从2012国际测量师联合会大会看国际大地基准的新进展

程鹏飞，王 华，2，成英燕

(1．中国测绘科学研究院，北京100830;2．武汉大学测绘学院，湖北武汉430079)

一、引 言

在大地测量中，大地基准是一切测量活动的参考依据。广义上的大地基准包括水平基准和垂直基准。水平基准是以坐标系统形式描述地面点的空间位置信息。垂直基准是指高程基准或深度基准[1]。

目前全球有数百个局部坐标系统，坐标系统间的转换不可避免地会造成精度损失。随着对地观测技术的提高，地球形状的测定日益准确，相应坐标系统覆盖范围也越来越广。1984世界大地坐标系(WGS-84)的建立使地球上任何点位在同一个坐标系统下描述，从而具有一致性。

垂直基准从广义上讲是指高程参考面及确定这一参考面高度的各种方法的系统。常用的有利用平均海水面定义的潮汐基准(tidal datum)、基于大地水准面的重力基准(gravimetric datum)或基于参考椭球的大地垂直基准(geodetic vertical datum)。深度基准是指水深测量及海图所载深度的起算面[1]。通常取当地平均海面向下一定深度为起算面，即深度基准面。

近年美国的大地基准建设取得的成就令人瞩目，不但更新全球卫星导航定位系统的参考框架为IGS08，同时还对水平基准、垂直基准进行了系列更新与换代。新西兰、澳大利亚等国家也对本国大地基准进行了精化或现代化。本文重点介绍了这些国家在大地基准建设和现代化方面的举措，从中探讨我国大地基准建设与发展的可借鉴之处。

二、水平基准

1．1983北美基准 NAD83(2011，MA11，PA11)[2]

美国国家空间参考系统(NSRS)是可以提供经度、纬度、大地高、尺度、重力、定向及整个美国的海岸线等信息的一致性坐标系统。其水平基准是NAD83，垂直基准是1988北美垂直基准(NAVD 88)。

因IGS05参考框架的速度传播误差日益增大及2008国际地球参考框架(ITRF2008)地面天线校准集从igs05．atx升级至igs08．atx所带来的点位坐标变化，美国大地测量局(NGS)重新处理了1994年以来的所有GPS观测数据，包括连续运行参考站系统(CORS)站和选定的国际卫星导航定位系统服务(IGS)全球跟踪站数据。最后平差处理得到的站坐标、速度及新确定的跟踪站坐标都归算至IGS08框架、2005．0历元下。处理工作完成后，美国采用IGS08作为卫星星历和跟踪站的全球参考框架。

2011年9月6日，NSRS采用最新地面参考框架实现——新1983北美基准，正式命名为NAD83(2011，MA11，PA11)，历元 2010．0。NAD83(2011，MA11，PA11)实际上是由3个独立框架构成，分别与3个板块旋转一致。NAD83(2011)框架固定于北美板块;NAD83(MA11)框架与马里亚纳板块固定;NAD83(PA11)固定于太平洋板块。3个框架的实现也来自上述NGS多年CORS数据解算结果。

由于IGS08与ITRF2008兼容，只有个别基准站坐标有轻微差别，IGS认为ITRF2008和IGS08之间的14个转换参数为零。因此，从IGS08到NAD83的转换可看作为ITRF2008到NAD83的转换。NGS同时公布了 NAD83(2011)、2010．0历元和 IGS08、2005．0历元下的所有CORS坐标(如图1所示)。

2．新西兰大地基准(NZGD2000)

2000新西兰大地基准(NZGD2000)是一个三维的半动力基准。在NZGD2000之前，新西兰采用的是静态基准——1949 新西兰大地基准(NZGD1949)。由于新西兰地处几个地壳板块交界地带，经常发生地质构造运动，静态基准不准确，因而不适用[3]。NZGD2000参考框架是 ITRF96，参考历元2000．0，采用LINZ变形模型。NZGD2000是由35个CORS站和10万个控制点实现的(如图2所示)。

图1 NGSCORS站点分布及水平精度

图2 新西兰CORS站点示意图

半动力基准采用形变模型来改正坐标和区域尺度的地壳构造运动对测量观测值的影响[4]。该形变模型可以将所有坐标和观测值归算到所需历元时刻，而非一定在NZGD2000参考历元下存储[5]。NZGD2000提供GRS80椭球高，而非海平面高度。通过使用大地水准面模型，可以建立椭球高与平均海平面基准的联系。

NZGD2000与WGS-84基本上一致，对使用GPS接收机的用户意味着可以假设WGS84坐标等同于NZGD2000坐标。

3．澳大利亚地心基准(GDA94)[6]

澳大利亚1994地心基准(GDA94)是一个地固坐标基准。GDA94基准网络(AFN)由8个永久性GPS参考站组成。GDA94国家网络(ANN)由70个站点组成，标距500 km。公共点坐标归算至GDA94参考框架ITRF92，历元1994．0，于1995年9月正式启用。目前澳大利亚管理澳洲地区和南太平洋约100多个CORS站点(如图3所示)。

为改善GDA94的完备性和准确性，提升大地测量基础设施，澳大利亚正准备增设国家CORS系统。GNSS数据流将由澳大利亚地球科学局(GA)、新南威尔士州大学、科廷大学等机构管理，方便用户访问的同时，也便于这些机构对数据进行分析、协助发展区域参考框架的解决方案及GDA94现代化。

图3 澳大利亚CORS站点示意图

GDA94现代化的预期目标是：到2020年，建立一个对齐到ITRF框架的现代化动态大地基准。为实现这一目标，澳大利亚目前正着手进行一系列准备工作，包括对AFN坐标及其CORS系统分别精化和定义;为提高基准使用周期，将已定义的二维静态坐标过渡基准GDA2015沿用至2020年;开发和采用新的大地基准框架管理和运作模式。

三、垂直基准

1．美国高程现代化[7]

为解决NAVD88更新代价昂贵、系统误差过大的不足，NGS实施了国家高程现代化计划，目标是通过GNSS联合传统测量技术、遥感技术和重力数据，取代水准测量，获得更加准确的高程[8]。“十年计划”是NGS为大地基准现代化制定的官方政策，是长期发展战略，确保定义和实现NSRS，维持动态参考框架及更有效地为用户提供NSRS服务。“十年计划”首次用一种新方法定义垂直基准，包括建立一个高精度的重力大地水准面模型。参照此基准的高程信息将具有准确性、可靠性、现势性和一致性。

“十年计划”包含几何(水平)基准和重力位(垂直)基准现代化。NAD83(2011，MA11，PA11)已于2012年初启用，短期内仍作为美国的官方几何基准。几何基准的椭球高分量将是定义重力位基准的重要组成部分。椭球高到正高之间的转换依赖重力大地水准面模型。改善重力模型的关键是对整个美国进行全面航空重力测量，这也是美国垂直基准精化之重力项目(GRAV-D)最实质性的阶段，现已完成16%。GRAV-D目标是生成精确到厘米级的重力大地水准面高程模型，并且可与改进的几何参考框架联合生成同样改善的物理高度，实现既准确又精确的新垂直基准。初步结果表明GRAV-D有助于生成预期的1 cm精度大地水准面模型。

2．新北美垂直基准[9]

NGS最近一次更新其官方大地水准面模型为2012美国重力大地水准面(USGG2012)和GEOID12(混合大地水准面模型中的最新版)。USGG2012是在ITRF2008、历元2005．0下，其所得到的大地水准面高用于IGS08坐标即可获得最能精确反映高度和高度变化的重力位高度。GEOID12是在NAD83(2011)、历元2010．0下，用于NAD83和NAVD88之间转换。NAD83与NAVD88间的系统误差在GEOID12中真实反映，两基准虽然保持各自系统内一致，但与其他参考系统间存在米级的不一致性。NAD83与当前ITRF间的地球质心偏差达2．2 m[10]，NAVD88 与地球重力场模型(EGM)间有1～2 m的偏差[11]。到2022年新垂直基准启用时，含有基准系统误差的混合大地水准面模型将不再需要。

最近，NGS选出最佳重力位面适用数据位值是62 636 856．00m2/s2。这个值与国际天文学联合会(IAU)及国际地球自转与参考系统服务组织(IERS)采用的数值相同，并且是全球MSL的最佳代表数值之一。加拿大将在2013年采纳此位值，基于此位值的大地水准面高程模型作为其官方垂直基准。美国目前仍将NAD83与NAVD88作为NSRS官方基准，2022年将采用新几何基准;同时，新采用的垂直基准将包含与几何基准相同的大地水准面高度模型。

3．新西兰垂直基准

新西兰的垂直基准有3个：2009新西兰垂直基准(NZVD2009)、区域MSL基准及2000新西兰大地基准(NZGD2000)。

NZVD2009是新西兰及其离岛的官方垂直基准。其参考面是2009新西兰似大地水准面(NZGeoid2009)，高程系统为正常高系统，正常重力场基于 GRS80。NZGD2000参考的是 GRS80椭球。NZGD2000椭球高与斯图尔特岛附近的MSL近似相等，而与其北部地区的 MSL差异约 35 m。NZVD2009定义了与现存13个区域MSL基准间的高程转换偏移量，可用于3个垂直基准间的转换。

新西兰最新实施的NZGeoid2009覆盖了新西兰大陆，由EGM2008联合地面重力、卫星重力观测值及数字高程模型计算得出，以 1'×1'格网(约1．8 km)发布，预期精度 6 cm。NZVD2009 与NZGD2000一致，根据MSL基准和发布的偏移量，NZGeoid2009可用于NZVD2009的正常高和NZGD2000/WGS84椭球高之间的转换。新西兰官网上免费提供NZGeoid2009的下载文件，并提供在线转换服务。

4．澳大利亚高程基准

澳大利亚高程基准(AHD)是由其周围海岸线的32个验潮站确定的MSL作为AHD的零基准面。但澳大利亚北部海岸海水(温度高，密度小)比南部海岸海水(温度低，密度大)高出约1 m，因此，AHD与大地水准面相比，北部地区约高出0．5 m，而南部地区约低了0．5 m。

AUSGeoid09是澳大利亚最新的大地水准面模型，于2011年4月正式发布，以1'×1'格网给出，用于GDA94椭球高和AHD高程之间的转换。AUSGeoid09为用户提供的是椭球与AHD之间的高程偏移量，在澳大利亚绝大部分地区精度为3 cm。

四、我国大地基准建设

近年，我国大地基准建设也取得了一系列成就。2008年7月1日，我国启用2000国家大地坐标系(CGCS2000)[12]。国家测绘地理信息局组织对我国十一年(1999—2009年)的GPS框架点观测数据重新平差，获得了这些框架点的CGCS2000坐标，将我国板块划分为7个一级板块与20个二级板块，建立了我国CGCS2000速度场模型。CGCS2000使定位结果精度由原来的几十米提高到厘米级，实现了我国水平基准跨越式发展。为使CGCS2000及其框架具有现势性，中国测绘科学研究院正在进行CPMCGCS2000速度场模型格网化和高程时序分析。

2012年3月验收的中国大陆构造环境监测网络是我国在科技基础设施建设、数据资源共享上的又一成就。该网由260个连续观测站和2000个不定期观测站构成，以GNSS观测为主，VLBI、SLR、精密重力和水准测量等技术手段为辅。可为我国大陆地壳运动监测、我国现代大地基准的建立与维持、重力场形态及变化及空间气象等系列科学问题提供基础资料和产品。

2012年6月启动的国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程是我国迄今为止最大规模的、以维持国家大地坐标框架为主要目的国家级CORS系统建设、国家一等水准网建设和卫星大地控制网建设工程。工程将在全国范围建成360个(含新建、改造现有的)国家CORS基准站及4500点组成的卫星大地控制网。并开展国家现代高程控制网建设，通过与CORS基准站和卫星大地控制网的结合，监测大范围高程变化，实现全国范围的现代高程基准传递。同时补充和完善国家重力基准，在已有绝对重力点分布基础上，选择50个与新建CORS基准站并置的重力基准点，构成便于长期保存的分布合理的国家绝对重力基准基础设施。

目前，我国大部分省级大地水准面精度可达5 cm，是全球少数能实现厘米级大地水准面的国家之一。但各省用于精化大地水准面的高程系统和GPS椭球高的参考框架各不相同，不利于测绘信息资源共享和我国大地基准建设。因此，工程二期将建立全国大地水准面模型。期间，卫星定位技术将逐步取代水准测量，并逐步融入北斗卫星定位技术，实现一体化的大地基准设施建设。

五、结束语

纵观美国、加拿大等发达国家的大地基准发展趋势，均是建立几何基准与垂直基准相统一的测绘基准。其中美国的大地基准建设与发展最早，NAD83 已更新至 NAD83(2011，MA11，PA11)，到2022年美国将完成几何基准与物理基准融合的新大地基准。加拿大也将于2013年采用新垂直基准。我国在大地基准建设上虽然起步晚，但发展迅速。CGCS2000框架点坐标已更新完毕，速度场模型也已建立。目前我国的现代测绘基准体系基础设施建设正在实施，工程完成后，将会使我国大地基准迈上一个新台阶，改变各省CORS系统框架和历元不统一的现状，结合CPM-CGCS2000速度场模型，使全国的大地坐标系真正统一到CGCS2000。大量的卫星大地控制网点与国家一等水准点的共点布测，也将有利于今后高程控制网的监测与维护，新的全国厘米级大地水准面的实现，也必将使我国的高程基准的发展与应用达到新的水平，跨入世界先进行列，真正建立属于我国的几何基准与垂直基准协调一致的高精度、三维、动态的现代测绘基准体系。

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