高精度海域似大地水准面模型的建立

刘立,张乙志,温旭,李凉,初理伟

(1.浙江省第一测绘院,浙江 杭州 310012) (2.浙江省测绘质量监督检验站,浙江 杭州 310012)

高精度海域似大地水准面模型的建立

刘立1,张乙志1,温旭1,李凉2,初理伟1

(1.浙江省第一测绘院,浙江 杭州 310012) (2.浙江省测绘质量监督检验站,浙江 杭州 310012)

建立高分辨率、高精度的区域似大地水准面已成为信息化测绘体系建设、数字城市建设所必需的基本条件，尤其在地形图测绘、海洋调查等方面，对厘米级似大地水准面的需求十分迫切。本文基于新理论计算方法、重力场模型和融合技术建立高精度海域似大地水准面模型，厘米级的海域似大地水准面模型的建立对沿海地区快速获取高程信息很有意义，弥补了海域的空白。

似大地水准面;高精度;重力场模型

0 引 言

随着测绘科技的发展,用于建立和维持大地测量基准的技术手段、工具和理论方法发生了巨大的变化。GNSS定位技术由于其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点,已经成为人们获取有关空间位置的一种重要手段。尽管GNSS技术可以获得所测点位的高精度三维空间坐标,但由于缺少相应精度和高分辨率的似大地水准面模型,致使GNSS所测得的大地高转换为海拔高时精度损失严重,未能获取相应精度的水准高(海拔高)。因此,建立区域性高分辨率、高精度的似大地水准面模型就变得迫切重要[1-2]。高精度海域似大地水准面模型的建立便于沿海和海岛地区实现由卫星定位直接获取海拔高,提高了工作效率,降低了工作成本。采用格网高程数据、重力观测数据和地球重力场模型,利用新理论计算方法、重力场模型和球冠谐融合技术可以建立高精度海域似大地水准面模型,其中常用的地球重力场模型有:WDM94、EGM96、EIG01C、EIG03C、EIG04C、GGM02C和EGM2008等[3]。

1 数据准备与收集

舟山市地处我国东南沿海,长江口南侧,有大小岛屿一千多个,呈西南东北走向,南部大岛较多,排列密集,海拔较高;北部小岛为主,分布稀散,如图1所示。在舟山全市域布设高精度的C级GNSS控制网和二、三等水准控制网,周边的主要岛屿通过跨海测量进行联测。自岱山本岛经衢山岛、柴山大礁,以三角跨海水准测量联测至浙江省最远的海岛县嵊泗县,跨海水准距离总计约40 km,其中最长跨段约为14 km,采用长距离跨海精密高程传递的技术方法与流程[4]。

图1 舟山市地形图

2 似大地水准面计算

建模总体思路如图2所示,首先采用基于新理论的计算方法,由重力数据和地形数据,解算出高分辨率格网重力似大地水准面,然后制定先进的技术标准,利用GNSS加水准实测数据获得低分辨率、高精度的、离散的区域似大地水准面高;最后利用所提出的球冠谐融合方法,将重力和GNSS水准两类似大地水准面高融合确定高精度似大地水准面。GNSS水准与重力似大地水准面独立比较是反映真实精度的客观指标,相反通过数学函数拟合方法给出的精度是不真实的。因为数学函数拟合虽然可以在已知的GNSS水准点处无限逼近,但却会在GNSS水准空白区域造成扭曲。通过独立的高精度GNSS水准与最终的似大地水准面进行外部检核,才能反映最终成果精度的真实性和可靠性[5]。

图2 区域似大地水准面的建立

3 高精度海域似大地水准面的确定

舟山市高精度海域似大地水准面于2016年2月份完成,高精度海域似大地水准面计算中,使用了2 578个点重力数据和97个GNSS水准资料,如图3和图4所示, 采用Airy-Heiskanen地形均衡归算模型,计算了2′×2′地形均衡改正。采用了2′×2′格网空间重力异常作为输入数据,以EIGEN01C作为参考重力场模型,由第二类Helmert凝集法完成了大地水准面的计算。通过严密的陆海统一算法和一系列超大规模数值计算技术,包括地面和Geosat ERM/GM、ERS-1 ERM/GM、ERS-2 ERM和Topex/Poseidon等卫星测高海洋重力异常数据联合处理、超高阶球谐函数快速稳定计算、海量位系数快速解算及椭球谐展开等技术,确立了高精度海域厘米级似大地水准面模型。98个GNSS水准与重力似大地水准面独立比较精度为±0.021 m,利用球冠谐调和分析方法将97个GNSS水准与重力似大地水准面联合求解得出的2′×2′格网似大地水准面其精度达到±1.6 cm.采用同精度正确性静态检测22个C级GNSS点结果表明,在海域似大地水准面精化模型外符合精度为±2.3 cm.结合网络RTK技术检测海域似大地水准面模型,精度达到±3.0 cm左右。

图3 GNSS水准点位图

图4 2′×2′重力似大地水准面图

4 结束语

首次提出了利用卫星测高平均海面和海面地形作虚拟GNSS水准和海洋测高重力大地水准面拟合的新方法,解决了海洋无GNSS水准测量产生的重力大地水准面与GNSS水准拟合的难题。通过一系列超大规模数值计算技术确立了高精度海域似大地水准面模型,实现了重力似大地水准面与GNSS水准的最佳融合及跨区域无缝拼接、浙江省陆地区域与海洋区域大地基准与似大地水准面从分米级至厘米级的跨越、浙江省陆地区域与海洋区域基础地理信息数据无缝隙精度无损的坐标转换,同时也实现了受损大地控制网快速恢复,跨海高程精密传递等的关键技术突破[6]。

所建立的海域似大地水准面模型内符合精度达到±1.6 cm,外符合精度为±2.3 cm,与GNSS静态定位技术或网络RTK技术相结合,使得今后快速高精度获取沿海及海岛区域地面点的水准高程、降低工作难度及费用、缩短周期成为可能。

[1] 陈俊勇,李建成.推算我国高精度和高分辨率似大地水准面的若干精度问题[J].武汉测绘科技大学学报, 1998,23(2):95-99.

[2] 李建成,刘经南,晁定波,等. 海南高精度高分辨率大地水准面的确定 [D].武汉:武汉测绘科技大学,2005.

[3] 张全德. 精化区域似大地水准面应顾及的有关问题[J].测绘通报, 2006(1):5-6.

[4] 李建成,姜卫平. 2000 长距离跨海高程基准传递方法的研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2001,26(6):514-517.

[5] 李建成.我国现代高程测定关键技术若干问题的研究及进展[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2007,32(11):980-987.

[6] 李建成.卫星测高数据确定重力异常的几种方法[M].测绘遥感信息工程国家重点实验室(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

刘立 (1986-),男,硕士，主要研究方向为GNSS数据处理和地球动力学。

张乙志 (1988-),男,注册测绘师,主要从事CORS建设运维及北斗建设。

温旭 (1985-),男,注册测绘师,主要从事GNSS数据处理。

李凉 (1970-),男,注册测绘师,主要从事GNSS数据处理与质检。

初理伟 (1989-),男,助理工程师，主要从事CORS建设运维。

联系人: 刘立 E-mail:liuli_gucas@163.com