSS水準點位圖

圖4 2′×2′重力似大地水準面圖

4 結(jié)束語

首次提出了利用衛(wèi)星測高平均海面和海面地形作虛擬GNSS水準和海洋測高重力大地水準面擬合的新方法,解決了海洋無GNSS水準測量產(chǎn)生的重力大地水準面與GNSS水準擬合的難題。通過一系列超大規(guī)模數(shù)值計算技術(shù)確立了高精度海域似大地水準面模型,實現(xiàn)了重力似大地水準面與GNSS水準的最佳融合及跨區(qū)域無縫拼接、浙江省陸地區(qū)域與海洋區(qū)域大地基準與似大地水準面從分米級至厘米級的跨越、浙江省陸地區(qū)域與海洋區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)無縫隙精度無損的坐標轉(zhuǎn)換,同時也實現(xiàn)了受損大地控制網(wǎng)快速恢復(fù),跨海高程精密傳遞等的關(guān)鍵技術(shù)突破[6]。

所建立的海域似大地水準面模型內(nèi)符合精度達到±1.6 cm,外符合精度為±2.3 cm,與GNSS靜態(tài)定位技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)相結(jié)合,使得今后快速高精度獲取沿海及海島區(qū)域地面點的水準高程、降低工作難度及費用、縮短周期成為可能。

[1] 陳俊勇,李建成.推算我國高精度和高分辨率似大地水準面的若干精度問題[J].武漢測繪科技大學學報, 1998,23(2):95-99.

[2] 李建成,劉經(jīng)南,晁定波,等. 海南高精度高分辨率大地水準面的確定 [D].武漢:武漢測繪科技大學,2005.

[3] 張全德. 精化區(qū)域似大地水準面應(yīng)顧及的有關(guān)問題[J].測繪通報, 2006(1):5-6.

[4] 李建成,姜衛(wèi)平. 2000 長距離跨海高程基準傳遞方法的研究[J].武漢大學學報(信息科學版),2001,26(6):514-517.

[5] 李建成.我國現(xiàn)代高程測定關(guān)鍵技術(shù)若干問題的研究及進展[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2007,32(11):980-987.

[6] 李建成.衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定重力異常的幾種方法[M].測繪遙感信息工程國家重點實驗室(1998-1999), 1999:37-46.

Establish of High-precision Quasi Geoid Model on Sea Area

LIU Li1,ZHANG Yizhi1,WEN Xu1,LI Liang2,CHU Liwei1

(1.TheFirstSurveyingandMappingInstitueofZhejiangProvince,Hangzhou30100,China;(2.ZheJiangQualityInspectionInstituteofSurveyingAndMappingAchievements,Hangzhou30100,China)

The establishment of regional quasi geoid with high resolution and high accuracy has become the essential condition for the construction of digital surveying and mapping system and the construction of Digital City. Especially in Topographic Map Survey and oceanographic survey, the demand of centimeter level geoid is very urgent. This paper Based on the new theoretical calculation method, the gravity field model and the fusion technology, The establishment of geoid model in centimeter class sea area is very meaningful for rapid elevation of coastal area information, and makes up for the gap of sea area.

Quasi model; high-precision; gravity model

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.014

2017-03-10

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0070-03

劉立 (1986-),男,碩士，主要研究方向為GNSS數(shù)據(jù)處理和地球動力學。

張乙志 (1988-),男,注冊測繪師,主要從事CORS建設(shè)運維及北斗建設(shè)。

溫旭 (1985-),男,注冊測繪師,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理。

李涼 (1970-),男,注冊測繪師,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與質(zhì)檢。

初理偉 (1989-),男,助理工程師，主要從事CORS建設(shè)運維。

聯(lián)系人: 劉立 E-mail:liuli_gucas@163.com