关于海洋无缝垂直基准体系建立的思考

探讨海洋无缝垂直基准体系建立的重要意义,提出了建立该体系的总体思想与关键环节,进而针对性地总结了现有的相应研究成果,分析了所存在的主要问题与不足,提出根据各海域潮汐特点分别选取适宜的无缝垂直基准面,在不同垂直基准间建立转换模型,在临界海域建立过渡模型,最终确定适用于全部海域的海洋无缝垂直基准体系的思路,可望为海洋无缝垂直基准体系的最终建立提供指导作用。     

关于我国区域海洋无缝垂直基准建模及其转换方法的探讨

随着全球导航卫星系统(GNSS)的完善,以及海洋工程的日趋增多,对于区域海洋无缝垂直基准建模及其转换精度的要求也不断提高。本文针对建立我国区域海洋无缝垂直基准体系的现状进行探讨,概要性地介绍了有关模型的建立和海洋垂直基准间的转换方法,并配案例,为相关领域的研究者提供了技术参考。     

远距离高精度GPS潮汐观测及垂直基准转换研究

为实现远岸潮汐精确监测及潮位海图高程转换,基于GPS事后动态处理技术(PPK)开展了远距离高精度潮位观测、提取及垂直基准面确定和转换模型构建方法研究。分别探讨了在锚定和走航情况下瞬时水面高程信号改正方法及潮位有效信息提取的最优截止频率,并给出了在不同情况下深度基准面大地高的计算方法模型及区域无缝深度基准面大地高构建模型。在实际试验中,基线距离在100km范围内,获得了基于深度基准的GPS潮位,精度优于10cm。     

关于我国海域无缝垂直基准构建方法的讨论

本文系统分析了海洋测绘垂直基准在海洋勘测、海洋开发海洋权益维护中的迫切性,提出我国海域无缝垂直基准构建的方法、实施的具体流程及需要解决的关键技术,目的是推动现代海洋测绘垂直基准框架体系的建设。     

联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系

长江口水域地形地貌研究对河道治理建设、水上交通运输等人类社会经济活动具有重要意义,而建立高精度的无缝深度基准面及其与其他垂直基准间转换模型将直接影响到水陆交界区高精度地形地貌数据的获取及统一综合管理与分析。为此着重研究了基于三维潮波运动数值模拟、海面地形和大地水准面3种手段联合的河口水域无缝深度基准面构建及其与其他垂直基准间转换模型,并在长江口南支这一典型河口水域进行了建模实验和模型精度评估分析。结果显示,垂直基准转换模型中误差为12.4 cm,与现场长期潮位站实际观测结果比对分析得垂直基准转换模型误差绝对值均值为24.2 cm,尽管大于模型中误差估值,但仍满足国际水道测量规范对测深中垂向最大不确定度的要求。     

海图水深注记的基准更新方法研究

建立统一、规范的深度基准体系是海洋测绘成果应用的基本保证。为了消除目前海图应用中水深注记基准面不一致的影响,本文在以往研究成果的基础上,提出了以平均海面基准为中介的海图新旧深度基准的转换体系,并以某实验海区水深数据为例,构建了基于深度基准面更新模型的海图水深注记的更新方法。经试验验证效果良好。     

海洋垂直基准研究进展与展望

海洋垂直基准的构建是海洋测绘的基础性工作。2009—2012年,我国初步构建了中国近岸80海里范围内高程/深度基准转换与统一模型。近年来,这一模型扩展到了我国南海、西太平洋和东印度洋,接下来将逐步构建南北极和全球的无缝垂直基准面模型,这对推动我国数字海洋建设具有基础的支撑作用。本文主要论述和梳理目前国内外主要沿海国家进行海洋垂直基准构建的研究现状,分析了海洋垂直基准构建的主要工作、途径及关键技术,重点阐述了我国在海洋垂直基准建设实践中取得的成果和存在的问题。     

美国的垂直基准转换及启示

针对我国陆海垂直基准不统一的问题,该文提出借鉴美国垂直基准转换的方法,通过介绍美国使用的正高基准、潮汐基准和三维基准等垂直基准的定义和实现情况,详细说明美国垂直基准转换的技术路线、关键技术以及转换的实际精度,总结出对美国垂直基准转换的认识和给我国垂直基准转换的启示。研究结果以期为相关领域提供参考。     

利用调和常数内插的局域无缝深度基准面构建方法

为实现局域水域垂直基准间的无缝转换,从深度基准面计算原理出发,根据潮波传播特征,提出了一种基于潮汐调和常数内插的无缝深度基准面建立方法,该方法较传统常用方法具有更高的精度和稳定性。通过长江口区域的实验验证了该方法的正确性及可行性,并在该区域建立了无缝深度基准面模型。     

海洋空间信息基准技术进展与发展方向

简要分析了海洋空间信息基准的基本发展历程和当前的技术状态,梳理和评述了近年来关于验潮站垂直基准确定方法的改进与完善、验潮站控制下的垂直基准的实现形式、长期验潮站在维持垂直基准方面的作用、海洋潮汐模型构建、特征潮面模型构建与转换等有关海洋垂直基准及与其相关的海洋潮汐研究的主要进展,预测了海洋空间信息基准在海上高精度位置服务、垂直基准面及转换模型精化、空间基准应用等重点发展方向。     

高程系统定义分析与高精度GNSS代替水准算法

从高程系统定义出发,探讨高程基准面的重力等位性质,测试分析不同类型高程系统地面点高程之间的差异,考察GNSS代替水准与实际水准测量成果的一致性,进而提出新的GNSS代替水准算法。主要结论包括:(1)当精度要求达到厘米级水平时,正常高的基准面也应是大地水准面。中国国家1985高程基准采用正常高系统,其高程基准面是过青岛零点的大地水准面。(2)近地空间中等解析正高面与大地水准面平行,GNSS代替水准能直接测定地面点的解析正高,但正常高系统更有利于描述地势和地形起伏。(3)本文给出的GNSS代替水准测定近地点正常高算法,大地高误差对正常高结果的影响比大地水准面误差大,前者影响约为后者的1.5倍。     

利用大地边值问题方法统一全球高程基准

为解决世界各国高程基准差异的问题,提出联合卫星重力场模型、地面重力数据、GNSS大地高、局部高程基准的正高或正常高,按大地边值问题法确定局部高程基准重力位差的方法。首先推导了利用传统地面"有偏"重力异常确定高程基准重力位差的方法;接着利用改化Stokes核函数削弱"有偏"重力异常的影响,并联合卫星重力场模型和地面"有偏"重力数据,得到独立于任何局部高程基准的重力水准面,以此来确定局部高程基准重力位差;最后利用GNSS+水准数据和重力大地水准面确定了美国高程基准与全球高程基准W₀的重力位差为-4.82±0.05 m²s^-2。     

The relation between rigorous and Helmert’s definitions of orthometric heights

Following our earlier definition of the rigorous orthometric height [J Geod 79(1-3):82–92 (2005)] we present the derivation and calculation of the differences between this and the Helmert orthometric height, which is embedded in the vertical datums used in numerous countries. By way of comparison, we also consider Mader and Niethammer’s refinements to the Helmert orthometric height. For a profile across the Canadian Rocky Mountains (maximum height of ~2,800 m), the rigorous correction to Helmert’s height reaches ~13 cm, whereas the Mader and Niethammer corrections only reach ~3 cm. The discrepancy is due mostly to the rigorous correction’s consideration of the geoid-generated gravity disturbance. We also point out that several of the terms derived here are the same as those used in regional gravimetric geoid models, thus simplifying their implementation. This will enable those who currently use Helmert orthometric heights to upgrade them to a more rigorous height system based on the Earth’s gravity field and one that is more compatible with a regional geoid model.     

区域与全球高程基准差异的确定

全球高程基准统一是继全球大地测量坐标系及其参考基准统一之后,大地测量学科面临和亟待解决的一个重要问题,也是全球空间信息共享与交换的基础。本文针对区域高程基准与全球高程基准间基准差异确定的理论、方法及实际问题开展研究。利用物理大地测量高程系统的经典理论方法,给出了高程基准差异的定义,并推导了计算基准差异的严密公式,该公式可将高程基准差异确定的现有3种方法统一起来。在此基础上,分析顾及了不同椭球参数对于计算基准差异的影响及量级,同时,高程异常差法还需考虑全球高程基准重力位与模型计算大地水准面位值不一致引起的零阶项改正。利用青岛原点附近152个GPS水准点数据,分别选择GRS80、WGS-84、CGCS2000参考椭球以及EGM2008、EIGEN-6C4、SGG-UGM-1模型,采用位差法和高程异常差法,确定了我国1985高程基准与全球高程基准的差异。其中,EIGEN-6C4模型计算的我国高程基准与WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准之间的差异约为-23.1cm。也就是说,我国高程基准低于采用WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准,当选取基于平均海面确定的Gauss-Listing大地水准面作为全球高程基准时,我国1985高程基准高于全球基准约21.0cm。从计算结果还可看出,当前重力场模型在青岛周边不同GPS/水准点的精度差别依然较大,这会导致选择不同数据对确定我国85国家高程基准与全球基准之间的差异影响较大,因此,若要实现厘米级精度区域高程基准与全球高程基准的统一,全球重力场模型的精度和可靠性还需要进一步提高。     

高精度推求正高的两种方法

论述了高精度推求正高的两种方法 ,并对正高精度的推估及其在模型上的试算也作了讨论 ,对于海拔为 5 0 0 0m的高山 ,正高的误差一般不超过± 1 0cm ,这与距青岛水准原点达数千公里的西部高山 (原 )处正常高的精度也比较接近     

Comparison of different height systems

Geopotential, dynamic, orthometric and normal height systems and the corrections related to these systems are evaluated in this paper. Along two different routes, with a length of about 5 kilometers, precise leveling and gravity measurements are done. One of the routes is in an even field while the other is in a rough field. The magnitudes of orthometric, normal and dynamic corrections are calculated for each route. Orthometric, dynamic, and normal height differences are acquired by adding the corrections to the height differences obtained from geometric leveling. The magnitudes of the corrections between the two routes are compared. In addition, by subtracting orthometric, dynamic, and normal heights from geometric leveling, deviations of these heights from geometric leveling are counted.     

用神经网络方法转换GPS高程

本文提出用神经网络方法转换ＧＰＳ高程为正高或正常高,给出一种改进了的ＢＰ神经网络拓扑结构和算法,并用ＧＰＳ的实际定位资料构成４３个样本集作了在计算分析,估算的精度达到厘米级、最后用网络方法与二次多项式曲面拟合大地水准面转换ＧＰＳ高程的方法作了比较,神经网络方法的精度优于二次多项式曲面拟合法,而且精度比较稳定,对已知样本点的数量要求较少。     

A new technique to determine geoid and orthometric heights from satellite positioning and geopotential numbers

This paper takes advantage of space-technique-derived positions on the Earth’s surface and the known normal gravity field to determine the height anomaly from geopotential numbers. A new method is also presented to downward-continue the height anomaly to the geoid height. The orthometric height is determined as the difference between the geodetic (ellipsoidal) height derived by space-geodetic techniques and the geoid height. It is shown that, due to the very high correlation between the geodetic height and the computed geoid height, the error of the orthometric height determined by this method is usually much smaller than that provided by standard GPS/levelling. Also included is a practical formula to correct the Helmert orthometric height by adding two correction terms: a topographic roughness term and a correction term for lateral topographic mass–density variations.     

The rigorous determination of orthometric heights

The main problem of the rigorous definition of the orthometric height is the evaluation of the mean value of the Earth’s gravity acceleration along the plumbline within the topography. To find the exact relation between rigorous orthometric and Molodensky’s normal heights, the mean gravity is decomposed into: the mean normal gravity, the mean values of gravity generated by topographical and atmospheric masses, and the mean gravity disturbance generated by the masses contained within geoid. The mean normal gravity is evaluated according to Somigliana–Pizzetti’s theory of the normal gravity field generated by the ellipsoid of revolution. Using the Bruns formula, the mean values of gravity along the plumbline generated by topographical and atmospheric masses can be computed as the integral mean between the Earth’s surface and geoid. Since the disturbing gravity potential generated by masses inside the geoid is harmonic above the geoid, the mean value of the gravity disturbance generated by the geoid is defined by applying the Poisson integral equation to the integral mean. Numerical results for a test area in the Canadian Rocky Mountains show that the difference between the rigorously defined orthometric height and the Molodensky normal height reaches ∼0.5 m.     

2005珠峰高程测定

2005年我国对珠穆朗玛峰高程进行了新的测定,为此在珠峰及其邻近地区开展了大规模的大地测量数据获取和数据处理工作。相对于1975年珠峰测高,2005年在珠峰以北地区的地面控制和珠峰高程测定中采用了GPS技术,采用了雷达探测技术测定珠峰峰顶冰雪覆盖层的深度,利用地球重力场模型、重力和数字地形数据、以及GPS水准等资料,精化珠峰地区的大地水准面,提高了测量珠峰高程和探测峰顶冰雪覆盖层深度的精度和可靠性。由此测得珠峰峰顶雪面正常高为8 846.67 M,珠峰峰顶雪面正高(海拔高)为8 847.93 M,珠峰峰顶岩面正高为8 844.43 M,珠峰峰顶相应点的冰雪层厚度为3.50 M。