許厚澤
(1.中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地物理研究所,湖北 武漢430077)
關(guān)于高程系統(tǒng)的思考
許厚澤1
討論了3種高程系統(tǒng)(正高、正常高及區(qū)域正常高)及其區(qū)別,它們分別依賴(lài)于不同的基準(zhǔn)面,即大地水準(zhǔn)面、似大地水準(zhǔn)面和區(qū)域似大地水準(zhǔn)面;研究了如何把中國(guó)的區(qū)域高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為全球統(tǒng)一高程系統(tǒng)的2種途徑??梢岳盟疁?zhǔn)或重力方法、GPS水準(zhǔn)和GPS重力方法建立高程系統(tǒng)。
高程系統(tǒng);正常高;大地水準(zhǔn)面;GPS水準(zhǔn)
通常,人們把高程定義為地面點(diǎn)到全球平均海平面(大地水準(zhǔn)面)的垂直距離,這樣定義的高程叫做正高。習(xí)慣上,高程測(cè)量是用水準(zhǔn)測(cè)量完成的,但水準(zhǔn)測(cè)量得到的點(diǎn)是兩點(diǎn)間重力位之差(重力位的定義為地球質(zhì)量作用于此兩點(diǎn)的引力位及地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的同一點(diǎn)的離心力位之和),因此高程的定義與地球的重力位密切相關(guān)。
當(dāng)前,世界上對(duì)高程有3種定義,相應(yīng)的有3種高程系統(tǒng)(圖1)。
圖1 3種高程系統(tǒng)示意圖
1.1 正高HA
式中,HA表示地面點(diǎn)沿垂線(xiàn)到大地水準(zhǔn)面的距離AAG;WG是大地水準(zhǔn)面的重力位,由于大地水準(zhǔn)面是一個(gè)等位面,WG為常數(shù);WG-WA為地面點(diǎn)A和大地水準(zhǔn)之間的重力位差,可從重力測(cè)量或水準(zhǔn)測(cè)量(由大地水準(zhǔn)面上任意點(diǎn)沿任意水準(zhǔn)線(xiàn)測(cè)到A點(diǎn)給出的得到;g及dh為G到A水準(zhǔn)線(xiàn)上的重力及高差;是點(diǎn)A沿垂線(xiàn)到大地水準(zhǔn)面的平均重力值。
基于正高的高程系統(tǒng)稱(chēng)為正高高程系統(tǒng),其依據(jù)的高程基準(zhǔn)面為大地水準(zhǔn)面。
G'得的點(diǎn)G'的集合形成的面就定義為似大地水準(zhǔn)面,顯然,似大地水準(zhǔn)面是人為定義的,不具備任何物理意義,也不是等位面。式(2)不同于式(1),用點(diǎn)A沿地球橢球法線(xiàn)到似大地水準(zhǔn)面的平均重力值來(lái)代替。由于正常重力可根據(jù)地球橢球參數(shù)準(zhǔn)確求得,因此,理論上,正常高是可以精確測(cè)量的。
基于正常高的系統(tǒng)稱(chēng)為正常高高程系統(tǒng),其依據(jù)的高程基準(zhǔn)面為似大地水準(zhǔn)面。
實(shí)際上,由式(2)按水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)量正常高時(shí),人們并不知道地球上哪一點(diǎn)的正常高為零,一般取沿海某驗(yàn)潮站某歷元(如我國(guó)采取青島1985年)的平均海平面作為水準(zhǔn)原點(diǎn)。但這個(gè)水準(zhǔn)原點(diǎn)并不在大地水準(zhǔn)面上,它的重力位并不等于WG,因此,在實(shí)際應(yīng)用上,采用區(qū)域正常高系統(tǒng)來(lái)代替正常高系統(tǒng)。
基于區(qū)域正常高的高程系統(tǒng)稱(chēng)為區(qū)域正常高高程系統(tǒng),這一系統(tǒng)明顯依賴(lài)于水準(zhǔn)起始原點(diǎn)的重力位W0。
1)大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面的差別為:
2)似大地水準(zhǔn)面與區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的差別為:
換言之,這兩個(gè)面近似地可認(rèn)為是平行的,其差距ζ0為青島原點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面高程異常,約為0.3 m。同樣,海洋上區(qū)域似大地水準(zhǔn)面就是通過(guò)青島原點(diǎn)的平均海平面,其距似大地水準(zhǔn)面或大地水準(zhǔn)面的距離等于ζ0。式(6)表明只要知道區(qū)域似大地水準(zhǔn)面高程系統(tǒng)水準(zhǔn)原點(diǎn)外的ζ0,就能很容易轉(zhuǎn)化為全球似大地水準(zhǔn)面高程系統(tǒng)。
如前節(jié)所述,正高理論上是無(wú)法精確確定的,人們只能由正常高近似求得。這里僅討論建立正常高系統(tǒng)(似大地水準(zhǔn)面基準(zhǔn))及區(qū)域正常高(區(qū)域似大地水準(zhǔn)面基準(zhǔn))的方法。除去水準(zhǔn)測(cè)量方法外,現(xiàn)在人們很容易從GPS求得地面點(diǎn)的大地高h(yuǎn)(地面點(diǎn)到地球橢球面的距離),從而根據(jù)定義,可以有不同途徑來(lái)建立高程系統(tǒng)。
1)水準(zhǔn)測(cè)量方法。
2)GPS水準(zhǔn)方法。
3)GPS重力方法。
4)GPS水準(zhǔn)加GPS重力擬合方法。擬合時(shí),如果GPS水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)值權(quán)取為無(wú)窮大,即GPS水準(zhǔn)方法;如把重力大地水準(zhǔn)面權(quán)取為無(wú)窮,即GPS重力方法。
綜上所述,就亞mm級(jí)精度的高程系統(tǒng)而言,利用水準(zhǔn)測(cè)量,可直接建立區(qū)域似大地水準(zhǔn)面高程系統(tǒng),要轉(zhuǎn)變?yōu)槿蛳到y(tǒng),需要精確測(cè)定出水準(zhǔn)原點(diǎn)處的似大地水準(zhǔn)面高程異常ζ0,利用GPS代替水準(zhǔn)測(cè)量,如果有精化的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面高程異常ζA0,可以直接建立區(qū)域似大地水準(zhǔn)面全球系統(tǒng)。同樣,要轉(zhuǎn)變?yōu)槿蛳到y(tǒng),要知道ζ0,如果有精化的似大地水準(zhǔn)面高程異常ζA,可以直接建立全球似大地水準(zhǔn)面高程系統(tǒng),而要轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域系統(tǒng),要知道ζ0。
當(dāng)前我國(guó)高程基準(zhǔn)是基于水準(zhǔn)測(cè)量或GPS結(jié)合精化GPS水準(zhǔn)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。該基準(zhǔn)存在以下問(wèn)題:
1) 不是全球的系統(tǒng),而是取決于青島驗(yàn)潮站的區(qū)域型系統(tǒng)。
2)依賴(lài)于水準(zhǔn)測(cè)量,從而有很大的誤差積累,僅以一等水準(zhǔn)為例,要從青島傳遞到西安,高程絕對(duì)誤差將達(dá)到±6~7 cm。
3)以GPS水準(zhǔn)為主精化的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的精度估計(jì),存在局限性,尤其在山區(qū),可供使用的檢測(cè)點(diǎn)太少。
為了進(jìn)一步完善我國(guó)未來(lái)的高程基準(zhǔn),迫切需要探討以下的問(wèn)題:
1)建立一個(gè)基于GPS和全球重力似大地水準(zhǔn)面的高程基準(zhǔn)。
這是一個(gè)很大的課題。首先,要研究在給定的精度要求下(如在我國(guó)沿海及平坦地區(qū)絕對(duì)精度達(dá)到±2~3 cm,山區(qū)達(dá)到±5~7 cm)重力觀(guān)測(cè)值的分布、密度以及實(shí)現(xiàn)的途徑。當(dāng)前從可用的重力資料來(lái)看,中長(zhǎng)波長(zhǎng)及沿海海域,可以使用衛(wèi)星重力及衛(wèi)星測(cè)高的結(jié)果,難點(diǎn)在于高分辨率格網(wǎng)的資料。東中部地區(qū)基本已能滿(mǎn)足,只需適當(dāng)加密;關(guān)鍵在西部,最有效方法應(yīng)該要啟動(dòng)航空重力測(cè)量,既快速又高效。其次,在理論與計(jì)算方法方面,要研究選用不同理論(莫洛金斯基參數(shù)展開(kāi)、Moritz解析延拓、Stokes-Helment質(zhì)量壓縮等)對(duì)計(jì)算結(jié)果(尤其在山區(qū))的影響以及地形資料的使用問(wèn)題。最后,還涉及全球參數(shù)的選擇,包括地球參考橢球、ITRF參考框架、大地水準(zhǔn)面位值WG(與地心引力參數(shù)GM相關(guān))、潮汐系統(tǒng)等。
2)研究以cm級(jí)精度確定青島原點(diǎn)似大地水準(zhǔn)面高程異常ζ0的方法,從而把當(dāng)前我國(guó)的區(qū)域高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為全球系統(tǒng),并與GPS重力的結(jié)果相比較。目前,最可行方法是用最新的重力場(chǎng)模型(如EIGEN-6Cd)和中國(guó)沿海及東部GPS水準(zhǔn)點(diǎn)相比較,在比較時(shí),同樣要注意重力模型和GPS系統(tǒng)中所用全球參數(shù)的問(wèn)題。
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我國(guó)高程基準(zhǔn)的發(fā)展歷史
地球表面某一點(diǎn)的空間位置可以用該點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程來(lái)表示。經(jīng)緯度用來(lái)表示該點(diǎn)平面位置。那么,高程是從哪里開(kāi)始作為起點(diǎn)呢?人們自然地會(huì)想到用海平面來(lái)作為起算基準(zhǔn)面,進(jìn)而得到陸地上某點(diǎn)相對(duì)海平面的高度,即為“海拔”。據(jù)《元朝名臣事略》記載,元朝著名科學(xué)家郭守敬對(duì)此就進(jìn)行過(guò)科學(xué)的實(shí)踐,他曾用海平面來(lái)比較大都(今北京市)與汴梁(今河南開(kāi)封市)的地勢(shì)高低之差,認(rèn)為汴梁的河流水面高出海平面較多,因此流速較快;而大都的河流水面高出海平面較少,故而流速較慢。這是我國(guó)歷史上第一次提出利用海平面作為基準(zhǔn)來(lái)比較不同地區(qū)的“海拔”的科學(xué)思想。這一科學(xué)思想一直沿用至今,目前國(guó)內(nèi)外的高程參考面仍是以平均海平面作為基準(zhǔn)面。
在新中國(guó)建立前,我國(guó)曾在吳淞、青島、大連、大沽、坎門(mén)和廣州等地建立高程基準(zhǔn)點(diǎn)。其中“吳淞零點(diǎn)”是我國(guó)近代最早的高程基準(zhǔn)點(diǎn)。1860年,清朝的上海海關(guān)巡工司在黃浦江西岸的張華浜設(shè)立了水位觀(guān)測(cè)站。利用1871~1900年的長(zhǎng)期水位觀(guān)測(cè)資料,確定了一個(gè)比當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)最低水位略低的高程作為水尺零點(diǎn),稱(chēng)之為“吳淞海關(guān)零點(diǎn)”,后正式更名為“吳淞零點(diǎn)”。除“吳淞零點(diǎn)”外,其他大部分高程基準(zhǔn)點(diǎn)的建立,多與帝國(guó)主義列強(qiáng)的入侵有關(guān)。
建國(guó)初期,我國(guó)選擇了地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的青島驗(yàn)潮站為基本驗(yàn)潮站,并以該驗(yàn)潮站1950~1956年7 a的觀(guān)測(cè)資料獲得平均海平面,作為我國(guó)高程的統(tǒng)一起算基準(zhǔn),即為“1956黃海高程系統(tǒng)”。這也是新中國(guó)第一個(gè)國(guó)家高程系統(tǒng),徹底結(jié)束了過(guò)去高程系統(tǒng)繁雜的局面。由于計(jì)算“1956黃海高程系統(tǒng)”所依據(jù)的青島驗(yàn)潮站的資料時(shí)間相對(duì)較短。隨著觀(guān)測(cè)資料的累積和觀(guān)測(cè)精度的提高,國(guó)家測(cè)繪地理信息局決定以青島驗(yàn)潮站1952~1979年的潮汐觀(guān)測(cè)資料為計(jì)算依據(jù),重新確定了新的國(guó)家高程基準(zhǔn),稱(chēng)為“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”,并在青島觀(guān)象山上構(gòu)建了“中華人民共和國(guó)水準(zhǔn)原點(diǎn)”。該水準(zhǔn)原點(diǎn)在“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”中的高程是72.260 m,在“1956黃海高程系統(tǒng)”水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程是72.289 m,二者相差0.029 m。水準(zhǔn)原點(diǎn)建成后,我國(guó)相繼開(kāi)展了多次全國(guó)一等和二等水準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)與觀(guān)測(cè),為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防安全和科學(xué)研究提供了全國(guó)統(tǒng)一且精確可靠的高程基準(zhǔn)。
由于各國(guó)采用的作為高程基準(zhǔn)面的平均海平面是不一致的,我國(guó)“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”也不例外,因此,統(tǒng)一全球的高程系統(tǒng)現(xiàn)已成為大地測(cè)量學(xué)中一項(xiàng)重要課題。
(馮偉:中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
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B
1672-4623(2016)01-0001-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.001
許厚澤,中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地物理研究所研究員,中科院院士,從事大地測(cè)量及重力測(cè)量學(xué)研究。
2015-11-24。
項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41131067)。