從2012國際測量師聯(lián)合會大會看國際大地基準的新進展

程鵬飛，王 華，2，成英燕

(1．中國測繪科學研究院，北京100830;2．武漢大學測繪學院，湖北武漢430079)

一、引 言

在大地測量中，大地基準是一切測量活動的參考依據(jù)。廣義上的大地基準包括水平基準和垂直基準。水平基準是以坐標系統(tǒng)形式描述地面點的空間位置信息。垂直基準是指高程基準或深度基準[1]。

目前全球有數(shù)百個局部坐標系統(tǒng)，坐標系統(tǒng)間的轉換不可避免地會造成精度損失。隨著對地觀測技術的提高，地球形狀的測定日益準確，相應坐標系統(tǒng)覆蓋范圍也越來越廣。1984世界大地坐標系(WGS-84)的建立使地球上任何點位在同一個坐標系統(tǒng)下描述，從而具有一致性。

垂直基準從廣義上講是指高程參考面及確定這一參考面高度的各種方法的系統(tǒng)。常用的有利用平均海水面定義的潮汐基準(tidal datum)、基于大地水準面的重力基準(gravimetric datum)或基于參考橢球的大地垂直基準(geodetic vertical datum)。深度基準是指水深測量及海圖所載深度的起算面[1]。通常取當?shù)仄骄Ｃ嫦蛳乱欢ㄉ疃葹槠鹚忝妫瓷疃然鶞拭妗?/p>

近年美國的大地基準建設取得的成就令人矚目，不但更新全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的參考框架為IGS08，同時還對水平基準、垂直基準進行了系列更新與換代。新西蘭、澳大利亞等國家也對本國大地基準進行了精化或現(xiàn)代化。本文重點介紹了這些國家在大地基準建設和現(xiàn)代化方面的舉措，從中探討我國大地基準建設與發(fā)展的可借鑒之處。

二、水平基準

1．1983北美基準 NAD83(2011，MA11，PA11)[2]

美國國家空間參考系統(tǒng)(NSRS)是可以提供經(jīng)度、緯度、大地高、尺度、重力、定向及整個美國的海岸線等信息的一致性坐標系統(tǒng)。其水平基準是NAD83，垂直基準是1988北美垂直基準(NAVD 88)。

因IGS05參考框架的速度傳播誤差日益增大及2008國際地球參考框架(ITRF2008)地面天線校準集從igs05．a(chǎn)tx升級至igs08．a(chǎn)tx所帶來的點位坐標變化，美國大地測量局(NGS)重新處理了1994年以來的所有GPS觀測數(shù)據(jù)，包括連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)站和選定的國際衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)服務(IGS)全球跟蹤站數(shù)據(jù)。最后平差處理得到的站坐標、速度及新確定的跟蹤站坐標都歸算至IGS08框架、2005．0歷元下。處理工作完成后，美國采用IGS08作為衛(wèi)星星歷和跟蹤站的全球參考框架。

2011年9月6日，NSRS采用最新地面參考框架實現(xiàn)——新1983北美基準，正式命名為NAD83(2011，MA11，PA11)，歷元 2010．0。NAD83(2011，MA11，PA11)實際上是由3個獨立框架構成，分別與3個板塊旋轉一致。NAD83(2011)框架固定于北美板塊;NAD83(MA11)框架與馬里亞納板塊固定;NAD83(PA11)固定于太平洋板塊。3個框架的實現(xiàn)也來自上述NGS多年CORS數(shù)據(jù)解算結果。

由于IGS08與ITRF2008兼容，只有個別基準站坐標有輕微差別，IGS認為ITRF2008和IGS08之間的14個轉換參數(shù)為零。因此，從IGS08到NAD83的轉換可看作為ITRF2008到NAD83的轉換。NGS同時公布了 NAD83(2011)、2010．0歷元和 IGS08、2005．0歷元下的所有CORS坐標(如圖1所示)。

2．新西蘭大地基準(NZGD2000)

2000新西蘭大地基準(NZGD2000)是一個三維的半動力基準。在NZGD2000之前，新西蘭采用的是靜態(tài)基準——1949 新西蘭大地基準(NZGD1949)。由于新西蘭地處幾個地殼板塊交界地帶，經(jīng)常發(fā)生地質構造運動，靜態(tài)基準不準確，因而不適用[3]。NZGD2000參考框架是 ITRF96，參考歷元2000．0，采用LINZ變形模型。NZGD2000是由35個CORS站和10萬個控制點實現(xiàn)的(如圖2所示)。

圖1 NGSCORS站點分布及水平精度

圖2 新西蘭CORS站點示意圖

半動力基準采用形變模型來改正坐標和區(qū)域尺度的地殼構造運動對測量觀測值的影響[4]。該形變模型可以將所有坐標和觀測值歸算到所需歷元時刻，而非一定在NZGD2000參考歷元下存儲[5]。NZGD2000提供GRS80橢球高，而非海平面高度。通過使用大地水準面模型，可以建立橢球高與平均海平面基準的聯(lián)系。

NZGD2000與WGS-84基本上一致，對使用GPS接收機的用戶意味著可以假設WGS84坐標等同于NZGD2000坐標。

3．澳大利亞地心基準(GDA94)[6]

澳大利亞1994地心基準(GDA94)是一個地固坐標基準。GDA94基準網(wǎng)絡(AFN)由8個永久性GPS參考站組成。GDA94國家網(wǎng)絡(ANN)由70個站點組成，標距500 km。公共點坐標歸算至GDA94參考框架ITRF92，歷元1994．0，于1995年9月正式啟用。目前澳大利亞管理澳洲地區(qū)和南太平洋約100多個CORS站點(如圖3所示)。

為改善GDA94的完備性和準確性，提升大地測量基礎設施，澳大利亞正準備增設國家CORS系統(tǒng)。GNSS數(shù)據(jù)流將由澳大利亞地球科學局(GA)、新南威爾士州大學、科廷大學等機構管理，方便用戶訪問的同時，也便于這些機構對數(shù)據(jù)進行分析、協(xié)助發(fā)展區(qū)域參考框架的解決方案及GDA94現(xiàn)代化。

圖3 澳大利亞CORS站點示意圖

GDA94現(xiàn)代化的預期目標是：到2020年，建立一個對齊到ITRF框架的現(xiàn)代化動態(tài)大地基準。為實現(xiàn)這一目標，澳大利亞目前正著手進行一系列準備工作，包括對AFN坐標及其CORS系統(tǒng)分別精化和定義;為提高基準使用周期，將已定義的二維靜態(tài)坐標過渡基準GDA2015沿用至2020年;開發(fā)和采用新的大地基準框架管理和運作模式。

三、垂直基準

1．美國高程現(xiàn)代化[7]

為解決NAVD88更新代價昂貴、系統(tǒng)誤差過大的不足，NGS實施了國家高程現(xiàn)代化計劃，目標是通過GNSS聯(lián)合傳統(tǒng)測量技術、遙感技術和重力數(shù)據(jù)，取代水準測量，獲得更加準確的高程[8]。“十年計劃”是NGS為大地基準現(xiàn)代化制定的官方政策，是長期發(fā)展戰(zhàn)略，確保定義和實現(xiàn)NSRS，維持動態(tài)參考框架及更有效地為用戶提供NSRS服務。“十年計劃”首次用一種新方法定義垂直基準，包括建立一個高精度的重力大地水準面模型。參照此基準的高程信息將具有準確性、可靠性、現(xiàn)勢性和一致性。

“十年計劃”包含幾何(水平)基準和重力位(垂直)基準現(xiàn)代化。NAD83(2011，MA11，PA11)已于2012年初啟用，短期內仍作為美國的官方幾何基準。幾何基準的橢球高分量將是定義重力位基準的重要組成部分。橢球高到正高之間的轉換依賴重力大地水準面模型。改善重力模型的關鍵是對整個美國進行全面航空重力測量，這也是美國垂直基準精化之重力項目(GRAV-D)最實質性的階段，現(xiàn)已完成16%。GRAV-D目標是生成精確到厘米級的重力大地水準面高程模型，并且可與改進的幾何參考框架聯(lián)合生成同樣改善的物理高度，實現(xiàn)既準確又精確的新垂直基準。初步結果表明GRAV-D有助于生成預期的1 cm精度大地水準面模型。

2．新北美垂直基準[9]

NGS最近一次更新其官方大地水準面模型為2012美國重力大地水準面(USGG2012)和GEOID12(混合大地水準面模型中的最新版)。USGG2012是在ITRF2008、歷元2005．0下，其所得到的大地水準面高用于IGS08坐標即可獲得最能精確反映高度和高度變化的重力位高度。GEOID12是在NAD83(2011)、歷元2010．0下，用于NAD83和NAVD88之間轉換。NAD83與NAVD88間的系統(tǒng)誤差在GEOID12中真實反映，兩基準雖然保持各自系統(tǒng)內一致，但與其他參考系統(tǒng)間存在米級的不一致性。NAD83與當前ITRF間的地球質心偏差達2．2 m[10]，NAVD88 與地球重力場模型(EGM)間有1～2 m的偏差[11]。到2022年新垂直基準啟用時，含有基準系統(tǒng)誤差的混合大地水準面模型將不再需要。

最近，NGS選出最佳重力位面適用數(shù)據(jù)位值是62 636 856．00m2/s2。這個值與國際天文學聯(lián)合會(IAU)及國際地球自轉與參考系統(tǒng)服務組織(IERS)采用的數(shù)值相同，并且是全球MSL的最佳代表數(shù)值之一。加拿大將在2013年采納此位值，基于此位值的大地水準面高程模型作為其官方垂直基準。美國目前仍將NAD83與NAVD88作為NSRS官方基準，2022年將采用新幾何基準;同時，新采用的垂直基準將包含與幾何基準相同的大地水準面高度模型。

3．新西蘭垂直基準

新西蘭的垂直基準有3個：2009新西蘭垂直基準(NZVD2009)、區(qū)域MSL基準及2000新西蘭大地基準(NZGD2000)。

NZVD2009是新西蘭及其離島的官方垂直基準。其參考面是2009新西蘭似大地水準面(NZGeoid2009)，高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)，正常重力場基于 GRS80。NZGD2000參考的是 GRS80橢球。NZGD2000橢球高與斯圖爾特島附近的MSL近似相等，而與其北部地區(qū)的 MSL差異約 35 m。NZVD2009定義了與現(xiàn)存13個區(qū)域MSL基準間的高程轉換偏移量，可用于3個垂直基準間的轉換。

新西蘭最新實施的NZGeoid2009覆蓋了新西蘭大陸，由EGM2008聯(lián)合地面重力、衛(wèi)星重力觀測值及數(shù)字高程模型計算得出，以 1'×1'格網(wǎng)(約1．8 km)發(fā)布，預期精度 6 cm。NZVD2009 與NZGD2000一致，根據(jù)MSL基準和發(fā)布的偏移量，NZGeoid2009可用于NZVD2009的正常高和NZGD2000/WGS84橢球高之間的轉換。新西蘭官網(wǎng)上免費提供NZGeoid2009的下載文件，并提供在線轉換服務。

4．澳大利亞高程基準

澳大利亞高程基準(AHD)是由其周圍海岸線的32個驗潮站確定的MSL作為AHD的零基準面。但澳大利亞北部海岸海水(溫度高，密度小)比南部海岸海水(溫度低，密度大)高出約1 m，因此，AHD與大地水準面相比，北部地區(qū)約高出0．5 m，而南部地區(qū)約低了0．5 m。

AUSGeoid09是澳大利亞最新的大地水準面模型，于2011年4月正式發(fā)布，以1'×1'格網(wǎng)給出，用于GDA94橢球高和AHD高程之間的轉換。AUSGeoid09為用戶提供的是橢球與AHD之間的高程偏移量，在澳大利亞絕大部分地區(qū)精度為3 cm。

四、我國大地基準建設

近年，我國大地基準建設也取得了一系列成就。2008年7月1日，我國啟用2000國家大地坐標系(CGCS2000)[12]。國家測繪地理信息局組織對我國十一年(1999—2009年)的GPS框架點觀測數(shù)據(jù)重新平差，獲得了這些框架點的CGCS2000坐標，將我國板塊劃分為7個一級板塊與20個二級板塊，建立了我國CGCS2000速度場模型。CGCS2000使定位結果精度由原來的幾十米提高到厘米級，實現(xiàn)了我國水平基準跨越式發(fā)展。為使CGCS2000及其框架具有現(xiàn)勢性，中國測繪科學研究院正在進行CPMCGCS2000速度場模型格網(wǎng)化和高程時序分析。

2012年3月驗收的中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡是我國在科技基礎設施建設、數(shù)據(jù)資源共享上的又一成就。該網(wǎng)由260個連續(xù)觀測站和2000個不定期觀測站構成，以GNSS觀測為主，VLBI、SLR、精密重力和水準測量等技術手段為輔。可為我國大陸地殼運動監(jiān)測、我國現(xiàn)代大地基準的建立與維持、重力場形態(tài)及變化及空間氣象等系列科學問題提供基礎資料和產(chǎn)品。

2012年6月啟動的國家現(xiàn)代測繪基準體系基礎設施建設一期工程是我國迄今為止最大規(guī)模的、以維持國家大地坐標框架為主要目的國家級CORS系統(tǒng)建設、國家一等水準網(wǎng)建設和衛(wèi)星大地控制網(wǎng)建設工程。工程將在全國范圍建成360個(含新建、改造現(xiàn)有的)國家CORS基準站及4500點組成的衛(wèi)星大地控制網(wǎng)。并開展國家現(xiàn)代高程控制網(wǎng)建設，通過與CORS基準站和衛(wèi)星大地控制網(wǎng)的結合，監(jiān)測大范圍高程變化，實現(xiàn)全國范圍的現(xiàn)代高程基準傳遞。同時補充和完善國家重力基準，在已有絕對重力點分布基礎上，選擇50個與新建CORS基準站并置的重力基準點，構成便于長期保存的分布合理的國家絕對重力基準基礎設施。

目前，我國大部分省級大地水準面精度可達5 cm，是全球少數(shù)能實現(xiàn)厘米級大地水準面的國家之一。但各省用于精化大地水準面的高程系統(tǒng)和GPS橢球高的參考框架各不相同，不利于測繪信息資源共享和我國大地基準建設。因此，工程二期將建立全國大地水準面模型。期間，衛(wèi)星定位技術將逐步取代水準測量，并逐步融入北斗衛(wèi)星定位技術，實現(xiàn)一體化的大地基準設施建設。

五、結束語

縱觀美國、加拿大等發(fā)達國家的大地基準發(fā)展趨勢，均是建立幾何基準與垂直基準相統(tǒng)一的測繪基準。其中美國的大地基準建設與發(fā)展最早，NAD83 已更新至 NAD83(2011，MA11，PA11)，到2022年美國將完成幾何基準與物理基準融合的新大地基準。加拿大也將于2013年采用新垂直基準。我國在大地基準建設上雖然起步晚，但發(fā)展迅速。CGCS2000框架點坐標已更新完畢，速度場模型也已建立。目前我國的現(xiàn)代測繪基準體系基礎設施建設正在實施，工程完成后，將會使我國大地基準邁上一個新臺階，改變各省CORS系統(tǒng)框架和歷元不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，結合CPM-CGCS2000速度場模型，使全國的大地坐標系真正統(tǒng)一到CGCS2000。大量的衛(wèi)星大地控制網(wǎng)點與國家一等水準點的共點布測，也將有利于今后高程控制網(wǎng)的監(jiān)測與維護，新的全國厘米級大地水準面的實現(xiàn)，也必將使我國的高程基準的發(fā)展與應用達到新的水平，跨入世界先進行列，真正建立屬于我國的幾何基準與垂直基準協(xié)調一致的高精度、三維、動態(tài)的現(xiàn)代測繪基準體系。

[1]全國科學技術名詞審定委員會．測繪學名詞[M]．3版．北京：科學出版社，2010．

[2]WESTON N，SOLER T，ROMAN D．Recently Adopted Changes to the Terrestrial Reference Frames Used in the United States[R]．Rome，Italy：[s．n．]，2012．

[3]DONNELLY N．Progress Towards a Nationwide Adjustment of New Zealand’s Geodetic Data[R]．Rome，Italy[s．n．]，2012．

[4]STANAWAY R，ROBERTS C，BLICK G，et al．Four Dimensional Deformation Modelling，the Link Between International，Regional and Local Reference Frames[R]．Rome，Italy：[s．n．]，2012．

[5]陳俊勇．大地基準的現(xiàn)代化和衛(wèi)星大地測量新成果—參加國際大地測量協(xié)會(IAG)2003年日本札晃大會札記[J]．地球科學進展，2004，19(1)：12-16．

[6]SARIB R，PETERSON A．A New Geodetic Datum for the Northern Territory[R]．Rome，Italy：[s．n．]，2012．

[7]SHIDLDS R，GALLAGHER C．Height Modernization Program in the United States：Implementing a Vertical Datum Reverenced to a Gravimetric Geoid Model[R]．Rome，Italy：[s．n．]，2012．

[8]霍夫曼—韋倫霍夫，利希特內格爾，瓦斯勒，等．全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GPS、GLONASS、Galileo及其他系統(tǒng))[M]．北京：測繪出版社，2009．

[9]ROMAN D，WESTON N．Beyond GEOID12：Implementing a New Vertical Datum for North America[R]．Rome，Italy：[s．n．]，2012．

[10]SNAY R A．Introducing Two Spatial Reference Frames for Regions of the Pacific Ocean[J]．Surveying and Land Information Science，2003，63(1)：5-12．

[11]WANG Y M，SALEH J，LI X，et al．The USGravi metric Geoid of2009(USGG2009)：Model Development and Evaluation[J]．Journal of Geodesy 2009，86(3)：165-180．

[12]程鵬飛，成英燕，文漢江，等．2000國家大地坐標系實用寶典[M]．北京：測繪出版社，2008．