全国及部分省市地区高精度高分辨率似大地水准面的研究和实施.doc

摘要 结合我国重力和地形资料及国内外较优的重力场模型，研制适合我国重力场特征的360阶重力场模型WDM94;建立中国新一代分米级似大地水准面CQG2000，包括建立新的以GPS/水准为基础的高程异常控制网、利用海洋卫星测高数据计算海洋大地水准面、陆地重力似大地水准面的研制及陆海似大地水准面的拼接等;研制江苏省、海南省、深圳市、大连市、南京市及“南水北调”西线工程具有厘米级精度的局域似大地水准面模型;结合GPS技术和高精度似大地水准面模型，研制GPS测图软硬件一体化系统。本研究项目获得2004年度国家科技进步二等奖。 摘要:结合我国重力和地形资料及国内外较优的重力场模型，研制适合我国重力场特征的360阶重力场模型WDM94;建立中国新一代分米级似大地水准面CQG2000，包括建立新的以GPS/水准为基础的高程异常控制网、利用海洋卫星测高数据计算海洋大地水准面、陆地重力似大地水准面的研制及陆海似大地水准面的拼接等;研制江苏省、海南省、深圳市、大连市、南京市及“南水北调”西线工程具有厘米级精度的局域似大地水准面模型;结合GPS技术和高精度似大地水准面模型，研制GPS测图软硬件一体化系统。本研究项目获得2004年度国家科技进步二等奖。关键词:似大地水准面;重力场模型;GPS/水准;CQG200一、概述 本研究项目的总体目标是:为满足我国测绘事业的可持续发展、国家基础地理信息的持续更新、国家经济和国防建设及有关地球科学研究的需要，研制适合我国局部重力场特征的新一代地球重力场模型(WDM94)和似大地水准面(C Q G2000 )，在部分省市地区建立厘米级精度的似大地水准面模型。实施本研究项目的总体思路是:广泛采用我国陆地和海洋实测重力异常、卫星测高数据和高分辨率的DTM资料以及国外由多种重力资料计算的全球平均重力异常数据和地球重力场模型，研制一个适合我国局部重力场特征的高阶(360阶)地球重力场模型WDM94;以此为基础，建立中国新一代(似)大地水准面C Q G2000，要求其精度和分辨率指标相对于20世纪80年代初完成的中国(似)大地水准面(CQG80)提高一个量级，即由1 (3一5) m精度提高到分米级精度，由200 x 200分辨率提高到15 x 15的分辨率，覆盖范围由陆域国土扩展到全国陆海国土;在我国部分省市地区建立高分辨率厘米级精度的似大地水准面，要求其精度和分辨率能满足本地区大比例尺地形图测绘的需要。为此，本项目依据国内外确定地球重力场模型和似大地水准面的最新理论和方法，采取如下技术路线，其具体内容在以下各节中分别加以扼要阐述。二、NWM94地球重力场模型的研制 该项研究旨在研制一个适合我国局部地球重力场特征的完全阶次至360阶的全球重力场模型WDM94E1，该模型共有130 321个未知系数，具有30x 3 0分辨率。采用的数据资料有: 收集的OSU的重力数据，共有1989年的31 787个和1990年的2274 13个30x 3 0平均空间重力异常，其中大部分是由卫星测高资料推求的; 我国22万个实测重力点值及收集到的2 581个我国海域和近海30x 30平局重力异常; GEM T2重力场模型和全国30x 3 0地形数据。WDM94重力场模型的确定分两步完成，即首先由地面重力数据和低阶卫星重力模型GEM T2联合求解低阶位系数，然后由地面数据计算高阶位系数，并与采用广义最小二乘平差法联合平差处理后的低阶位系数共同构成完全阶次为360阶的WDM94重力场模型。 对WDM94的精度评定采用国内238个GPS水准点的似大地水准面高与由WDM94、国外的0SU91和JGM3 3个模型的计算值进行比较，比较结果显示WDM94的精度高于国外两个模型精度的2一3倍。WDM94模型总体精度达到土0.9 m。再将上述3个模型的空间异常计算值与我国实测30 x 30格网平均空间异常值比较，WDM94模型精度较国外的两个模型高1-2倍，总体精度达到土10 pGat,三、中国2000似大地水准面的研究和计算 中国2000似大地水准面(CQG2000)2-4的精度指标和分辨率相对于20世纪80年代初完成的中国似大地水准面(C Q G80)应提高一个量级，即由土(3一5) m精度提高到分米级精度，由20 x 20的分辨率提高到15x 1 5左右;而CQ G 2000的覆盖面则绝不能只局限于我国大陆，要扩展到中国全部陆海国土。要达到上述目标要解决3个科学技术问题: 我国大陆大地水准面的研究和计算; 我国海域大地水准面的研究和计算; 我国大陆和海域两个大地水准面的拼接研究和计算。1. 我国大陆似大地水准面的研究和计算 我国大陆似大地水准面5-7的计算大体分为3个步骤: 建立高程异常控制网(HACN); 计算陆地重力似大地水准面; 重力似大地水准面与HACN的拟合。由此求得我国大陆似大地水准面。 按计算中国似大地水准面CQ G 2000的需要，我国高程异常控制网(HACN2000)分A,B 两个等级布设，其中A级高程异常控制网是用国家A级GPS定位标准施测，同时用高于二等水准测量精度测定A级GPS点的正常高。A级高程异常控制网的主要目的是在全国大跨度高精度地传递高程异常，以减少误差积累。目前已完成的A级高程异常控制网点为3个，均匀分布于中国大陆，平均边长为700 km，相对精度为10-”量级。HACN2000的另一部分为B级高程异常控制网，即按照国家B级GPS定位标准测定B级GPS点的3维坐标，同时采用精密水准测量测定B级GPS点的正常高。已完成的B级高程异常控制网点总数约750个，该网点在我国东部、中部和西部的分辨率分别为80 km,130 km和250 km左右。 鉴于我国地面重力数据分辨率低且分布不均匀的情况，我国陆地重力似大地水准面的计算采用了地形均衡异常进行推估内插和格网化，再恢复为地面(或大地水准面)空间重力异常格网值。用移去-恢复法计算残差大地水准面高和高程异常，然后再叠加模型值，恢复成所要推求的陆地似大地水准面。 重力似大地水准面与HACN2000拟合的目的是使缺乏坐标框架含义且分辨率较高的重力似大地水准面和有严格坐标定义且精度较高的高程异常控制网在拟合后能相互结合取长补短。 为了实际检核上述拟合后的CQG2000的陆地大地水准面的精度，选用了“中国地壳运动网络”科学工程中分布均匀的80余个高精度GPS水准点进行外部检核。检核结果证实CQG2000在大陆部分的似大地水准面高程异常在东经1020以东地区，中误差为士0.3 m，在东经1020以西、北纬360以北和以南地区，中误差分别为土0.4m 和10 .6m ，分辨率为15x 1 5o2. 我国海域似大地水准面的研究和计算 我国海域似大地水准面8,9的计算采用GEOSAT,T/P和ERS-2三类完整的测高数据进行联合处理，并考虑采用测高垂线偏差作为确定海洋重力场的基础输人数据;海洋似大地水准面采用国际80参考椭球和T/P轨道参考框架(ITRF93 );最后采用莫洛坚斯基的由垂线偏差反演大地水准面高的公式计算海洋大地水准面。 对上述海域似大地水准面计算成果的检核采用两个途径:一是卫星测高数据反演海洋重力异常的精度检核。利用中国海域由1 500 GB的海量卫星测高数据计算格网垂线偏差，然后由逆Vening-M einesz公式反演重力异常，并与近60万个船测重力异常进行比较和检核，其均方差和标准差分别为土9.35 ftGal和士9.34 ftGal，证明计算结果可靠。二是卫星测高数据反演海洋似大地水准面高的精度估计。将由垂线偏差反演的大地水准面同利用逆Vening-Meinesz公式反演得到的重力异常按Stokes公式计算的大地水准面作比较，差值的标准差为士0.025 m.验证了计算的正确性。3. 我国海域似大地水准面与陆地似大地水准面拼接的研究和计算 大陆上用重力数据确定的大地水准面和海洋上用测高数据确定的大地水准面存在拼合差，其主要原因来自以下几个方面:一是由测高数据确定海域大地水准面时，很难将海面地形从平均海面中完全分离出来，这样使得陆海两个大地水准面的拼接引人附加的差异。此外近岸测高数据的不完整和误差较大，由此确定的测高平均海面的可靠性较差，这更增加了由平均海面分离出海面地形的难度，目前已有的全球海面地形模型用于近岸海域时，存在系统差的几率都比较大。二是沿海地区和近岸海域是计算大陆重力大地水准面的边界区，在这些地区往往缺少完好的重力测量数据，这将降低计算大陆沿海地区重力大地水准面的精度。 基于上述考虑和结合我国陆海交接处重力数据存在空白区的实际，本项目提出以下陆海大地水准面的拼接原则: 拼接后的海域似大地水准面与陆地似大地水准面的分辨率和精度要基本一致;拼接后的海域大地水准面的残差(RMS)平均值小于士0.3 m，以保证覆盖全国国土的中国新一代似大地水准面(C Q G2000 )具有分米级的精度水平; 陆地似大地水准面拼接后保持不变，即利用我国东部地区密度大、精度高的重力数据对海洋测高重力数据起控制作用; 似大地水准面的拼接应符合位理论的原则，拼接拟合应满足Laplace方程;采用EGM%全球重力位模型作拼接的参考重力场，用以控制两个似大地水准面中长波分量的完好拼接，同时采用GRS1980参考椭球，以便和国际接轨。四、 省市地区似大地水准面的精化 从测绘生产的应用看，CQ G 2000基本上可以满足西部地区中、小比例尺(小于1.1万)航测测图采用GPS测高作地面高程控制的需求，但对于中、东部经济发达地区大比例尺(如1:5 000一1500)测图更新的需求量呈快速增长的趋势，要求大地水准面模型的分辨率和精度分别达到2一5 km和1-2c m,CQ G2000与此要求相距甚远。为此，本项目在确定全国高精度高分辨率似大地水准面的技术基础上，在我国部分省市和经济发达地区试验性地建立了高分辨率高精度的省市级大地水准面模型。1. 技术方案与途径 由于省市级大地水准面的精度和分辨率要求很高，因此对数据资料(如GPS水准、重力及数字地形模型等数据)的分辨率、分布、密度和精度等提出了更高要求。为此，本项目主要采用以下方式和途径来实现: 结合国家测绘局已完成的1:25万和1:5万DTM数据库、某些省市和地区完成的1:1万DTM数据库及本地区现势性很好的数字地形图，建立用于精化区域大地水准面的高分辨率高精度DTM; 收集已有的高精度GPS控制点数据、水准数据、重力资料(陆地和海洋重力数据、卫星测高数据等); 建立B级或C级区域GPS水准网，并与国家A级或B级GPS网点和一、二等水准点联测，获取高精度GPS水准数据; 在国家重力基本网的基础上建立区域性重力基本网，实施陆地或海洋加密重力测量，获取高精度的陆地或海洋重力数据。2. 省市地区厘米级精度的似大地水准面模型 (1). 海南省似大地水准面。海南省建立了由204个点组成的分布均匀、结构合理的海南省C级GPS控制网，其平均点间距为15 km，并在部分GPS点上实施了四等以上水准测量联测。结合海南省已有的地面重力、1x1的DTM数据及地球重力场模型WDM94和EGM96，采用移去一恢复原理和1DFFT技术计算了分辨率为2.5x 2 .5 、精度为10.09m的海南省似大地水准面。 (2). 江苏省似大地水准面。为研制江苏省高精度高分辨率似大地水准面模型，建立了江苏省C级GPS控制网，该网包括框架网和基本网两部分，共由472个控制点组成，其中框架网6个点，基本网466个点。利用已有的二等水准点、国家GPS A级和B级网点、中国地壳运动观测网点及三角点等各类控制点358个，新选埋点114个。在计算中还采用了重力和地形数据资料，其中包括陆地重力点8 756个;T/P, Geosat, ERS-1, ERS-2测高数据中422 475个交叉点上的海洋重力异常;江苏省分辨率为18.75x 28.125“的DTM和美国NASA/NIMA研制的2 x 2全球陆地海洋高程海深模型T M 2000。计算时以WDM94和EGM96作为参考地球重力场模型。该似大地水准面的分辨率为2.5x 2.5，其精度优于1 0.078 ma (3). 深圳市似大地水准面。利用深圳市65个实测高精度GPS水准数据、5 213个实测重力点数据、100 m分辨率的数字地形模型和WDM94地球重力场模型，采用移去一恢复原理和1DFFT技术计算了深圳市1 km格网似大地水准面模型SZGEOID-2000。该大地水准面的覆盖范围为:在深圳格网坐标下，南北方向8一60 km，东西方向79一179 km.利用29个独立高精度GPS水准数据的检核结果表明，深圳市1 km格网似大地水准面高和似大地水准面高差的精度(标准差)分别为士0.01 4m 和10.019 m，其相对精度总体上优于1x10一“。 (4). 大连市似大地水准面。在该地区建立了由4个GPS点组成的框架网、61个GPS点组成的城市二等网、256个点组成的城市四等网和484个点组成的城市一级网。其中GPS/水准点235个，其高程异常的精度一般优于土3 cm，点间距一般在5 km以内。大连市似大地水准面分辨率为2.5x 2 .5，精度为土3.0cm . (5). “南水北调”西线工程似大地水准面。在“南水北调”西线工程区域及周边地区均匀布测了19个高精度GPS/水准点。利用该GPS水准资料、重力测量资料共计42 72点、30x 3 0DTM与2.5 x2.5格网平均高程、360阶地球重力场模型EGM96和WDM94，研制了该地区分辨率为2.5 x 2.5、精度为土10.6 cm的似大地水准面模型。 (6). 南京市似大地水准面。在江苏省似大地水准面成果的基础上，在南京市均匀布测了35个GPS水准点，其精度优于士2 cm，点间距为巧km左右。利用该GPS水准资料、20 360点的加密重力测量资料、30x3 0D TM与2.5 x 2 .5 格网平均高程数据、EGM%及WDM94地球重力场模型，研制了该地区分辨率为2.5x 2 .5、精度为士2.9c m的似大地水准面模型。五、GPS测图软硬件一体化系统的研制 GPS视少图软硬件一体化系统为国家或省市地区基础地理信息的快速更新提供了技术保障，而高分辨率高精度似大地水准面的建立又为GPS测图软硬件一体化系统的研制及应用奠定了基础。为此，在建立国家和部分省市地区似大地水准面模的基础上，又研制了GPS测图软硬件一体化系统。 在GPS测图软硬件一体化系统的研制中，采用了自主开发平台实现数字测图系统集成。即使用支持最新WINCE版本 Pocket PC操作系统的PDA作为硬件平台，采用VisualC + 6 .0 为系统开发语言，充分利用Visual C+6.0良好的开发机制、健全的开发环境、丰富的面向对象操作功能等特点，直接与GPS RTK仪器连接操作运行，通过硬件加密，固化似大地水准面数据，实现该系统的软硬件的一体化集成。为了保护大地水准面数据的安全和保密性，特别设计了用于PDA与GPS连接的智能插卡，该插卡内含CPU及EPROM，一端与GPS接收机相连，另一端与PDA相连。 GPS测图软硬件一体化系统使得传统的平面和高程控制网分开布设的局面有了改善，实现了GPS技术在几何和物理意义上的3维定位功能，极大地改善了现有测绘工作的技术条件和作业模式。该系统具有测定控制点的3维坐标、地形图或地籍图新图测绘、旧图补测和修测、竣工图测绘、GIS数 本项目的研究在技术方案、计算方法、数据获取与处理、成果应用等方面有如下特点。1.在Molodensky边值问题理论框架下，建立了当时我国第一个高阶(360阶)重力场模型，其精度优于当时国际上最好的OSU91A(美国)模型。2. 考虑到中国经济和社会发展存在东西部差别的国情及重力和地形资料在我国东西部不一致的现实，新一代C Q G2000模型呈非等精度划分，其体精度和分辨率比原有的CQG1980提高了一个数量级，覆盖范围由大陆扩大到包括我国大陆及其岸线以外400 km的洋区的全部国土;省市地区似大地水准面的精化考虑到各地区经济发展的实际情况，其分辨率和精度各不相同并优于CQG200003. 在重力归算(地形改正和均衡改正)、重力场模型和大地水准面确定等方面采用了1维FFT/FHT技术，并导出了完整严密卷积表达式，提高了计算精度和运算速度。4. WDM94和CQG 2000的研制较全面地采用了国内外重力、重力场模型、DEM数字高程模型、海深模型、多代海洋卫星测高等资料及国家A,B 级GPS/水准网。5. 以GPS技术和高精度似大地水准面为基础研制的GPS测图软硬件一体化系统，使传统测绘工作的技术条件和作业模式发生了重大变革，具有使用简便、投人低、产出高等优点。本项目的创新可以归纳为以下几方面。1. 提出了重力归算(地形和均衡改正)及确定重力场和大地水准面等的一系列理论模型和高效实用的算法，如1维FFT/FHT技术、多代卫星测高数据处理理论和方法等，进一步完善和发展了地球重力场的基础理论和计算方法;2. 首次建立了适合我国局部重力场特征的高阶(360阶)重力场模型WDM94，其精度优于当时国际上最好的OSU91A(美国)模型;3. 我国新一代似大地水准面模型CQ G 2000适合中国国情，采用了目前国内外最新的多种重力场资料，其整体精度和分辨率比原有的CQG1980提高了一个数量级，覆盖范围首次从陆地扩展到海洋;4. 首次提出了适合我国实际情况的陆海(似