利用 EG M2008位模型計算中國高程基準與大地水準面間的垂直偏差＊

翟振和 魏子卿 吳富梅 任紅飛

(1)解放軍信息工程大學測繪學院,鄭州 450052 2)西安測繪研究所,西安 710054)

利用 EG M2008位模型計算中國高程基準與大地水準面間的垂直偏差＊

翟振和1,2)魏子卿2)吳富梅2)任紅飛2)

(1)解放軍信息工程大學測繪學院,鄭州 450052 2)西安測繪研究所,西安 710054)

高程基準面相對于大地水準面的垂直偏差是區域高程基準轉換和全球高程基準統一的基礎數據。利用最新發布的 EG M2008地球重力場模型和中國均勻分布的 936個 GPS水準點數據計算得出中國青島大港驗潮站的重力位為 62 636 852.85±0.07 m2/s2,進而得到中國 1985高程基準相對大地水準面的垂直偏差為 0.32 m。

EG M2008位模型;大地水準面;高程基準;重力位;基準偏差

1 引言

高程基準是一個國家大地基準的重要組成部分。我國的 1985高程基準的起算面是黃海平均海水面,該平均海水面由青島大港驗潮站多年的潮汐資料計算而得。目前,世界上各國的高程基準不盡相同,各國或區域性高程基準的統一成為國內外學者關注的焦點之一[1-3]。大地水準面是全球高程基準的理想起算面,首先它是一個等位面,具有明顯的物理意義,其次它具有唯一性,一旦確定,就可以成為各國的通用基準。因此研究局部高程基準與大地水準面間的垂直偏差具有重要意義。高程基準的垂直偏差本質上反映了基準的起算面和大地水準面的重力位差,因此利用重力位差就可以得到高程基準的垂直偏差,文獻[4]利用這種方法得到我國 1985高程基準與大地水準面間的偏差為 0.26 m。此外,也有學者從海面地形和高程異常差的角度求解[5,6]。以往的研究均基于 EG M96引力位模型或國內相關單位構建的WDM94、DQM99模型。2008年發布的全球重力場模型 -EG M2008在分辨率和精度等方面較以往重力場模型有了很大的提高[7-10],因此利用 EG M2008模型重新計算我國高程基準與大地水準面間的偏差具有重要的現實意義。

2 驗潮站重力位及垂直偏差的確定

假設大地水準面的重力位為W0,青島大港驗潮站的重力位為,則我國高程基準相對于大地水準面的垂直偏差為

式中,Vp表示 p點的引力位,

Φp表示 p點的離心力位,

式中ω表示地球自轉角速度,x、y表示 p點的空間直角坐標。

式中：f表示橢球扁率;γa表示橢球赤道處的正常重力;H＊表示 p點的正常高;a表示橢球長半軸;B表示 p點的大地緯度。

m的計算為

利用以上公式可以由 GPS水準點數據獲得高程基準面的重力位。

3 計算結果

實際計算中,選用了全國均勻分布的A、B級網和一、二級網的936個 GPS水準點(圖 1),需要注意的是這些 GPS水準點中有部分數據是在 GPS星座尚不完備的情況下布設的,GPS星歷精度比較低,最后得到的三維位置水平分量精度估計為 5～10 cm,大地高精度為 5～20 cm,水準數據多為 20世紀 90年代以前施測,大部分由低等水準聯測,水準點高程屬于 1985國家高程基準。計算中大港驗潮站的平均正常重力取 9.780 325m/s2,橢球采用 CSCS2000橢球。計算中使用的常數見表 1。利用 936個 GPS水準點數據獲得的驗潮站重力位值見圖 2。

表1 計算用常數Tab.1 Constants from the computation

圖1 全國936個 GPS水準點分布Fig.1 Distribution sketch of 936 GPS levelling points

圖2 大港驗潮站重力位值Fig.2 Gravity potential values ofDagang tidal station

936個重力位值的平均值為 62 636 852.77 m2s-2,標準差為 0.11 m2s-2。從圖 2可以看出有個別水準點的數值出現異常,由于重力場模型和 GPS測量基本不受點位的影響,因此這些出現異常值的點很有可能是由于低等級水準測量聯測誤差引起的。為了保證計算精度,將大于 3倍單位權中誤差的值(共有 24個,見圖 2中所加“＊”點)剔除,剩余的驗潮站重力位值見圖 3。

圖3 去除異常值后大港驗潮站重力位值Fig.3 Gravity potential values of Dagang tidal station after removing the abnormal values

去除 3倍單位權中誤差后的驗潮站重力位的平均值為 62 636 852.85 m2/s2,標準差為 0.07 m2/s2,利用式(1)計算得到高程基準起算面相對于大地水準面的垂直偏差為 0.32 m(圖 4)。在置信度 0.95情況下,重力位的置信區間為 (62 636 852.85± 0.14)m2/s2即 (62 636 852.71 m2/s2,6 2636 852.99 m2/s2),垂直偏差的置信區間為 (0.31 m,0.33 m)。

圖4 1985高程基準相對于大地水準面的垂直偏差Fig.4 Vertical deviation of Chinese height datum from the geoid

4 結論

利用重力位差的思想計算得到了我國高程基準相對于大地水準面的垂直偏差。利用最新發布的EG M2008地球重力場模型并結合我國均勻分布的936個 GPS水準點數據得到了我國青島大港驗潮站的重力位為 62 636 852.85±0.07 m2/s2,進而得到我國高程基準相對全球大地水準面間的偏差為0.32 m。由于高程基準垂直偏差的計算受 GPS水準點和位模型影響較大,因此未來建議采用更多高等級的GPS水準點數據,同時采用更高精度的引力位模型,以便得到更精確的數值結果。

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3 羅志才,寧津生,徐菊生.區域性高程基準的統一[J].測繪科學,2004,29(2)：13-15.(Luo Zhicai,Ning Jingsheng and Xu Jusheng.Unification of local height datum[J].Science of Suveying andMapping,2004,29(2)：13-15)

4 焦文海,等.1985國家高程基準相對于大地水準面的垂直偏差 [J].測繪學報,2002,31(3)：196-200.(Jiao Wenhai,et al.The vertical deviation of 1985 height datum from the geoid[J].Acta Geodaetica etCartographica Sinica, 2002,31(3)：196-200)

5 郭海榮,焦文海,楊元喜.1985國家高程基準的系統差[J].武漢大學學報 (信息科學版),2004,29(8)：715-717.(Guo Hairong,JiaoWenhai and Yang Yuanxi.The systematic error of 1985 height datum[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2004,29(8)：715-717)

6 郭海榮,焦文海,楊元喜.1985國家高程基準與全球似大地水準面之間的系統差及其分布規律 [J].測繪學報, 2004,33(2)：101-105.(Guo Hairong,Jiao Wenhai and Yang Yuanxi.The systematic errorof 1985 height datum from the geoid[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2004,33(2)：101-105)

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11 BernhardHofmann-Wellenhof and Helmut Moritz.Physical geodesy[M].SpringerW ien NewYork,2006,Austria.

COM PUTATI ON OF VERTICAL DEVIATI ON OF CHINESE HEIGHT DATUM FROM GEO I D BY USING EGM2008 MODEL

Zhai Zhenhe1,2),Wei Ziqing2),Wu Fumei2)and Ren Hongfei2)

(1)Institute of Surveying and M apping of Infor m ation Engineering University,Zhengzhou 450052 2)X i’an Institute of Surveying and M apping,X i’an 710054)

The vertical deviation of a local height datum from the geoid is essential and fundamental for the transfor mation of regional datums and the unification of the global height datum.The value of the gravity potentialof Qingdao Dagang tidal station is acquired by using 936 GPS leveling point data and EG M2008 geopotential model, which is62 636 852.85±0.07 m2/s2,in turn,a vertical deviation of 0.32 m of Chinese height datum from the geoid is obtained.

EG M2008 model;geoid;height datum;gravity potential;vertical deviation

1671-5942(2011)04-0116-03

2011-03-09

翟振和,男,1980年生,工程師,博士生,主要從事物理大地測量研究.E-mail：zhaizhenhe1980@163.com

P228.3

A