淺談似大地水準面精化的方法

邵德鑫 周海濤 王波

摘要：大地水準面或似大地水準面是獲取地理空間信息的高程基準面,在高精度、高分辨率(似)大地水準面模型的支持下,利用GPS技術可以直接測定正高或正常高,從而取代傳統復雜的水準測量方法,使得平面控制網和高程控制網分離的傳統大地測量模式成為歷史。因此,精化大地水準面是一個國家或地區建立現代高程基準的主要任務之一。

關鍵詞：似大地水準面；精化

Abstract: the geoid or like the geoid is geographic space information for the elevation datum, in high precision, high resolution (like) the geoid model, with the support of using GPS technology can be determined directly ZhengGao or normal high, can replace the traditional complex level measurement method, and makes the plane control nets and elevation control network of traditional land measurement separation mode become history. Therefore, refining geoid face is a country or region to establish a modern elevation is one of the main tasks of the benchmark.

Keywords: like the geoid; Refine the

1、大地水準面的概念

大地水準面是指與全球平均海平面（或靜止海水面）相重合的水準面。大地水準面是描述地球形狀的一個重要物理參考面，也是海拔高程系統的起算面。由靜止海水面并向大陸延伸所形成的不規則的封閉曲面。它是重力等位面，即物體沿該面運動時，重力不做功。

2、似大地水準面的概念

從地面點沿正常重力線量取正常高所得端點構成的封閉曲面。似大地水準面嚴格說不是水準面，但接近于水準面，只是用于計算的輔助面。它與大地水準面不完全吻合，差值為正常高與正高之差。但在海洋面上時，似大地水準面與大地水準面重合。

3、為什么進行似大地水準面精化

精確求定區域大地水準面是大地測量學的一項重要科學目標，也是一個極具實用價值的工程任務。厘米級似大地水準面是現代測繪，尤其是空間技術和信息化服務所必需的基本數據。結合高精度C級GPS網建立似大地水準面，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區域大地測量平面控制框架，而且可以快速地獲取地面點的高程，將極大地改善傳統高程測量作業模式，可以取代傳統的四等水淮測量方法測定正高或正常高，真正實現GPS技術對幾何和物理意義上的三維定位功能。

4、似大地水準面精化的方法

4.1資料收集與分析

收集測區內的一二三等水準及重力資料。周邊地區的加密重力測量資料及測區范圍內的30"×30" DEM與2.5×2.5格網平均高程資料，作為似大地水準面精化的已知數據。

4.2基準的選取，包括空間基準、高程基準、重力基準。

4.3進行GPS點/水準點/重力點聯測布網

1)在區域布設的所有GPS基準點、水準線路等，必須進行統一的平差數據處理，做到基準一致、精度均勻可靠。

2)GPS點布設盡量重合已有的國家控制點和地方控制點，有利于求取國家坐標系與地方坐標系間轉換關系

3)區域內所有GPS CORS基準站都聯測一、二等精密水準。

4) 在區域布設的B級GPS基準點，并聯測二、三等精密水準。

6) 充分利用已有的重力資料，GPS與水準點重合，平均4到5公里布設一個點重力點布設規則：在重力資料不足的地方，按照平均1平方公里布設一個重力點原則實施。

4.4外業數據采集：對已布設的水準點和重力點進行外業測量，經平差后上交內業。

4.5大地水準面的計算

1) 地面重力觀測值的歸算

2) 推估內插形成格網地形均衡異常

3) 利用DTM恢復格網平均空間重力異常

4) 移去位模型重力異常生成殘差空間異常和殘差法耶異常

5) 計算格網殘差重力大地水準面高與殘差高程異常

6) 由位模型值恢復重力大地水準面高和高程異常

重力似大地水準面與GPS水準似大地水準面的符合

4.6似大地水準面精化的檢核

內符合精度

利用GPS/水準點成果同最終確定的似大地水準面的殘差值作檢驗。分別使用WDM94模型、EGM96模型，計算殘差的最大值、平均差值、中誤差。

1) 外符合精度

采用空點法完成對似大地水準面外符合精度的檢驗。該方法為：按分區對各區內的GPS/水準點均勻空出一部分點，用其余的點和重力（似）大地水準面所確定的糾正后的似大地水準面來推估所空出點的正常高（推估值）。由于推估值與直接水準測得的正常高完全獨立，用其差值可衡量外符合精度。分別使用WDM94模型、EGM96模型，計算外檢驗不符值的最大值、平均差值、中誤差。中誤差代表似大地水準面精度。此外也可新布水準線路，通過GPS觀測得到新布水準點的大地高，再利用似大地水準面精化軟件求取測點的正常高，將該值與直接水準成果進行比較即可反映該點的外符合精度。

5、似大地水準面精化應用

似大地水準面精化，將為該地區的基礎測繪、數字中國地理空間基礎框架、區域沉降監測、環境預報與防災減災、國防建設、海洋科學、氣象預報、地學研究、交通、水利、電力等多學科研究與應用提供必要的測繪服務，具有重大的科學意義。 近年來，我國經濟發達地區及中、小城市，在地形圖測繪方面，對厘米級似大地水準面的需求十分迫切。高精度的似大地水準面結合GPS定位技術所獲得的三維坐標中的大地高分離求解正常高，可以改變傳統高程測量作業模式，滿足1：1萬、1：5000甚至更大比例尺測圖的迫切需要，加快數字中國、數字區域、數字城市等的建設，不但節約大量人力物力，產生巨大的經濟效益，而且具有特別重要的科學意義和社會效益。

[1] .劉大杰,施一民.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理. 同濟大學出版社

[2] .區域大地水準面精化的作用。中國測繪報2005.9.