利用重力位差實現跨海高程基準傳遞的製作方法

2023-05-13 22:14:16

專利名稱：利用重力位差實現跨海高程基準傳遞的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種跨海高程基準傳遞方法，尤其是我國領海島礁高程基準的確定。
背景技術：
高程基準是推算國家統一高程控制網中所有水準高程的起算依據，它的基本定義是和高程起算的參考面相聯繫的，包括一個水準基面和一個永久性水準原點。我國目前採用的1985國家高程基準，屬局部高程基準，其基準面為青島大港驗潮站1952 1979年驗潮資料確定的黃海平均海平面，即零高程面。目前，我國已經建立了覆蓋全國陸地及部分近海岸島嶼的國家高程控制網的布設和平差計算，為全國所有涉及高程的各項工作提供了基準框架，為陸地開展的各種形變監測研究提供了可靠的科學基礎數據。21世紀是全世界大規模開發利用海洋資源、擴大海洋產業、發展海洋經濟的世紀。 實施海洋開發戰略，首先應摸清海島狀況，做好全國海島測繪工作，做好這項工作對於維護國家安全和主權、海域管理、海洋資源開發、加快海洋經濟的發展，都具有十分重大的意義。 雖然，利用GPS觀測可以精確的確定海島大地控制網中的水平坐標，但其高程，即相對陸地高程基準的垂直坐標尚未有很好的解決方案。如何實現跨海高程基準的精確傳遞是當前測繪學研究中急需突破和解決的關鍵問題和難點之一。傳統跨海高程基準傳遞的主要方法有靜力水準法、動力水準法、GPS水準法及常規大地測量法等。靜力水準法是採用連通管進行高程傳遞，由於跨海距離較長，因此不但對連通管質量要求極高，而且為了保持流體靜力平衡，必須保證填充物中無氣泡。此外，還需考慮氣壓差、密度差等因素對平衡狀態的影響。受客觀條件限制，這種方法只能用於離岸較近島嶼的高程傳遞。動力水準法即驗潮法，或稱之為海洋動力學法，它需要長時間連續的潮位觀測資料，周期較長且需要建立長期驗潮站。常規大地測量方法常用的有精密水準測量和三角高程測量兩種。精密水準測量無法實現長距離高程傳遞，而採用三角高程測量的精度較低。其主要原因是受到大氣折射的限制，觀測需要在不同的測站高度和不同高度的觀測目標間往返測量天頂距，且要求在不同時間段進行，此外還需作相應的氣候改正。GPS水準法是利用大地高差與大地水準面差距之差傳遞高程基準，目前主要用於近海岸島嶼高程聯測中。受觀測條件限制，採用傳統跨海高程傳遞方法實施我國海域島嶼(礁)陸海高程聯測，特別是長距離跨海島嶼高程的確定是不可能的。隨著現代空間大地測量技術的發展，特別是觀測資料的不斷積累以及重力場確定精度的不斷提高，利用重力位技術實現局部性高程基準統一的問題已成為國際空間大地測量學研究中一個十分重要的研究領域和發展趨勢。當前，有關利用重力位技術實現高程基準統一方面的研究集中於陸地高程基準的統一，主要是結合精密幾何水準測量與重力觀測以實現不同高程基準之間的轉換。海洋區域，主要是利用衛星測高資料計算全球大地水準面位基數(WO)。由於不可能在海上實施精密幾何水準測量，因此，如何精確計算海域兩點間重力位之差，仍是目前國際大地測量學研究中尚未很好解決的關鍵問題。

發明內容
本發明根據地球重力位數與高程系統的關係，提出利用重力位差技術實現跨海高程基準的精確傳遞，將我國陸地高程系統直接傳遞到海島(礁)上GPS觀測點，即將我國陸地高程基準精確延伸至我國海域及其鄰域內。地球位數與諸多高程系統發生直接聯繫，它在測定高程和研究地球重力場等方面具有十分重要的作用。所謂地球位數，即將單位質量物體從大地水準面提升到通過待測點的水準面上時所需做的功，實質上即是大地水準面到另一重力等位面的重力位能之差。重力位差即起算點與計算點所處重力等位面位值之差。由於重力位差具有實際的物理意義， 因此在計算兩點間高差時具有十分重要的作用。陸地上，通過從水準原點到待測點進行精密幾何水準測量和重力測量，再已知待測點到大地水準面之間垂線上的平均重力值，可精確求出待測點的正高值(高程)。在海洋區域，即使不可能進行幾何水準觀測，但在理論上， 只要計算出海洋區域兩點之間重力位差，同樣可以準確求出兩點之間高程差值，進而實現跨海高程基準的精確傳遞。隨著海洋學觀測資料的積累，以及空間大地測量技術的發展，平均海平面高及海洋大地水準面的精度和解析度得以不斷提高；兩點間海面地形差值(類似於陸地上幾何水準觀測值)的求定精度也得以不斷提高。由於虛擬測站間距較短(通常設定為幾公裡，由海洋重力場解析度決定)，相鄰測點上，海面地形觀測值受各種誤差因素的影響近乎相同， 利用海面水準測量的方法進行高程的傳遞，即以海面地形差值代替陸地水準觀測高差，理論上是切實可行的。在海洋區域，由於全球大部分海域海面地形(即平均海平面到大地水準面垂直距離)起伏通常在an範圍以內，理論上，通過衛星測高資料反演以及船測重力實測的海洋重力資料可以以很高的精度和解析度逼近平均海平面與大地水準面之間的平均重力值。通過求取海洋區域兩點間測線上平均重力與海面地形差值乘積的積分，即可精確求定兩點之間的重力位差，再利用計算的待測點到似大地水準面垂線上的平均正常重力值，即可準確計算得到兩點間的似大地水準面高程差異值，最終實現我國高程基準的精確傳遞。以高程系統中常用的正高為例一點A的正高，其幾何含義為沿地面點的垂線到大地水準面的距離，A點正高值可由地面點與大地水準面的地球位數之差除以沿地面點垂線至大地水準面之間平均重力值得到。
權利要求
1. 一種跨海高程基準傳遞方法，包括跨海重力位差計算和高程基準傳遞，其特徵在於將海域海面地形之差作為水準觀測值，利用海面地形差和海面平均重力的積分計算跨海重力位差，實現陸地高程基準的跨海傳遞。
全文摘要
本發明涉及一種跨海高程基準傳遞方法，用於我國領海海島(礁)高程的確定。包括，利用重力位與高程的關係，計算陸地高程基準起算點重力位值；推導跨海重力位差計算公式；根據計算公式和海洋重力場資料計算出海域某點重力位值，確定該點相對陸地高程基準的高程值，實現跨海高程基準的精確傳遞。利用中國近海33個驗潮站及日本沿海54個驗潮站資料，分別對本發明的方法進行內符精度估計和實際精度檢核。測試結果表明該方法可以把我國1985高程基準傳遞至海島礁附近海域，並可將海域GPS大地高轉換為1985高程系統高程值，其精度優於10cm。
文檔編號G01C5/00GK102230795SQ20111007106
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月24日 優先權日2011年3月24日
發明者鮑李峰 申請人:鮑李峰