局部大地水准面的精确确定及地球物理解释

大地水准面,定义为地球重力场在平均海水面上的等位面,是陆地地形及海洋高程系统的基准面.局部大地水准面的精确确定对测绘、地球物理以及海洋学都是极为重要的.几何水准是地球表面高程的常用方法,但由于几何水准劳动强度大、费力、费钱,因此,近几十年各国都在研究和开发取代传统水准的方法和技术.如今,全球定位系统 ( GPS ) 相对定位精度达到几厘米 +1～2×10-6D,如果大地水准面精度足够高,GPS大地高就可以转化为几何高程.从而使GPS代替水准成为可能.局部大地水准面的精确确定可以使GPS得到更广泛的应用.     

论相对论重力位及相对论大地水准面

讨论了相对论意义下的重力位及大地水准面，指出了等时率大地水准面的缺陷，建议今后采用等频面及等频大地水准面的概念，给出了等频大地水准面与经典大地水准面的差异，同时给出了等频大地水准面的近似表达式。     

一种确定大地水准面重力位漂移δW的方法

理论上,大地水准面上的重力位常数W0决定了大地水准面的形状及大小。源于大地水准面重力位W0的系统误差将直接导致大地水准面的漂移,如何精确确定W0一直是大地测量学家极为感兴趣的问题。本文基于虚拟压缩恢复法,提出了一种不同于传统的确定大地水准面重力位漂移δW的方法。     

确定全球厘米级精度大地水准面的可能性和方法探讨

阐述确定厘米级精度大地水准面所面临的挑战,评述各种大地水准面的定义,提出一种确定1°×1°厘米级精度全球大地水准面的新思路和新方法:在已知相应厘米级精度全球重力位模型、地形密度分布模型以及平均海面高模型的前提下,利用虚拟压缩恢复法可实现全球1°×1°厘米级精度大地水准面的目标。初步论证实现此目标的可能性和条件,并简要介绍一个模拟实验结果。     

联合GRACE/GOCE重力场模型和GPS/水准数据确定我国85高程基准重力位

GRACE、GOCE卫星重力计划的实施,对确定高精度重力场模型具有重要贡献。联合GRACE、GOCE卫星数据建立的重力场模型和我国均匀分布的649个GPS/水准数据可以确定我国高程基准重力位,但我国高程基准对应的参考面为似大地水准面,是非等位面,将似大地水准面转化为大地水准面后确定的大地水准面重力位为62 636 854.395 3m~2s~(-2),为提高高阶项对确定大地水准面的贡献,利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展GRACE/GOCE模型至2190阶,同时将重力场模型和GPS/水准数据统一到同一参考框架和潮汐系统,最后利用扩展后的模型确定的我国大地水准面重力位为62 636 852.751 8m~2s~(-2)。其中组合模型TIM_R4+EGM2008确定的我国85高程基准重力位值62 636 852.704 5m~2s~(-2)精度最高。重力场模型截断误差对确定我国大地水准面的影响约16cm,潮汐系统影响约4~6cm。     

大地水准面的定义及其求定问题

<正> 1.引言大地水准面是对地球的物理表面的数学描述。1872年,里斯丁(J.B.Listing)最先提出和使用这个术语,把大地水准面定义为地球重力场诸等位面中在平均意义上与开阔无扰动海水面相吻合的那个等位面。此后一     

利用空中平均重力异常确定区域大地水准面

提出了直接利用空中平均重力异常计算区域大地水准面的方法。模拟计算的结果表明, 该方法与传统的利用地面平均空间重力异常确定的大地水准面精度相当, 但其显著优点是勿需空中重力异常的向下解析延拓, 从而可以避免延拓误差对大地水准面精化的影响。     

论大地水准面的精密确定

本文论述了确定大地水准面的意义,详细分析了确定大地水准面所需数据及其分辨率要求。大地水准面的中、低频成分的改进主要依靠卫星大地测量技术,但局部高频成分需要综合利用ＧＰＳ、重力、水准和地形数据,因而大地水准面的精度是大地测量理论和技术的综合体现。文中以大量数据分析和试验计算论证了我国大地水准面的近期精化目标及实现这一目标的技术途径。     

GPS水准、天文重力水准与重力大地水准面多种数据联合处理的研究

针对我国大地水准面的研究状况，提出了在国家ＧＰＳＢ级网完成之后，利用ＧＰＳ水准、天文重力水准与重力大地水准面３类数据确定我国高精度大地水准面的理论和方法。分析了３类数据的误差传播规律，给出了联合平差模型，并用一模拟网进行了试算     

利用矩谐分析的局部大地水准面确定

大地水准面是重力的等位面,建立高精度的大地水准面是大地测量学的重要任务之一。现阶段建立局部大地水准面多采用球谐分析以及球冠谐分析,但都无法获得高精度、小区域的大地水准面。针对这一研究现状,本文提出了采用矩谐分析确定局部大地水准面的方法。选取所研究区域中心点为坐标原点,建立直角坐标系,并在此坐标系下求解地球引力位Laplace方程;利用模拟的陆地重力及航空重力数据,对矩谐分析建模方法进行验证与分析;并针对影响矩谐分析精度的边界效应问题,采用扩展参数的方法提高精度,针对"龙格问题",进行了最佳截断阶数的研究。结果表明:由陆地重力和航空重力数据确定的2.5'×2.5'的大地水准面精度分别能达到4.2、4.3 cm;且对于航空重力数据,矩谐分析能同时实现向下延拓和解算两个重点、难点计算过程,将航空重力解算直接化、简单化。     

国家高程基准与全球高程基准之间的垂直偏差

利用不同重力场模型（EIGEN-6C4、EGM2008）和海面高模型（DNSC08、DTU10、DTU13）确定了全球平均海面重力位均值62 636 856.550 7 m²s^-2,加入海面地形改正后得到全球大地水准面重力位均值62 636 858.179 0 m²s^-2。联合EGM2008模型与全国均匀分布的649个GPS/水准数据,根据异常位法、正常高反算法以及高程异常差法,分别计算了我国1985高程基准与全球高程基准之间的垂直偏差,并对3种垂直偏差结果通过加权方法进行了改善。最后,利用两种方法对垂直偏差结果的合理性与正确性进行验证。结果表明我国高程基准面高于全球平均海面0.298 0 m,高于全球大地水准面0.464 2 m。     

珠穆朗玛峰峰顶大地水准面与似大地水准面差值计算及其验证

本文利用登山路线上的实测重力点,通过试算分析确定了珠穆朗玛峰地区应采用的均衡模型及均衡深度,并利用该均衡模型推估了珠穆朗玛峰峰顶地形均衡重力异常与珠穆朗玛峰峰顶重力值。根据正常高和正高换算关系的需要,计算了珠穆朗玛峰峰顶沿垂线方向至黄海平均海平面的重力值的平均值与正常重力值的平均值,在此基础上完成了珠穆朗玛峰峰顶正常高和正高的换算,即大地水准面与似大地水准面差值计算,并对此结果采用其他方法进行了验证。     

Geoid and high resolution sea surface topography modelling in the mediterranean from gravimetry,altimetry and GOCE data: evaluation by simulation

The determination of local geoid models has traditionally been carried out on land and at sea using gravity anomaly and satellite altimetry data, while it will be aided by the data expected from satellite missions such as those from the Gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE). To assess the performance of heterogeneous data combination to local geoid determination, simulated data for the central Mediterranean Sea are analyzed. These data include marine and land gravity anomalies, altimetric sea surface heights, and GOCE observations processed with the space-wise approach. A spectral analysis of the aforementioned data shows their complementary character. GOCE data cover long wavelengths and account for the lack of such information from gravity anomalies. This is exploited for the estimation of local covariance function models, where it is seen that models computed with GOCE data and gravity anomaly empirical covariance functions perform better than models computed without GOCE data. The geoid is estimated by different data combinations and the results show that GOCE data improve the solutions for areas covered poorly with other data types, while also accounting for any long wavelength errors of the adopted reference model that exist even when the ground gravity data are dense. At sea, the altimetric data provide the dominant geoid information. However, the geoid accuracy is sensitive to orbit calibration errors and unmodeled sea surface topography (SST) effects. If such effects are present, the combination of GOCE and gravity anomaly data can improve the geoid accuracy. The present work also presents results from simulations for the recovery of the stationary SST, which show that the combination of geoid heights obtained from a spherical harmonic geopotential model derived from GOCE with satellite altimetry data can provide SST models with some centimeters of error. However, combining data from GOCE with gravity anomalies in a collocation approach can result in the estimation of a higher resolution geoid, more suitable for high resolution mean dynamic SST modeling. Such simulations can be performed toward the development and evaluation of SST recovery methods.     

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。     

Models for Fitting Gravimetric Geoids and GPS Results

The aim of this investigation is to study how to use a gravimetric(quasi) geoid for levelling by GPS data in an optimal way.The advent of precise geodetic GPS has made the use of a technique possible,which might be called GPS- gravimetric geoid determination.In this approach,GPS heights above the reference ellipsoid are determined for points whose levelled (orthometric) height H is above sea level people have already surveyed;for these points,we thus have the values of the geoid undulation N.These values are then used to constrain the geoid undulations N‘ obtained from the gravimetric solution.     

利用卫星测高技术确定浙江海域大地水准面

利用多颗卫星的测高数据,经共线平均及交叉点平差,建立浙江深海海域2.5′×2.5′格网分辨率的平均海面高模型,在扣除海面地形影响后得到海域的大地水准面起伏,并与EGM2008所得计算结果进行对比;利用移去-恢复技术及SVR方法,联合验潮站GPS/水准数据与EGM2008大地水准面模型,计算浙江近岸海域大地水准面起伏;最终建立浙江海域2.5′×2.5′格网分辨率的大地水准面模型。     

地形对确定高精度局部大地水准面的影响

以计算香港大地水准面为例 ,着重研究了以下几点 :①DTM的分辨率对地形改正的影响 ;②质量柱体地形模型与质量线地形模型对计算地形改正的差异 ;③采用Helmert凝聚改正法 ,计算地形对大地水准面的间接影响 ;④比较经典Stokes Helmert方法与Sj¨oberg方法计算地形对大地水准面的影响     

海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面的拟合问题

研究了将陆地重力似大地水准面与GPS水；住似大地水准面拟合的处理方法推广到海洋的问题．首先从理论上证明了当存在海面地形．则海洋大地水准面与似大地水准面不重合．导出了在海洋上大地水；住面差距与高程异常之间差值的公式．由此给出了求定平均海面相对于区域高程基准的正常高以及测高似大地水准面的计算公式。由于测高平均海面与GPS大地高有相近的精度．提出了将海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面拟合的处理方法．并利用当前最新的海面地形模型和测高平均海面模型做了数值估计。     

ENVISAT测高卫星沿轨大地水准面梯度的海洋垂线偏差法研究

研究了利用沿轨大地水准面梯度数据计算海洋垂线偏差的最小二乘法,首先对ENVISAT测高数据进行各项地球物理改正得到近似测高大地水准面,然后计算沿轨大地水准面的梯度,接着用最小二乘法计算格网垂线偏差东西分量和南北分量的平均值。最后,用该方法计算了南中国海区域及其邻近海域(4°N～25°N,104°E～120°E)的5′×5′垂线偏差南北分量和东西分量,其精度优于7″,并与EGM96模型计算的垂线偏差值进行了比较,证明了该方法的有效性。     

Geoid determination using one-step integration

A residual (high-frequency) gravimetric geoid is usually computed from geographically limited ground, sea and/or airborne gravimetric data. The mathematical model for its determination from ground gravity is based on the transformation of observed discrete values of gravity into gravity potential related to either the international ellipsoid or the geoid. The two reference surfaces are used depending on height information that accompanies ground gravity data: traditionally orthometric heights determined by geodetic levelling were used while GPS positioning nowadays allows for estimation of geodetic (ellipsoidal) heights. This transformation is usually performed in two steps: (1) observed values of gravity are downward continued to the ellipsoid or the geoid, and (2) gravity at the ellipsoid or the geoid is transformed into the corresponding potential. Each of these two steps represents the solution of one geodetic boundary-value problem of potential theory, namely the first and second or third problem. Thus two different geodetic boundary-value problems must be formulated and solved, which requires numerical evaluation of two surface integrals. In this contribution, a mathematical model in the form of a single Fredholm integral equation of the first kind is presented and numerically investigated. This model combines the solution of the first and second/third boundary-value problems and transforms ground gravity disturbances or anomalies into the harmonically downward continued disturbing potential at the ellipsoid or the geoid directly. Numerical tests show that the new approach offers an efficient and stable solution for the determination of the residual geoid from ground gravity data.