基本农田整治项目高程拟合研究与应用

现选取最前沿的地球重力场模型EGM2008结合GPS高程拟合技术,研究和解析在地球重力场模型EGM2008下的GPS高程拟合精准度.并且以具体的基本农田整治项目中1∶2000地形测量为实例,采用地球重力场模型EGM2008融合高程拟合策略,完成地区似大地水准面准确模式实现GPS高程拟合,并将所得结果和现有高程拟合数学架构下取得值进行对照解析.     

EGM2008在GPS高程拟合中的应用研究

西南边境地区地形复杂、山高坡陡、交通不便,采用常规的水准测量方法测量极为困难。本文引入最新的EGM2008地球重力场模型用于西南边境地区的GPS高程拟合,并探讨与分析了基于EGM2008地球重力场模型的高程拟合精度。本文以云南省"兴地睦边"农田整治重大项目中的某高山地测区为例,结合常规高程拟合数学模型与EGM2008地球重力场模型,建立区域似大地水准面精化模型进行GPS高程拟合,其结果与常规高程拟合数学模型的结果进行对比分析。     

EGM 2008地球重力场模型在中国大陆适用性分析

分别利用我国大陆GPS水准实测高程异常和地面平均空间异常数据,对EGM 2008地球重力场模型进行外部精度测试,结果显示:①EGM 2008模型高程异常在我国大陆的总体精度为20 cm,华东华中地区12 cm,华北地区达到9 cm,西部地区为24 cm;②EGM 2008模型空间异常在我国大陆的总体精度为10.5 mGal(1 mGal=103cm/S2),且大大缩小了我国大陆重力场信息东西部地区的差距;③EGM 2008模型具有很高的精度.测试结果显示,EGM 2008模型在我国大陆的精度与在全球范围内的精度相当;④与WDM 94,DQM系列,EGM96相比,EGM 2008模型高程异常精度提高了3～5倍,比利用GRACE数据的IGG05b,EIGEN-5c模型提高了2倍以上,空间异常的改善程度更为突出.鉴于EGM 2008显著改善了我国大陆重力场东西部地区不平衡的现状,建议在EGM 2008模型的基础上,广泛整合我国各部门最新数据,构建与我国局部重力场最佳拟合的(超)高阶地球重力场模型,重新整体计算全国似大地水准面.     

EGM2008地球重力场模型在GPS高程转换中的应用研究

讨论使用WGS-84大地坐标和EGM2008 模型分别进行无水准高程转换、单点高程转换和两点高程转换的方法。通过平原、丘陵和高山地3个工程实例数据来分析EGM2008地球重力场模型高程转换的精度。试验结果表明?在采用单点纠正消除系统误差的情况下,在平原地区转换成果精度可达到5 cm以内,丘陵地区精度可达18 cm以内,高山地区通过EGM2008 模型进行两点高程拟合,也能够获得较高的精度。     

大高差变化区域GNSS高程转换模型与方法的优选

在地形起伏变化大的山区,基于GNSS技术实测的大地高和高精度几何水准实测的正常高数据,将线状拟合、平面拟合、曲面拟合等多种GNSS高程转换数学模型分别应用到GNSS/水准拟合法和EGM2008模型的"移去-恢复"法中,讨论了各模型方法在山区的高程转换应用情况及转换精度。利用Alltrans EGM2008 Calculator计算得到的地球重力场模型高程异常值,由于综合考虑了高程异常的几何和物理特性,使EGM2008模型的解算精度高于GNSS/水准拟合法精度。并通过实例证明,EGM2008"移去-恢复"法的曲面拟合模型适用于大高差山区cm级GNSS测高。     

EGM2008地球重力场模型在城市正常高计算中的应用研究

基于空间分辨率1′×1′EGM2008地球重力场模型数据,用Hans-Gerd Duenck-Kerst等开发的Alltrans EGM2008Calculator 1.2软件,探讨如何获取城市高程异常及加常数,并提出了EGM2008重力场模型与我国区域采用似大地水准面之间的加常数,得到一些有益的结论,可为其他工程正常高的获取提供重要的借鉴经验。     

基于EGM2008分析我国沿海陆地和岛礁高程异常

利用EGM2008地球重力场模型计算我国沿海13个省市的高程异常,结合实际的GNSS水准观测数据进行了比较分析,得出了GNSS水准实测的高程异常与EGM2008模型的高程异常之差的标准差是11 cm。     

顾及EGM 2008重力场模型的移去-恢复技术GPS高程拟合

基于重力场模型采用移去-恢复技术将GPS高程转换为正常高,并将其与常规拟合方法进行比较。对某一线路GPS数据进行处理,结果表明,该方法能改善高程异常拟合精度。EGM2008在不同阶数计算的精度有明显变化,阶数越高,精度也越高。将EGM2008与EGM96比较发现,EGM2008模型计算得到的高程异常精度提高更为突出。     

基于EGM2008地球重力场模型的广西似大地水准面优化研究

通过5′×5′EGM2008地球重力场模型求取高程异常,与广西96个一、二等水准点高程异常进行比较分析,得出EGM2008在广西点位误差达37.8cm。根据广西地形实际情况,对EGM2008在广西平原、丘陵和高山三区的普适性进行分析,和已建立的广西似大地水准面成果比对,得出在平原区,EGM2008模型的平滑性较好,成果精度最优,成果优于3cm;在丘陵区,通过适当增加已知水准成果纠正,可得到较好的转换精度,大部分成果精度优于5cm;而在高山区,存在较大偏差,应顾及地形均衡和重力异常等因素影响,来提高高山区的似大地水准面转换精度。综上所述,EGM2008在广西存在一定系统误差,剔除系统误差后,可在广西新一代似大地水准面成果优化中得到较好应用。     

顾及地球重力场模型的GNSS高程转换方法

针对使用单纯数学模型在进行GNSS高程拟合过程中,只能体现测区高程异常的大致趋势,无法表现出细节变化,进而影响GNSS高程转换精度的问题。提出了地球重力场模型与数学函数相结合的"移去-拟合-恢复"GNSS高程转换方法,以安徽省淮南市某矿工作面走向线为例,分别采用单纯数学模型和顾及EIGEN-6C4、EIGEN-6C2、EGM2008地球重力场模型的"移去-拟合-恢复"法进行了高程转换研究,并将各种高程转换的结果进行了对比分析。结果表明,多面函数相对二次曲面的转换精度较好,顾及地球重力场模型的"移去-拟合-恢复"法较单纯数学模型的高程转换精度有了大幅度的提高;顾及EIGEN-6C4地球重力场模型的GNSS高程转换精度,优于顾及EIGEN-6C2地球重力场模型的转换精度,优于顾及EGM2008地球重力场模型的转换精度。     

利用重力等位面特性进行地球重力场模型评价

提出了一种基于大地水准面等位面特性的地球重力场模型优劣评价方法。通过取任一重力大地水准面为参考面,计算不同地球重力场模型在该面上的重力位标准差,以此作为不同模型相对优劣的评价指标。利用该方法对不同地球重力场模型以及同一重力场模型在不同区域的精度进行了评价。结果表明:EGM96、OSU91A模型的大地水准面高精度分别为±11.1 cm、±14.3 cm,说明EGM96要优于OSU91A,EGM2008、EIGEN-6C4模型的大地水准面高精度分别为±8.8 cm、±8.9 cm,说明该两个模型的精度相当,与已有研究结果一致,表明本文方法的有效性与适用性。进一步研究结果显示,对于全球大地水准面,EGM2008和EIGEN-6C4模型的大地水准面高精度分别为±11.3 cm和±14.1 cm,即在厘米级精度上EGM2008略优。     

Combining EGM2008 and SRTM/DTM2006.0 residual terrain model data to improve quasigeoid computations in mountainous areas devoid of gravity data

A global geopotential model, like EGM2008, is not capable of representing the high-frequency components of Earth’s gravity field. This is known as the omission error. In mountainous terrain, omission errors in EGM2008, even when expanded to degree 2,190, may reach amplitudes of 10 cm and more for height anomalies. The present paper proposes the utilisation of high-resolution residual terrain model (RTM) data for computing estimates of the omission error in rugged terrain. RTM elevations may be constructed as the difference between the SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) elevation model and the DTM2006.0 spherical harmonic topographic expansion. Numerical tests, carried out in the German Alps with a precise gravimetric quasigeoid model (GCG05) and GPS/levelling data as references, demonstrate that RTM-based omission error estimates improve EGM2008 height anomaly differences by 10 cm in many cases. The comparisons of EGM2008-only height anomalies and the GCG05 model showed 3.7 cm standard deviation after a bias-fit. Applying RTM omission error estimates to EGM2008 reduces the standard deviation to 1.9 cm which equates to a significant improvement rate of 47%. Using GPS/levelling data strongly corroborates these findings with an improvement rate of 49%. The proposed RTM approach may be of practical value to improve quasigeoid determination in mountainous areas without sufficient regional gravity data coverage, e.g., in parts of Asia, South America or Africa. As a further application, RTM omission error estimates will allow refined validation of global gravity field models like EGM2008 from GPS/levelling data.     

EGM2008地球重力场模型的可视化探究

利用EGM2008地球重力场模型可以将地球重力场解析化,由此我们可以十分方便快速地表示和计算重力异常、高程异常、垂线偏差等其它重力场参数。本文运用Surfer软件将EGM2008重力场模型可视化,获取了全球和局部地区重力场相关参数的等值线图、线框图、3D表面图、影像图。     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明:当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时,Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高,而在高于100阶次时,定轨精度基本稳定,且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外,采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨,解算的轨道精度相当,且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.      

联合EGM2008模型重力异常和GOCE观测数据构建超高阶地球重力场模型SGG-UGM-1

本文研究了联合卫星观测数据和重力异常数据确定超高阶重力场模型的理论方法,并使用EGM2008模型重力异常和GOCE（gravity field and ocean circulation explorer）观测数据构建了重力场模型SGG-UGM-1。重点研究了由球面格网重力异常快速构建超高阶重力场模型的块对角最小二乘方法,将OpenMP技术引入到块对角最小二乘中以提高计算效率,并基于模拟数据验证了方法及算法和软件模块的正确性。采用本文制定的联合解算策略,利用GOCE重力卫星观测数据构建的220阶次法方程和EGM2008模型重力异常构建的2159阶次块对角法方程,联合求解了2159阶次的重力场模型SGG-UGM-1。将SGG-UGM-1与EGM2008、EIGEN-6C2、EIGEN-6C4等超高阶模型在频谱域内进行了比较分析,结果表明SGG-UGM-1相对参考模型的系数误差较小,且在220阶次内的系数精度相比EGM2008模型有了提高。采用中国与美国的GPS/水准数据和毛乌素测区的航空重力观测数据对这些模型进行了外符合精度的检验。检核结果表明,在中国区域,SGG-UGM-1模型大地水准面的精度在EIGEN-6C2和EIGEN-6C4两个模型之间,优于GOSG-EGM模型和EGM2008模型,与美国区域几个模型的精度相当。利用毛乌素测区的航空重力数据对几个模型进行了检核,结果表明SGG-UGM-1模型计算的重力扰动精度与EGM2008、EIGEN-6C4模型相当,优于GOSG-EGM模型和EIGEN-6C2模型。     

基于EGM2008城市似大地水准面精化成果的质量检验与分析

为了检验城市似大地水准面精化项目成果模型的质量,本文利用一定数量的高程异常控制点,以基于EGM2008地球重力场模型及二次曲面函数拟合的方法,构建了一套质量检验模型,其精度优于±5.0 cm。采用质量检验模型比对项目成果模型进行质量分析检验,与外业实地检测相比,检验工作量较小,对项目成果模型的质量评价更全面、可靠。     

利用EGM2008模型与加权组合模型进行高程异常拟合

高程异常拟合是GPS高程测量应用于实际工作的重要技术手段,高精度地求解高程异常是技术关键。本文提出了顾及EGM2008重力场模型的高程异常拟合方法,通过EGM2008重力场模型计算高程异常长波项,并对剩余高程异常利用加权组合模型进行拟合。通过江苏省某市的实测数据验证顾及EGM2008重力场模型的加权组合模型拟合方法。结果表明,该方法的精度达到了厘米级,高程异常拟合效果最大提升了30%。     

基于 EIGEN6C2模型的 Kaula 规则精化

高精度重力场模型精化Kaula规则其要点是将Kaula规则乘上一个与位系数阶数项相关的二阶有理函数,并基于EIGEN6C2重力场模型解算有理函数模型的系数。精化后的Kaula规则与EIGEN6C2模型和EGM2008模型的逼近误差都只是原来Kaula规则的0.26%。因此,精化后的Kaula规则更能正确表示各阶引力位的实际能量,对于重力场模型的解算提供更加合理的约束。     

利用重力场模型对中国陆地和岛礁GNSS水准沉降进行分析

利用现势性很强的EGM2008,EIGEN-6C,EIGEN-6C2,GO_CONS_GCF_2_DIR_R4共四个地球重力场模型,对中国沿海近岸陆地和岛礁上16个区域的1 053个GNSS水准点进行了沉降分析,最后发现中国沿海浙江省、辽宁省、上海市、天津市、广西、琼州北(琼州海峡北)、琼州南(琼州海峡南)7个区域存在沉降。     

Spherical harmonic modelling to ultra-high degree of Bouguer and isostatic anomalies

The availability of high-resolution global digital elevation data sets has raised a growing interest in the feasibility of obtaining their spherical harmonic representation at matching resolution, and from there in the modelling of induced gravity perturbations. We have therefore estimated spherical Bouguer and Airy isostatic anomalies whose spherical harmonic models are derived from the Earth’s topography harmonic expansion. These spherical anomalies differ from the classical planar ones and may be used in the context of new applications. We succeeded in meeting a number of challenges to build spherical harmonic models with no theoretical limitation on the resolution. A specific algorithm was developed to enable the computation of associated Legendre functions to any degree and order. It was successfully tested up to degree 32,400. All analyses and syntheses were performed, in 64 bits arithmetic and with semi-empirical control of the significant terms to prevent from calculus underflows and overflows, according to IEEE limitations, also in preserving the speed of a specific regular grid processing scheme. Finally, the continuation from the reference ellipsoid’s surface to the Earth’s surface was performed by high-order Taylor expansion with all grids of required partial derivatives being computed in parallel. The main application was the production of a 1′ × 1′ equiangular global Bouguer anomaly grid which was computed by spherical harmonic analysis of the Earth’s topography–bathymetry ETOPO1 data set up to degree and order 10,800, taking into account the precise boundaries and densities of major lakes and inner seas, with their own altitude, polar caps with bedrock information, and land areas below sea level. The harmonic coefficients for each entity were derived by analyzing the corresponding ETOPO1 part, and free surface data when required, at one arc minute resolution. The following approximations were made: the land, ocean and ice cap gravity spherical harmonic coefficients were computed up to the third degree of the altitude, and the harmonics of the other, smaller parts up to the second degree. Their sum constitutes what we call ETOPG1, the Earth’s TOPography derived Gravity model at 1′ resolution (half-wavelength). The EGM2008 gravity field model and ETOPG1 were then used to rigorously compute 1′ × 1′ point values of surface gravity anomalies and disturbances, respectively, worldwide, at the real Earth’s surface, i.e. at the lower limit of the atmosphere. The disturbance grid is the most interesting product of this study and can be used in various contexts. The surface gravity anomaly grid is an accurate product associated with EGM2008 and ETOPO1, but its gravity information contents are those of EGM2008. Our method was validated by comparison with a direct numerical integration approach applied to a test area in Morocco–South of Spain (Kuhn, private communication 2011) and the agreement was satisfactory. Finally isostatic corrections according to the Airy model, but in spherical geometry, with harmonic coefficients derived from the sets of the ETOPO1 different parts, were computed with a uniform depth of compensation of 30?km. The new world Bouguer and isostatic gravity maps and grids here produced will be made available through the Commission for the Geological Map of the World. Since gravity values are those of the EGM2008 model, geophysical interpretation from these products should not be done for spatial scales below 5 arc minutes (half-wavelength).