浅谈似大地水准面精化的方法

摘要：大地水准面或似大地水准面是获取地理空间信息的高程基准面,在高精度、高分辨率(似)大地水准面模型的支持下,利用GPS技术可以直接测定正高或正常高,从而取代传统复杂的水准测量方法,使得平面控制网和高程控制网分离的传统大地测量模式成为历史。因此,精化大地水准面是一个国家或地区建立现代高程基准的主要任务之一。

关键词：似大地水准面;精化

1、大地水准面的概念

大地水准面是指与全球平均海平面(或静止海水面)相重合的水准面。大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面，也是海拔高程系统的起算面。由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功。

2、似大地水准面的概念

从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面。似大地水准面严格说不是水准面，但接近于水准面，只是用于计算的辅助面。它与大地水准面不完全吻合，差值为正常高与正高之差。但在海洋面上时，似大地水准面与大地水准面重合。

3、为什么进行似大地水准面精化

精确求定区域大地水准面是大地测量学的一项重要科学目标，也是一个极具实用价值的工程任务。厘米级似大地水准面是现代测绘，尤其是空间技术和信息化服务所必需的基本数据。结合高精度C级GPS网建立似大地水准面，不仅可以建立与国家大地测量坐标相一致的精确的区域大地测量平面控制框架，而且可以快速地获取地面点的高程，将极大地改善传统高程测量作业模式，可以取代传统的四等水淮测量方法测定正高或正常高，真正实现GPS技术对几何和物理意义上的三维定位功能。

4、似大地水准面精化的方法

4.1资料收集与分析

收集测区内的一二三等水准及重力资料。周边地区的加密重力测量资料及测区范围内的30"×30" DEM与2.5’×2.5’格网平均高程资料，作为似大地水准面精化的已知数据。

4.2基准的选取，包括空间基准、高程基准、重力基准。

4.3进行GPS点/水准点/重力点联测布网

1) 在区域布设的所有GPS基准点、水准线路等，必须进行统一的平差数据处理，做到基准一致、精度均匀可靠。

2) GPS点布设尽量重合已有的国家控制点和地方控制点，有利于求取国家坐标系与地方坐标系间转换关系

3) 区域内所有GPS CORS基准站都联测一、二等精密水准。

4) 在区域布设的B级GPS基准点，并联测二、三等精密水准。

6) 充分利用已有的重力资料，GPS与水准点重合，平均4到5公里布设一个点重力点布设规则：在重力资料不足的地方，按照平均1平方公里布设一个重力点原则实施。

4.4外业数据采集：对已布设的水准点和重力点进行外业测量，经平差后上交内业。

4.5大地水准面的计算

1) 地面重力观测值的归算

2) 推估内插形成格网地形均衡异常

3) 利用DTM恢复格网平均空间重力异常

4) 移去位模型重力异常生成残差空间异常和残差法耶异常

5) 计算格网残差重力大地水准面高与残差高程异常

6) 由位模型值恢复重力大地水准面高和高程异常

重力似大地水准面与GPS水准似大地水准面的符合

4.6似大地水准面精化的检核

内符合精度

利用GPS/水准点成果同最终确定的似大地水准面的残差值作检验。分别使用WDM94模型、EGM96模型，计算残差的最大值、平均差值、中误差。

1) 外符合精度

采用空点法完成对似大地水准面外符合精度的检验。该方法为：按分区对各区内的GPS/水准点均匀空出一部分点，用其余的点和重力(似)大地水准面所确定的纠正后的似大地水准面来推估所空出点的正常高(推估值)。由于推估值与直接水准测得的正常高完全独立，用其差值可衡量外符合精度。分别使用WDM94模型、EGM96模型，计算外检验不符值的最大值、平均差值、中误差。中误差代表似大地水准面精度。此外也可新布水准线路，通过GPS观测得到新布水准点的大地高，再利用似大地水准面精化软件求取测点的正常高，将该值与直接水准成果进行比较即可反映该点的外符合精度。

5、似大地水准面精化应用

似大地水准面精化，将为该地区的基础测绘、数字中国地理空间基础框架、区域沉降监测、环境预报与防灾减灾、国防建设、海洋科学、气象预报、地学研究、交通、水利、电力等多学科研究与应用提供必要的测绘服务，具有重大的科学意义。近年来，我国经济发达地区及中、小城市，在地形图测绘方面，对厘米级似大地水准面的需求十分迫切。高精度的似大地水准面结合GPS定位技术所获得的三维坐标中的大地高分离求解正常高，可以改变传统高程测量作业模式，满足1：1万、1：5000甚至更大比例尺测图的迫切需要，加快数字中国、数字区域、数字城市等的建设，不但节约大量人力物力，产生巨大的经济效益，而且具有特别重要的科学意义和社会效益。

[1] .刘大杰,施一民.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理. 同济大学出版社

[2] .区域大地水准面精化的作用。中国测绘报2005.9.