长距离跨海高程基准传递方法的研究

第 26卷 第6期 2001年 l2月 武 汉 大 学 学 报 ·信 息 科 学 版 Gec~natles and Information Sclmee of Wuhan Univea'slty ．26 No．6 Dec．200l 文章编号：1000-050X{2001l06．0514-04 长距离跨海高程基准传递方法的研究 李建成 姜卫平 (1 武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路 129号，430079) 文献标识码：A 摘 要：研究了刺用GPS定住技术所磷定的相对大地 高羔，联合精磷的大地水准面差距进行高程侍连的方 法。在洋山岛地区，刺甩谊方法特黄海高程由陆地侍递到距离上海芦潮港30km的洋山岛上。侍递后的高程 - -b两种独立的潮位观洲姑果比较差值分别为lcm和6cm，侍递后的两段高程差与洋山岛三等水准测量姑果的 独立高差比较为0 2cm和0．7cm。 关键词：GPs_大地水准面；高程 中圈法分类号：P228 4；P207 长距离跨海高程传递问题长期以来受到海洋 大地测量学者的普遍关注。目前跨海高程基准传 递的方法通常有静力水准法、动力水准法、GPS 水准法及常规大地测量法 4种。静力水准法是采 用连通管进行高程传递，由于跨海距离较长，因此 不但对连通管的质量要求极高，而且为了保持流 体静力平衡，必须保证填充物(连通管中的液体) 中无气泡，这一过程可通过流体动力和化学两种 方法实现。此外，还需考虑气压差、密度差等因素 对平衡状态的影响，其花费十分 昂贵。20km的 Great Belt海峡高程传递是世界上第一次应用流 体静力水 准法来完成的 (Madsen，Tscherning． 1990)。动力水准法即验潮法，或称之为海洋动力 学法，它需要长时间连续的潮位观测资料，周期较 长且需建立长期验潮站。常规大地测量方法常用 的有精密水准测量和三角高程测量两种。精密水 准测量无法实现长距离高程传递，而采用三角高 程测量的精度较低。其主要原因是受到大气折射 的限制，观测需要在不同的测站高度和不同高度 的观测 目标间往返测量天顶距，且要求在不同时 间段进行，此外还需作相应的气候改正。我国海 南岛高程基准的传递就是利用这一方法以大地四 边形图形结构观测实施的。GPS水准法是利用 大地高差与大地水准面差距之差传递高程基准， 相对而言，其所需经费较少，周期也较短，也比较 方便实用。Madsen和 Tscherning成功地利用 GPS水准将高程基准跨越 Great Belt海峡传递到 离陆地20krn的岛上，传递的高程基准与静力水 准所得的结果相差 4～5cm(Madsen，Tscheruing。 1990)。 大地高可由GPS精确地确定，它与水准高相 差一个似大地水准面高。因而，只要求得高精度 的似大地水准面高相对差值，由下式便能求得具 有相应精度的水准高差 kxh = △H 一△N 式中，△H为大地高差；Ah为水准高差；AN为似 大地水准面高差。 在局部大地水准面确定方面，由于近20年来 重力测量技术和卫星重力探测技术的迅速发展， 重力场的逼近已取得了重大的进展。一些发达地 区的局部或区域性重力场由于地面重力剥量密度 的改善，以及 GPS水准的应用，分辨率已达几 km (如欧洲地区)，区域大地水准面的精度达 dm级， 有的甚至达到 cTll级(李建成，1993)。 洋山岛位于舟山群岛，距上海最近约 30km， 用常规的几何测量方法来解决高程基准的传递很 难甚至是不可能实现的。采用高精度 GPS相对 定位技术，结合我国现有陆地、海洋重力资料及其 他重力场信息和数据成果，并运用国内外确定大 地水准面的严密理论和算法来确定高精度的局部 大地水准面，可以将我国高程基准从上海市传递 到离芦潮港30km的洋山岛上。 收稿日期 2001-10-15。 项目柬潭：国家杰出青年科学基金资助项目(496254~)；海洋“863”青年基金资助项目(0-03)。 维普资讯 http://www.cqvip.com !!塑 李建成等：长距离跨簿高程基准传递方法的研究 515 GPS控制网设计及数据处理 按照有利于观测和长期保存的基本要求 ，充 分考虑 GPS卫星接收的地理条件，同时顾及到水 准联测的方便性，在洋山港区周围及陆地引蝌点 处，按国家 GPS B级网有关技术要求 ，共建立 8 个三等GPS埋石标点(李建成等，1998) GPS控射网由14个点组成，其中陆地上 4 个，包括3个国家三等水准点；岛上 10个点 。 利 用8台ASHTECH Z12GPS接收机进行同步观 测，全阿由两个同步环组成。数据处理时 ，将国际 IGs跟踪站上海站加进来～起处理 ，井将其作为 起算的基准。网的结构如图l所示。 120‘ 12l- l ⋯ 32‘广 弋 =丁 —广 2· 29’L t20 图1 整网结构示意图 F／g-I TheSketch MapfortheGPSNetw。rk 基线处理软件采用GAMIT软件 ，星历采用 IGS~ fJj。基线处理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如下：由于洋山岛 上的 GPS点距离较短(1kin左右) ，而陆地上的 GPs点l目距较长(大约在80km左右 ，有的甚至超 过 100kin)，如将它们一起处理，会髟响处理的方 法及结果精度。因此，计算时采取分步的原则 ，即 先将陆地上所有的GPS点同岛上的一个点同时 处理，英目的是按中长基钱所构成的GPS网将高 精度的a]S坐标传递到岛上 ，然后将岛上所有的 点按短基缓所构成的GPS网处理 。 图 2为小洋 山GPS点的分布圈。 整体平差采用原武汉测绘科技大学研制的 f n j，其基准为一个国家A级点和两个 B级 点。先在 ITRF框架下进行三维无约束平差 ，然 后进行三维约束平差，采用三维约束平差结果作 为最终结果。平差成果最弱点位中误差水平分量 优于0-007m，高程分量优于0 022m ，岛上点的高 程分量中误差优于0．OlOm 。 基线短边中谋差优 于0-O04m，长边相对中误差优于1 ． 5 x 10～．达 到了国家B级网的精度要求。 图2 洋山岛上的拉{苦|点示意图 Fig 2 SketchMapforGPSPolms_n YangshanIsland 2 似大地水准面的确定 在上海和浙江地区共有 7个 GPS水准点 ，其 中5个为国家GPSB级网点 ，如图 3所示。将其 作为大地水准面 g基本点控制。图4绐出T／J、洋 山GPs及重力点的分布图。在上海和浙江地区 (经度 119。E～124。E，纬度 33 N～28 ) ，采用了 102 815个重力点值。为了保持与目前国际重力 局采用的椭球一致。在计算中采用 GRSS0(即 WGS84)~ 作为参考椭球 l／ ． ● k ．訾 r 。 图3 G} 水准点 计布情况 Fig-3 TileD／str／6utlon 0fGPS几 evdJ ng 维普资讯 http://www.cqvip.com 武 汉 大 学 学 报 ·信 息科 学 版 2001莲 5个点重力值进行推估，如果不满足这一条件，就 逐次扩大其搜索半径，增加量为2 3O ，最大搜索 半径限制为30 (宁律生等，1993)。 图4 重力点分布情况 Fig．4 The Distribution of Gravlty Points 对于2 30 格网内没有实测重力值的情况，则 采用原武汉测绘科技大学 1994年研制的360阶 次wDM94作为参考重力场模型进行填补。最后 利用2 30 网空间重力异常和WDM94模型，以 及由一维Stokes卷积 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算了大地水准面(宁 津生等，1994)。 大地水准面高与似大地水准面高的转换关系 为(Heiskanen，Moritz，1967)： = N 一 ^≈ N — ZXgBh ， 式中，三为大地水准面和地面之间沿铅垂线的平 均重力值； 为椭球面和正常地形面之间沿正常 垂线的平均正常重力值；h为正高；AgB为布格异 常。所求得的似大地水准面如图5所示。 122‘ 图5 上海、江浙地区似大地水准面 Fig．5 The Quasi—geold in Shanghai and Its Adjacent Areas 重力似大地水准面与 GPS水准似大地水准 面由于两者存在着各种误差，所以两种大地水准 面存在着垂向偏差和水平倾斜差异。只考虑垂向 偏差，其数学 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为(李建成等，1998)： GPs= cR^ 十．B 式中， 为GPS水准似大地水准面高；≮ 为^重 力似大地水准面；B为GPS水准似大地水准面高 与重力似大地水准面的偏差。 3 成果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表 1给出了分别采用 WDM94和EGM96模 型计算的已知GPS水准点上的大地水准面高同 GPS水准大地水准面高的比较结果。从表 1可 知，WDM94模型结果优于 EGM96模型，因此最 终采用WDM94模型作为参考重力场。 表1 GPS大地水准面高与WDM94和EGM96 横型值的比较／m Tab l Comparison betwee~GPSLevellingQuara- g酬 Helght andWDM94Model and EGM96Model／m 表2给出了点布格重力异常内插恢复的格网 空间重力异常和由Stokes公式计算的2 30 × 2 30 大地水准面高与GPS水准似大地水准面高 比较结果。从表 中可知。 03、S004、HTlO和 卜玎o3的GPS水准资料比较可靠，内符合精度也 较高，因而在计算时只采用这4个点。 表 2 2 30 ×2'30"大地水准面奇与 GPS水准似 大地水准面高比较统计／m Tab．2 Com~ ；son between 2 30 ×2 30"Quasi． g dHeight andGPSLevd]ing Quasl-geoid／m 点名 阿v03 8∞ 1 S_x】2 S003 s004 Hn 0 I"I103 利用 o3、S004、HT10和 HJ03的GPS水准 资料和2 30 ×2 30 重力大地水准面作为传递洋 山及诸岛垂直基准的依据，所计算的大地水准面 高与重力似大地水准面高比较统计结果在表3中 ● 维普资讯 http://www.cqvip.com “ f 第6期 李建成等：长距离跨海高程基准传递方法的研究 5l7 给出。表3表明，GPS水准资料与重力似大地水 准面的系统偏差为O．277m，标准差为±0 033m。 表3 2'3 X 2 30 大地水准面高与SO03、SO04、HTlO 和Hl03的GPS水准似太地水准面高比较统计／m Tab 3 Compm4．son betweeft 2 30 x 2 30 Quasi—geold Height and GPS Levelling Quasi—geoid Height Determined by so03、S004、HT10 and Hl03／m 点数 最大值 最小值 平均值 均方差 标准差 4 0 314 0 241 0．277 ±0．279 ±0 033 4 传递结果的外部检核 4．1 几何水准联测的高程差与所求得的高程差 比较 图2给出了小洋山 GPS点的分布图，其中 08、S009和 S010按三等水准点联测的有关技 术规定联测了水准高差，所得的两个独立高差，与 本项gl传递的高差比较结果由表4给出，最小值 和最大值分别为0．002m和0．007m。 表4 小洋山GPS重力水准与水准测量 检核资料比较统计结果／m Tab．4 p 1 between GPS Levelling ( 一geoid H t andtheData 0f Levellng／m 4．2 利用潮位观测方法传递高程基面 利用小洋山 1997-08～1998—07全年潮位观 测数据，根据有关理论，结合沿岸各站的多年观测 资料，计算出小洋山多年的平均海平面(相对于上 海吴淞基面)为 186cm，由GPS水准引测的高程 计算的平均海面为 185cm(相对于上海吴淞基 面)，仅相差 lcm。 此外，还采用了与上述独立的潮位资料进行了 检核，使用的资料为小洋山站 1997年 12月20日 至 1998年 12月24日共 369d的资料、1999年6月 16 13至7月 16日共 30d的资料和上海、江浙地区 沿岸各验潮站 19a的资料。在计算得到小洋山理 论最低潮面 L值后，并对 L值进行了归化。用该 方法传递高程的精度为3．81crn。求得的小洋山平 均海平面(相对于上海吴淞基面)为 191crn，与由 a 引测计算的平均海面仅相差 6cmo 5 结 语 本文利用GPs水准结合重力大地水准面将 我国黄海高程传递到距上海30km的洋山岛上， 并将其传递的高差与大地测量几何水准结果进行 内符合比较，以及对海洋学潮位观测法的传递结 果进行外部检核。比较结果表明，其传递的高程 基准可以满足 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 建设对高程精度的要求。GPS 水准结合重力大地水准面进行长距离跨海高程基 准引测是一种廉价、高效、可靠的方法。当陆海重 力资料在密度和分布较好的情况下，可望以更高 的精度传递高程。 参 考 文 献 l 宁津生，晁定波，李建成 由一维和二维 FHT技术计 算大地水准面高和垂线偏差的比较．坝I绘遥感信息工 程国家重点实验室 l992～1993年报、1993．99～104 2 宁津生，李建成、晁定波，等 WDM94 360阶地球重力 场模型研究 武汉测绘科技大学学报、1994，19(4)：283 ～ 291 3 李建成，宁津生．局部大地水准面精化的理论和方法． 见：阵俊勇编．祝贺阵永龄院士 90寿辰大地测量学论 文专集，北京：坝I绘出版社 ，1999．71--81 4 李建成．物理大地测量中的谱方法：[学位论文]武 汉：武汉坝I绘科技大学，1993 5 李建成，崔民元，王明世，等．塔里木盆地高分辨率高 精度大地水准面的确定．塔里木石油勘探开发指挥部 石油地球物理勘探局第三地质调查处，武汉测绘科技 大学，1997 6 李建成，刘经南，姜卫平，等．洋山港GPS水准点引测 课题研究报告．武汉测绘科技大学，1998 7 李建成，刘经南，晁定波，等．海南高精度高分辨率大 地水准面的确定课题研究报告 武汉测绘科技大学， 1998 8 HeiskanenW A，MofitzH Ph：c~ical Geodesy San Fran— ciseo-London：Freeman ＆ Company．1967 9 Mzdsen F，Tschernlng C C TheUse 0f,．Height Differ— eI c De termined by the GPS in the Construction Process 。f the Fixed Link ac the G t Belt．XIX Internation— Ed Congress Helsinki， nland，1990 作者简介：李建成，教授，博士生导师 现M事物理大地测量学和 空间大地测量学的研究。代表成果：全球重力场的确定，局部重 力场的逼近和卫星测量学在大地测量中的应用：联合多种卫星测 高数据分析全球和中置萄蔼平面变化，等。 E-raaihjcli@ m．edu．∞ (下转第532页) - 十 维普资讯 http://www.cqvip.com 武汉大学学报 ·信息科学版 2001拄 102．tiOtlal Hyd rapI1jc Review，1999a，LXXVI(2)：93～ 8 l02 6 黄谟涛，昔 铮．翟国君，等．海洋重力测量网自检校 早差．测绘学报，1999，28(2)：162～171 7 HuangM T M neGravitySurveyingLineSyst~-nAd· justment Joumat ofGeodesy 1995，70(4)：158--165 HunagM T，ZhaiG JtGuanZ，et a1．OntheCoralmmsa· 6Ⅸl 0{Systematic Ert~s in ‰ ne Gravity Measure- 舢 b．M ne C_aK~lesy。1999b．22(3)；l83～194 作者简介：管铮，教授。珊主要从事海洋重力场及海洋测量数据 处理研究。 E-ranil：nvsm've~ public． ㈣ oom cn Real·time Processing System for Marine Gravity Measurement GUAN Zlwng OUYANG Yongzhong’ HUANGMotao LU Xiuping (1 I t Hydrographic& 哪 吨 andch眦吨 ，钟 Y Road． |n，Chlr~．300061) Abstract：The first set of rea1．time prooe~ing Systenq for marine gravity measurement in China is introduced in this paper，including its hard and soft configurations．its technical specifications．the improvementsin theory related to the data processing and its performances in test and applica· tions ． Key wools：marine gravity；real—time processing；erl~r analysls Abam the tathot：O．V~ zheng．pto6ass~ He is 倒 fn the studi~ of marir~ gray field and dab p for marine surveying E椭 d：rⅣ5 e @pL削 ．quc oorn．部 (上接第517页) Height Datum Transference within Long Distance across Sea LIJia3,wheng’ JIANGWeiping’ (1 School 0fG∞d aadG∞mn ，WuhanUniver~ty，129 LxI~II Road，Wuhan，China，430079) Abstract：This paper focuses on the study of the height旬fansferer1oe within long distance aCIW~-S sea，by eccnbining ellipsoidal height of GPS with gravimetric geoidal height．Using this method， the Yellow Sea Height Datum is transferred to Yangshan Island which is 30 km faraway from Shanghai． Asan external check。the transferred heights of stations by the method are compared with those determinedfrom twoindependentsets 0f gauge records．andthe differencesare1．0 cm and 6．0 C／22 respectively．Moreover，the transferred height difference of two sections between the sta· tions on the island are also compared with the measured ones precise leveling，whlch shows that the differences are 0．2 crn and 0．7 cm respectively． Key words：GPS；geoid；elevation Aboet llle author：L【Jl圊1c咖 ．pfDIe翳or，PI1．D pe 皓0r His main research inletests are the pt~ysica[9∞desy dr space 9∞desy．His乜|pi· cal achievements Ir~ude geopotelltia[mode[determination．1OCal gr~ ity field ap~oxirnation altilletry appllcalJorl h geodesy．mean s∞ variation tmirg]historic satellite altimeter data，etc- E-mail：1d@ wh edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com