遠離大陸海島的高程傳遞

2011-11-15 03:29:54柯寶貴章傳銀張利明

測繪通報 2011年12期

柯寶貴，章傳銀，張利明

(中國測繪科學研究院，北京100830)

遠離大陸海島的高程傳遞

柯寶貴，章傳銀，張利明

(中國測繪科學研究院，北京100830)

根據舟山廟子湖島短時驗潮站上GPS點的大地高，結合EGM2008重力場模型計算短時驗潮站的重力大地水準面高，得到GPS點的海拔高。利用同步水位觀測技術得到GPS點多年平均海面的1985國家高程。將GPS海拔高與其1985國家高程比較，發現兩者相差不超過10 cm。研究結果表明，在沒有前期觀測數據的情況下，同步水位觀測技術和GPS/重力移去-恢復法均可進行遠離大陸海島礁的高程傳遞。

重力場模型;1985國家高程;高程傳遞;同步水位觀測

一、引言

我國是世界上海島較多的國家之一，海島礁是海洋經濟的重要領域，是優化海洋經濟發展布局的重要載體，對其開發利用具有廣闊的發展前景。因為歷史原因，我國遠離大陸海島礁的大地基準和高程基準并未與陸地基準統一起來。而海島礁的測繪有其自身特點，如何有效地進行海島高程傳遞一直是海洋測繪中的難點問題［1］。目前，國家測繪地理信息局正在組織開展海島礁測繪工作，其目的之一是構建陸海統一高程/深度基準，實現電子地圖與電子海圖的無縫拼接。

海島高程基準傳遞有4種傳統方法:靜力水準法、動力水準法、GPS水準法及常規大地測量法。李建成比較分析了靜力水準法、動力水準法及常規大地測量法 3種方法的優缺點［2］;章傳銀等對EGM2008模型在中國內地的適用性進行了研究［3］;張利明研究了利用基于重力等位面的方法進行跨海高程傳遞的問題［4］。本文基于在廟子湖島建立的短時驗潮站，利用GPS/重力移去-恢復法實現遠離大陸海島的高程傳遞，得到廟子湖島短時驗潮站的海拔高，并與基于同步水位觀測技術的1985國家高程基準傳遞方法進行對比分析。結果表明，GPS/重力移去-恢復法可進行遠離大陸海島的高程傳遞，實現陸海高程基準的統一，為廟子湖島的各種測繪信息采集提供統一的1985國家高程基準。

二、遠離大陸海島高程的確定方法

1.移去-恢復法

利用移去-恢復法確定大地水準面，就是將大地水準面高分解為中長波分量和殘余分量兩部分。中長波分量用地球重力場參考模型(EGM2008)計算，通常稱為模型大地水準面高，文中以NGM表示;同時利用參考模型計算模型重力異常，文中以ΔgGM表示。首先從觀測的重力異常中扣除ΔgGM后，利用Stokes公式計算大地水準面的殘余分量，此過程為移去的過程;然后將模型重力大地水準面高與殘余分量相加即可得到研究區域的大地水準面高，此即恢復過程。計算方法如式(1)

式中，NGM稱為模型大地水準面高;ΔgGM稱為模型重力異常。

式中，(r，θ，λ)為計算點的球坐標(地心距離、余緯和經度);GM是地心引力常數;a是地球橢球長半軸;為完全規格化位系數;為完全規格化締合Legendre函數;Nmax為位模型球諧展開的最高階數;γ為計算點的正常重力;σ為單位球面;ψ為計算點到積分面元之間的角距，式(1)中的S(ψ)為Stokes函數，其表達式為

GPS測量可以得到精確的大地高。根據關系式h=H－N(式中，h為觀測點海拔高程;H為大地高; N為大地水準面起伏)，即得到利用海島GPS觀測點的大地高H和地球重力擾動位模型得到觀測點的海拔高h。

2.CGCS2000下的大地水準面轉換

由于EGM2008地球重力場模型與GPS大地高(CGCS2000)所用的參考橢球不一致，故需要將EGM2008參考橢球面的物理量轉換到CGCS2000的參考橢球面上，利用EGM2008參考橢球所用橢球參數，按照式(6)進行轉換

式中，a是參考橢球的長半軸;f是參考橢球的扁率;φ是大地緯度;為橢球的第一偏心率;da=a0－a，df=f0－f，da與df分別為橢球的長半軸改正和扁率改正;dh為參考橢球轉換引起的高程變化。

3.基于同步水位觀測技術的1985國家高程基準傳遞

舟山廟子湖島缺乏長期的驗潮資料，筆者利用兩個月時間的短期驗潮資料，不足以計算多年平均海面，僅能得到有觀測數據期間內的短期平均海面距水尺零點的高度。本文采用同步改正法確定短期站的多年平均海面，如圖1所示。同步水位觀測的基本假設是長期驗潮站與短時驗潮站兩個站的多年平均海面及短期平均海面高度一致。考慮到長期驗潮站的多年平均海面已知，則短期驗潮站的多年平均海面從它的水尺零點起算的高度，由式(6)給出

式中，h為多年平均海面與臨時驗潮站水尺零點之間的距離，也就是說，h值的大小也可表示為水尺零點的1985國家高程;h1為多年平均海面與長期驗潮站水尺零點之間的距離;h2為短期平均海面與長期驗潮站水尺零點之間的距離;h3為短期平均海面與臨時驗潮站水尺零點之間的距離。

圖1 同步改正法

三、觀測數據分析

1.實際觀測數據

為了實現陸海大地基準的統一，構建了3個臨時GPS基準站，并與IGS站或浙江CORS網絡聯網。第一個建在廟子湖島南邊廟里村，第二個建在東福山，第三個建在朱家尖。試驗期間，GPS基準站24 h連續觀測不少于60 d，采樣間隔為1 s。GPS臨時基準站的精確坐標選擇周邊IGS站以及浙江省的5～6個CORS站聯合解算。文中以廟子湖島GPS基準站進行靜態大地基準控制，觀測到臨時驗潮站及其他兩個驗潮站的大地高如表1所示。

表1 3個驗潮站大地高

2.驗潮數據觀測

在舟山廟子湖島南碼頭獲得了2010年8月1日—2010年9月30日兩個月的潮位觀測數據。分別與岱山、沈家門長期驗潮站進行同步觀測，采樣間隔為1 min，驗潮水尺觀測不少于1個月(臺風等惡劣天氣除外)，每天3 h，每10 min讀取一個數。廟子湖島1985國家高程水準點與驗潮水尺進行三等水準聯測，誤差不超過±3 cm。

利用同步水位觀測的方法，由沈家門長期驗潮站推算的廟子湖島臨時驗潮站水尺零點的1985國家高程為－3.011 m，而從岱山長期驗潮站推算的廟子湖島臨時驗潮站水尺零點的1985國家高程為－3.049 m。取兩者平均值，臨時驗潮站水尺零點的1985國家高程為－3.03 m。對廟子湖島1985國家高程水準點與臨時驗潮站水尺零點進行三等水準聯測，得到1985國家高程水準點與驗潮水尺零點距離為5.904 m。從而得到廟子湖島上1985國家高程水準點(南碼頭)的高程為2.874 m。

3.數據對比分析

由表2可以看出，廟子湖島南碼頭的海拔高為2.962 m，而由同步驗潮的方法得到南碼頭水準點的高程為2.874 m，兩者相差0.088 m，未超過10 cm。沒有前期觀測數據的情況下，同步水位觀測技術和GPS/重力移去-恢復法均可進行遠離大陸海島礁的高程傳遞。