專利名稱：一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法，屬于"大地測(cè)量
與測(cè)量工程"學(xué)科中的"物理大地測(cè)量"技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陸海似大地水準(zhǔn)面拼接是目前物理大地測(cè)量學(xué)科領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前 陸海似大地水準(zhǔn)面拼接的主要方法有最小二乘頻譜組合法、迭代FFT方法、最小二乘配置 法等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展了一種"擴(kuò)展法"，其基本原理是通過(guò)重力異常分別計(jì)算陸地、海岸線 附近和海洋的似大地水準(zhǔn)面，然后利用海岸線附近與陸地重合的似大地水準(zhǔn)面反算擬合參 數(shù)，最后利用所求的擬合參數(shù)進(jìn)行海洋似大地水準(zhǔn)面校正，從而形成陸海無(wú)縫拼接的似大 地水準(zhǔn)面。 事實(shí)上，現(xiàn)有陸海似大地水準(zhǔn)面無(wú)縫拼接方法都是基于"重力異常"這個(gè)物理量。 同時(shí)重力異常一般是基于局部高程基準(zhǔn)確定，這樣就形成基于多種局部高程基準(zhǔn)下的"重 力異常"，利用這種"重力異常"計(jì)算的陸海似大地水準(zhǔn)面勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題。僅 利用數(shù)學(xué)上的擬合簡(jiǎn)單處理這些不統(tǒng)一問(wèn)題顯然沒(méi)有物理理論支持。而直接利用"擾動(dòng)重 力"這個(gè)不受局部高程基準(zhǔn)限制的物理量來(lái)實(shí)現(xiàn)似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接至今還無(wú)人涉 足。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)技術(shù)背景中的問(wèn)題，本發(fā)明提出利用擾動(dòng)重力來(lái)實(shí)現(xiàn)似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)
縫拼接方法，并提出了利用擾動(dòng)重力計(jì)算似大地水準(zhǔn)面的奇異點(diǎn)處理方法。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面
陸海無(wú)縫拼接方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)將陸海重力數(shù)據(jù)預(yù)處理為陸海擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)； (2)陸海統(tǒng)一的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)格網(wǎng)化處理； (3)陸海統(tǒng)一的重力似大地水準(zhǔn)面計(jì)算； (4)利用陸地及海岸線附近GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)提取陸海重力似大地水準(zhǔn)面系統(tǒng)差；
(5)進(jìn)行系統(tǒng)差擬合改正，實(shí)現(xiàn)一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼 接。
所述步驟(1)中，其主要特征在于，包括以下內(nèi)容 a.將海洋重力場(chǎng)數(shù)據(jù)處理為與陸地基準(zhǔn)一致的海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)，利用船測(cè)擾動(dòng) 重力數(shù)據(jù)檢核海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)是否有系統(tǒng)差，如果有，則進(jìn)行系統(tǒng)差擬合改正；
b.基于現(xiàn)有高精度地球重力場(chǎng)模型對(duì)地面擾動(dòng)重力與經(jīng)a步驟修正過(guò)的海洋擾 動(dòng)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)差分析，并對(duì)海洋擾動(dòng)重力進(jìn)行系統(tǒng)差改正； c.將海岸帶擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)經(jīng)同一重力場(chǎng)模型系統(tǒng)差改正后處理為與陸地基準(zhǔn)一 致海岸帶擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)。
3
所述步驟(2)中，其主要特征在于，進(jìn)行陸海統(tǒng)一的布格擾動(dòng)重力格網(wǎng)化處理，并 判斷格網(wǎng)化布格擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)在接邊處是否有跳變現(xiàn)象，如果陸?；鶞?zhǔn)一致，那么經(jīng)格網(wǎng) 化處理的陸海統(tǒng)一的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)在接邊處應(yīng)無(wú)跳變現(xiàn)象；如有跳變現(xiàn)象，則應(yīng)根據(jù)陸地 擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)系統(tǒng)差大小，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)差改正。 所述步驟(3)中，其主要特征在于，提出了一種Hotine積分奇異點(diǎn)的處理方法，奇 異點(diǎn)處理公式為
) + 3c。sD + cos(w。 ) ln[ 1 + c sc(,)]
4 2 >
+ 2 ln[co々)+ sin(》+ ln[si々)]+ 2 sin(,) — | 上式中，S N為奇異區(qū)域的高程異常影響，R為地球平均半徑，T^為奇異區(qū)域的擾 動(dòng)重力平均值，Y為正常重力，V。為小球冠球面角距。由小球冠與經(jīng)緯差格網(wǎng)(A A為經(jīng) 度格網(wǎng)間距，P為緯度，A p為緯度格網(wǎng)間距)的等面積關(guān)系
冗(~0)2 = i 2 COS(p)-AAA^
可得到V。的計(jì)算公式，即
一 cos(p)A義Ap 叫^^ 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明基于擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)完成似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼接， 理論上不存在現(xiàn)有利用重力異常數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題，同時(shí)本發(fā)明提出的奇異點(diǎn) 處理方法較之原有方法具有更加嚴(yán)密的結(jié)果。


圖1為一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接實(shí)施方案流程。
具體實(shí)施例方式
—、陸海重力數(shù)據(jù)預(yù)處理 本文所指的陸海重力數(shù)據(jù)主要包括陸地重力數(shù)據(jù)、海岸線重力數(shù)據(jù)、海洋重力數(shù)
據(jù)。理論上講，如果這三種數(shù)據(jù)都是基于統(tǒng)一的框架(重力基準(zhǔn)框架、三維橢球參考框架 等)，那么這三種數(shù)據(jù)不存在系統(tǒng)差，即完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接。事實(shí)上，由于重力基準(zhǔn)偏差 以及參考橢球不同等多種因素會(huì)導(dǎo)致三種不同數(shù)據(jù)存在拼接差，即使在一種類型數(shù)據(jù)中也
存在系統(tǒng)偏差，例如我國(guó)早期重力數(shù)據(jù)與我國(guó)2000重力基準(zhǔn)就存在最大達(dá)十幾毫伽的系 統(tǒng)偏差，在海洋部分的重力數(shù)據(jù)由于來(lái)源不同所導(dǎo)致的系統(tǒng)偏差亦有很大的不同。因此需 要將不同的重力數(shù)據(jù)處理為統(tǒng)一基準(zhǔn)。 首先需要將陸地重力數(shù)據(jù)、海岸帶重力數(shù)據(jù)、海洋重力數(shù)據(jù)采用本領(lǐng)域公知的擾 動(dòng)重力定義公式計(jì)算為理論上基準(zhǔn)一致的擾動(dòng)重力；然后利用船測(cè)擾動(dòng)重力點(diǎn)值數(shù)據(jù)檢核 衛(wèi)星測(cè)高擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)的精度(船測(cè)擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)精度高于衛(wèi)星測(cè)高擾動(dòng)重力)，進(jìn)行系 統(tǒng)偏差提取，即計(jì)算船測(cè)擾動(dòng)重力與衛(wèi)星測(cè)高擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)差，并對(duì)衛(wèi)星測(cè)高擾動(dòng) 浙=重力數(shù)據(jù)系統(tǒng)差改正(常數(shù)改正)，使之與船測(cè)擾動(dòng)重力點(diǎn)值數(shù)據(jù)不存在系統(tǒng)差；陸地與海 岸帶擾動(dòng)重力點(diǎn)值數(shù)據(jù)以及海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)應(yīng)基于某一高精度地球重力場(chǎng)模型(例如 EGM2008)分別進(jìn)行系統(tǒng)差分析與改正，即采用利用地球重力場(chǎng)模型導(dǎo)出的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)與 以上三種擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)相比較，則得到統(tǒng)計(jì)意義上的系統(tǒng)偏差值，并利用該值進(jìn)行系統(tǒng)差 改正(常數(shù)校正)；最后則形成陸地、海岸帶與海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)。
二 、陸海統(tǒng)一 的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)格網(wǎng)化處理 將第一步處理的陸地、海岸帶以及海洋擾動(dòng)重力點(diǎn)值數(shù)據(jù)(在此可以將海洋格網(wǎng) 數(shù)據(jù)看成點(diǎn)值數(shù)據(jù)處理)經(jīng)重力歸算后分別得到點(diǎn)值布格擾動(dòng)重力，對(duì)其進(jìn)行粗差探測(cè) (可選用多種方法)并選擇合適的擬合方法將點(diǎn)值布格擾動(dòng)重力格網(wǎng)化處理，處理為等間 距經(jīng)緯格網(wǎng)數(shù)值模型，然后利用畫圖軟件繪制等值線圖，分析在陸海接邊區(qū)域是否存在跳 變現(xiàn)象(本發(fā)明所指的跳變類似于曲面函數(shù)在某一界面的不連續(xù)的現(xiàn)象)。如有，則利用部 分陸海重合區(qū)域數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)差(如果沒(méi)有重合區(qū)域可以根據(jù)布格擾動(dòng)重力等值線圖走 勢(shì)適當(dāng)外延到海洋分析系統(tǒng)差)并以陸地布格擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)改正海洋重力數(shù)據(jù)(常 數(shù)改正)。完成改正后則形成陸海一致的布格擾動(dòng)重力格網(wǎng)數(shù)據(jù)，再通過(guò)恢復(fù)格網(wǎng)布格改正 和地形改正從而形成所需要的陸海一致的擾動(dòng)重力格網(wǎng)數(shù)據(jù)。
三、陸海統(tǒng)一的重力似大地水準(zhǔn)面計(jì)算 在計(jì)算中我們采用本領(lǐng)域熟知的顧及一階項(xiàng)的Hotine積分公式和移去_恢復(fù)技 術(shù)，顧及一階項(xiàng)的Hotine積分公式為《=4 i條化)" 其中V為計(jì)算點(diǎn)與流動(dòng)點(diǎn)之間的角距； H ( V)為的Hotine核； R為地球平均半徑 o為單位球面 y為正常重力 而S gl的表達(dá)式為 式中，h與hP為流動(dòng)點(diǎn)與計(jì)算點(diǎn)的大地高。 但本發(fā)明所采用的奇異積分處理方法有所不同?，F(xiàn)有的奇異積分處理公式為
與之不同的是，在此我們提出了嚴(yán)密的奇異積分公式，其推導(dǎo)過(guò)程如下
我們知道，SN的嚴(yán)密積分公式為 式中，a表示方位角，ur表示球面角距，H(V)為Hotine核函數(shù)，其表達(dá)式可以在 許多教科書中查到，這里不在給出。當(dāng)V — 0時(shí)，Hotine核函數(shù)出現(xiàn)奇異，即出現(xiàn)分母為O的現(xiàn)象，無(wú)法直接得到SN。理論上，從公式看擾動(dòng)Sg應(yīng)該連續(xù)分布，但實(shí)際的測(cè)量中，我 們只能測(cè)量離散的重力點(diǎn)值，不可能使重力點(diǎn)值連續(xù)分布，這就意味著在小球冠區(qū)域內(nèi)我 們可以平均擾動(dòng)重力Sg代替理論上應(yīng)連續(xù)分布的點(diǎn)值，即在小球冠內(nèi)，可以認(rèn)為擾動(dòng)重 力為一常數(shù)。那么式(2)就可以表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>
經(jīng)過(guò)嚴(yán)密推導(dǎo)，可以得到
<formula>formula see original document page 6</formula>數(shù)，即
當(dāng)V =0時(shí)，上式右邊式子是奇異的，但表現(xiàn)出弱奇異特征，并旦其極限值為常
<formula>formula see original document page 6</formula>將上式代入式(3)，則得到
<formula>formula see original document page 6</formula>54]
由小球冠與經(jīng)諱差格網(wǎng)(經(jīng)度格網(wǎng)間距a a與諱度格網(wǎng)間距Ap)的等面積關(guān)系 =f cosOp)'AAA^ ，可得到V。的計(jì)算公式，即
<formula>formula see original document page 6</formula> 兩者不同之處在于我們的公式相比以往公式理論上是嚴(yán)密的，但形式稍顯復(fù)雜。
四、利用陸地及海岸線附近GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)提取陸海重力似大地水準(zhǔn)面系統(tǒng)差
利用重力似大地水準(zhǔn)面內(nèi)插GPS水準(zhǔn)點(diǎn)上的高程異常值，與利用GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì) 算的高精度高程異常值相比較，可以得到高程異常差值的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值等統(tǒng)計(jì)信息。判 斷標(biāo)準(zhǔn)差大小是否滿足設(shè)計(jì)精度要求。 五、進(jìn)行系統(tǒng)差改正，實(shí)現(xiàn)一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼接
如果利用GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)檢核的標(biāo)準(zhǔn)差滿足設(shè)計(jì)精度要求，則直接進(jìn)行常數(shù)系統(tǒng)差 改正即可。如檢核標(biāo)準(zhǔn)差未滿足精度要求，則需要分析系統(tǒng)差分布規(guī)律，選擇合適的擬合方 法完成陸海似大地水準(zhǔn)面改正，從而實(shí)現(xiàn)似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼接。而擬合方法可以 選擇常數(shù)或線性擬合、多項(xiàng)式擬合、球面函數(shù)擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合等多種數(shù)學(xué)模型或幾種模 型的組合。
權(quán)利要求
一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法，其特征在于，利用擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接，該方法包括以下步驟(1)將陸海重力數(shù)據(jù)預(yù)處理為陸海擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)；(2)陸海統(tǒng)一的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)格網(wǎng)化處理；(3)陸海統(tǒng)一的重力似大地水準(zhǔn)面計(jì)算；(4)利用陸地及海岸帶GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)提取陸海重力似大地水準(zhǔn)面系統(tǒng)差；(5)進(jìn)行系統(tǒng)差改正，實(shí)現(xiàn)一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法，其特征在于，所述步驟(1)中包括以下內(nèi)容a. 將海洋重力場(chǎng)數(shù)據(jù)處理為與陸地基準(zhǔn)一致的海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)，利用船測(cè)擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)檢核海洋擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)是否有系統(tǒng)差，如果有，則進(jìn)行系統(tǒng)差改正。b. 基于現(xiàn)有高精度地球重力場(chǎng)模型對(duì)地面擾動(dòng)重力與經(jīng)a步驟改正過(guò)的海洋擾動(dòng)重 力數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)差分析，并對(duì)海洋擾動(dòng)重力進(jìn)行系統(tǒng)差改正；c. 將海岸帶擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)經(jīng)同一重力場(chǎng)模型系統(tǒng)差修正后處理為與陸地基準(zhǔn)一致海 岸帶的擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法，其特征在 于，所述步驟(2)中，進(jìn)行陸海統(tǒng)一的布格擾動(dòng)重力格網(wǎng)化處理，并判斷格網(wǎng)化布格擾動(dòng)重 力數(shù)據(jù)在接邊處是否有跳變現(xiàn)象，如果陸海基準(zhǔn)一致，那么經(jīng)格網(wǎng)化處理的陸海統(tǒng)一的擾 動(dòng)重力數(shù)據(jù)在接邊處應(yīng)無(wú)跳變現(xiàn)象；如有跳變現(xiàn)象，則應(yīng)根據(jù)陸地?cái)_動(dòng)重力數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)探 測(cè)系統(tǒng)差大小，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)差改正。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法其特征在 于，所述步驟(3)中，采用了一種嚴(yán)密的Hotine積分奇異點(diǎn)的處理方法，奇異點(diǎn)處理公式為<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于擾動(dòng)重力的似大地水準(zhǔn)面陸海無(wú)縫拼接方法。本方法充分利用擾動(dòng)重力的不受局部高程基準(zhǔn)限制物理特性，以統(tǒng)一的地球參考橢球?yàn)樽鴺?biāo)參考框架，采用陸?；鶞?zhǔn)統(tǒng)一的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)與重力數(shù)據(jù)計(jì)算陸海統(tǒng)一的擾動(dòng)重力，將陸海統(tǒng)一的擾動(dòng)重力引入本發(fā)明提出的更為嚴(yán)密的算法，從而實(shí)現(xiàn)似大地水準(zhǔn)面的陸海無(wú)縫拼接。不同于現(xiàn)有利用重力異常和Stokes公式計(jì)算陸海高程異常的擬合算法，本方法在理論上是嚴(yán)密的，并能有效消除核函數(shù)奇異性所引起的結(jié)果誤差。
文檔編號(hào)G01C5/00GK101713649SQ20091021068
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者張利明, 李斐, 柯寶貴, 章傳銀 申請(qǐng)人:中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院