專利名稱：一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，屬于“大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程”學(xué)科中 的“物理大地測(cè)量學(xué)”技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，使用最多精度最高，并且使用最為廣泛的高程測(cè)量方法為水準(zhǔn)測(cè)量，通常規(guī) 定一、二等水準(zhǔn)測(cè)量需要進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量的同時(shí)需在相應(yīng)的水準(zhǔn)路線上測(cè)量重力數(shù)據(jù)， 而三、四等以及等外水準(zhǔn)測(cè)量則無需重力測(cè)量。我國的高程基準(zhǔn)網(wǎng)就是基于水準(zhǔn)測(cè)量建立 起來的。事實(shí)上，由于水準(zhǔn)測(cè)量固有的局限性使得在跨海高程傳遞中不能發(fā)揮作用。目前， 在近距離跨海高程傳遞中(一般小于IOkm)使用三角高程傳遞也能達(dá)到較高的精度效果， 而在更遠(yuǎn)的距離的跨海高程傳遞中由于大氣折光等多種因素影響，使得結(jié)果精度無法保 證?；?似)大地水準(zhǔn)面的高程傳遞原理是利用陸地和海洋重力異常數(shù)據(jù)，通過物理大 地測(cè)量原理計(jì)算陸地與所傳遞海島礁一致的高精度整體重力似大地水準(zhǔn)面數(shù)值模型，然后 利用計(jì)算區(qū)域內(nèi)的已知高程點(diǎn)，通過測(cè)量已知高程的GPS大地高和待測(cè)海島礁點(diǎn)的GPS大 地高，完成海島礁的高程傳遞。但目前該方法存在兩個(gè)問題。第一，衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)可以認(rèn)為 是全球基準(zhǔn)一致的數(shù)據(jù)，而重力異常數(shù)據(jù)由于使用了局部高程基準(zhǔn)而使得其與全球數(shù)據(jù)存 在系統(tǒng)偏差；第二，在海岸帶區(qū)域，由于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)精度較低，并且可用數(shù)據(jù)較少，因此需 要利用所有一切可利用資源才能滿足精度要求。本發(fā)明中，充分利用BurSa方法(利用GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和重力場(chǎng)模型確定高程基準(zhǔn) 垂直偏差的方法，具體參見BursaM.，et. al. Determination ofgeopotential differences between local vertical datums and realizationof a world height system. Stud. Geophys. Geod 2001 (45) : 127-132)的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算位差，利用位差改正局部重力異常數(shù)據(jù)，從 而使得陸海重力異常數(shù)據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一；在充分研究海岸帶數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了更為嚴(yán) 密的海岸帶重力場(chǎng)數(shù)據(jù)集成方法，該方法利用高精度數(shù)據(jù)控制低精度數(shù)據(jù)的思想，通過大 地測(cè)量專業(yè)熟知的平差理論實(shí)現(xiàn)幾種數(shù)據(jù)的高度集成應(yīng)用，同時(shí)本方法可以避免高精度數(shù) 據(jù)被低精度數(shù)據(jù)污染的可能性。本發(fā)明將在厘米級(jí)精度內(nèi)實(shí)現(xiàn)海島礁高程傳遞。

發(fā)明內(nèi)容
1、一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟1)各類重力數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一；2)各類重力數(shù)據(jù)的集成；3)基于Bur§a方法的陸地重力異常高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代改正；4)利用上述步驟中得到的最終陸地空間重力異常與海洋空間重力異常簡單幾何 拼接處理，形成陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)；5)按現(xiàn)有方法對(duì)陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理，形成陸海 一致的空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型；
6)利用空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型利用現(xiàn)有Molodensky公式直接計(jì)算重力似大 地水準(zhǔn)面；7)以重力似大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面，通過陸地高程已知點(diǎn)和海島高程未知點(diǎn)的 GPS大地高觀測(cè)，得到兩點(diǎn)的高程差，計(jì)算得到未知點(diǎn)的高程。2、本發(fā)明內(nèi)容1所述步驟2)中，關(guān)于各類重力數(shù)據(jù)的集成，其特征在于，提出了一 種基于經(jīng)典平差理論實(shí)現(xiàn)海岸帶各類重力數(shù)據(jù)集成的方法，其步驟為1)本發(fā)明所指的各類重力數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、航空重力數(shù)據(jù)、船測(cè)重力數(shù) 據(jù)、地面實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)，將各類重力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間重力異常，并統(tǒng)一到同一邊界面；2)將各類重力數(shù)據(jù)移去地形改正項(xiàng)；3)計(jì)算衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù)的重力異常水平梯度矢量；4)以地面重力異常計(jì)算得到水平梯度矢量作為真值，航空重力水平梯度矢量作為 觀測(cè)量，建立函數(shù)模型，按經(jīng)典平差方法計(jì)算航空重力梯度矢量改正數(shù)；5)利用水平梯度矢量改正數(shù)完成對(duì)航空重力異常數(shù)據(jù)的校正，并利用統(tǒng)計(jì)分析方 法完成與地面重力異常的系統(tǒng)差計(jì)算，并進(jìn)行系統(tǒng)差改正；6)用同樣的經(jīng)典平差方法利用船測(cè)重力數(shù)據(jù)完成對(duì)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的校正7)將重力異常集成數(shù)據(jù)恢復(fù)地形改正則分別得到陸地和海洋空間重力異常數(shù)據(jù)。3、一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，其特征在于，基于Bur§a方法的重力異常高程 基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代改正方法，其方法步驟為1)按Bur§a方法測(cè)定國家高程基準(zhǔn)與全球高程基準(zhǔn)的系統(tǒng)差；2)陸地空間重力異常的系統(tǒng)差改正，得到新的陸地空間重力異常；3)利用新的陸地空間異常計(jì)算陸地重力似大地水準(zhǔn)面；4)基于GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與陸地重力似大地水準(zhǔn)面，計(jì)算新系統(tǒng)差；5)計(jì)算得到的新系統(tǒng)差與1)步驟計(jì)算的系統(tǒng)差相減得到系統(tǒng)差改正數(shù)；6)利用系統(tǒng)差改正數(shù)校正2)步驟中計(jì)算得到的新的陸地空間重力異常數(shù)據(jù)，然 后利用此數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)算重力似大地水準(zhǔn)面，再次與GPS水準(zhǔn)點(diǎn)比較，得到新的系統(tǒng)差改正 數(shù)，依次循環(huán)，直到系統(tǒng)差改正數(shù)小于設(shè)計(jì)要求為止，此時(shí)，可以得到最終改正過的陸地空 間重力異常。


圖1海岸帶重力數(shù)據(jù)集成計(jì)算流程圖2基于Bur§a方法的重力異常高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代改正方法計(jì)算流程
具體實(shí)施例方式基于似大地水準(zhǔn)面的高程傳遞原理是以重力似大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面，以通過 陸地高程已知點(diǎn)和海島高程未知點(diǎn)的GPS大地高觀測(cè)，得到兩點(diǎn)的高程差，計(jì)算得到未知 點(diǎn)的高程，從而實(shí)現(xiàn)高程傳遞。如果區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精度較高，則可以借助GPS技術(shù)測(cè)量 得到的高精度大地高求解得到測(cè)點(diǎn)高精度高程值。因此基于似大地水準(zhǔn)面的高程傳遞方法 的關(guān)鍵在于確定高精度的似大地水準(zhǔn)面。在陸地區(qū)域，重力數(shù)據(jù)一般具有較好的精度和分 辨率并且基準(zhǔn)一致而使數(shù)據(jù)集成問題變得簡單。當(dāng)完全處于空曠海域， 于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)具有較高精度亦使問題單一化。而在海岸帶區(qū)域，由于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)精度較低，地面實(shí)測(cè)重 力數(shù)據(jù)與船測(cè)重力數(shù)據(jù)相對(duì)較少，有些區(qū)域會(huì)有航空重力數(shù)據(jù)，使得海岸帶數(shù)據(jù)集成處理 變得非常復(fù)雜。本發(fā)明的兩點(diǎn)創(chuàng)新在于1、基于Bur§a方法的重力異高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代 改正算法(圖1)，可以消除局部高程基準(zhǔn)與全球高程基準(zhǔn)之間的系統(tǒng)差；2、海岸帶重力數(shù) 據(jù)集成處理，將經(jīng)典平差方法引入到重力數(shù)據(jù)的集成計(jì)算(圖2)。具體實(shí)施方法和步驟為一、各類重力數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一；本發(fā)明所指的各類重力數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一，是將全部參與大地水準(zhǔn)面精化的陸海重 力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)一致的地心坐標(biāo)系中，并采用的統(tǒng)一潮汐基準(zhǔn)，我國一般采用無潮汐基 準(zhǔn)。二、各類重力數(shù)據(jù)的集成；1)本發(fā)明所指的各類重力數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、航空重力數(shù)據(jù)、船測(cè)重力數(shù) 據(jù)、地面實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)，將各類重力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間重力異常，并統(tǒng)一到同一邊界面，本發(fā) 明所指的邊界面為地球表面；另外本集成數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)形式存在。2)將各類重力數(shù)據(jù)移去地形改正項(xiàng)；對(duì)地形改正項(xiàng)的計(jì)算既可采用平面地形改正公式，又可采用球面地形改正公式。 然后直接在各類重力數(shù)據(jù)上減去地形改正項(xiàng)，這樣做會(huì)使各類重力數(shù)據(jù)變得較為平滑。3)計(jì)算衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù)的重力異常水平梯度矢量；本步驟所指的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù)已經(jīng)移去了地形改正項(xiàng)，即是上兩步 驟基礎(chǔ)上的結(jié)果。衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù)的重力異常水平梯度矢量算法為相鄰兩點(diǎn) 數(shù)據(jù)的差分即為梯度矢量。4)以地面重力異常計(jì)算得到水平梯度矢量作為真值，航空重力水平梯度矢量作為 觀測(cè)量，建立函數(shù)模型，按經(jīng)典平差方法計(jì)算航空重力梯度矢量改正數(shù)；地面重力異常數(shù)據(jù)一般精度要遠(yuǎn)高于航空重力數(shù)據(jù)，地面重力異常的水平梯度矢 量算法為地面兩點(diǎn)間的重力異常，理當(dāng)精度也高于航空重力梯度矢量數(shù)據(jù)，因此將其作為 控制數(shù)據(jù)(真值)航空重力水平梯度矢量數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值，完全參照水準(zhǔn)網(wǎng)平差方法建立 函數(shù)模型和求解方式，以距離為定權(quán)，求得航空重力梯度矢量的改正數(shù)。平差方法及過程和 原理完全與水準(zhǔn)網(wǎng)平差一致。5)利用水平梯度矢量改正數(shù)完成對(duì)航空重力異常數(shù)據(jù)的校正，并利用統(tǒng)計(jì)分析方 法完成與地面重力異常的系統(tǒng)差計(jì)算，并進(jìn)行系統(tǒng)差改正；利用上述計(jì)算得到改正數(shù)完成對(duì)航空重力水平梯度矢量的改正，并按水平梯度矢 量校正航空重力異常；利用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算地面重力異常與經(jīng)校正的航空重力異常系統(tǒng)偏 差，并進(jìn)行系統(tǒng)偏差改正。6)用同樣的經(jīng)典平差方法利用船測(cè)重力數(shù)據(jù)完成對(duì)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的校正；按上述4)_5)步驟中相同方法完成對(duì)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的校正，即將船測(cè)重力數(shù)據(jù)的 水平梯度矢量作為真值，對(duì)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。7)將重力異常集成數(shù)據(jù)恢復(fù)地形改正則分別得到陸地和海洋空間重力異常數(shù)據(jù)。在上述3)_7)步驟中，各類重力數(shù)據(jù)已經(jīng)移去地形改正，因此這步驟就要恢復(fù)地 形改正項(xiàng)，即在重力數(shù)據(jù)上加上地形改正項(xiàng)，則分別得到陸地和海洋空間重力異常。三、基于BurSa方法的陸地重力異常高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代改正；
1)按Bur§a方法測(cè)定國家高程基準(zhǔn)與全球高程基準(zhǔn)的系統(tǒng)差；2)陸地空間重力異常的系統(tǒng)差改正，得到新的陸地空間重力異常；3)利用新的陸地空間異常計(jì)算陸地重力似大地水準(zhǔn)面；4)基于GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與陸地重力似大地水準(zhǔn)面，計(jì)算新系統(tǒng)差；5)計(jì)算得到的新系統(tǒng)差與1)步驟計(jì)算的系統(tǒng)差相減得到系統(tǒng)差改正數(shù)；6)利用系統(tǒng)差改正數(shù)校正2)步驟中計(jì)算得到的新的陸地空間重力異常數(shù)據(jù)，然 后利用此數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)算重力似大地水準(zhǔn)面，再次與GPS水準(zhǔn)點(diǎn)比較，得到新的系統(tǒng)差改正 數(shù)，依次循環(huán)，直到系統(tǒng)差改正數(shù)小于設(shè)計(jì)要求為止，此時(shí)，可以得到最終改正過的陸地空 間重力異常(離散點(diǎn)形式)。四、利用上述步驟中得到的最終陸地空間重力異常與海洋空間重力異常簡單幾何 拼接處理，形成陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)；本發(fā)明所指的簡單拼接是指將陸地空間重力異常與海洋空間重力異常，將這些以 離散點(diǎn)形式存在的文件，經(jīng)統(tǒng)一格式后(例如格式可以為點(diǎn)號(hào)，經(jīng)度，緯度，空間重力異常 值。只要格式統(tǒng)一即可)，將兩個(gè)格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)拷貝到一個(gè)文件，則完成簡單拼接。五、按現(xiàn)有方法對(duì)陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理，形成陸 海一致的空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型；六、利用空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型利用現(xiàn)有Molodensky公式直接計(jì)算重力似 大地水準(zhǔn)面；七、以重力似大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面，通過陸地高程已知點(diǎn)和海島高程未知點(diǎn) 的GPS大地高觀測(cè)，得到兩點(diǎn)的高程差，計(jì)算得到未知點(diǎn)的高程。未知點(diǎn)高程Hb 計(jì)算公式為Hb = Ha+ [ (hB- ζ Β) - (hA- ζ A)]其中，B代表未知高程點(diǎn)，A代表已知高程點(diǎn)，hA、hB分別代表已知點(diǎn)和未知點(diǎn)的大 地高，ζΑ、ζ Η分別代表已知點(diǎn)和未知點(diǎn)的高程異常，HA、Hb分別代表已知點(diǎn)和未知點(diǎn)的高 禾呈。
權(quán)利要求
一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟1)各類重力數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一；2)各類重力數(shù)據(jù)的集成；3)基于方法的陸地重力異常高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差迭代改正；4)利用上述步驟中得到的最終陸地空間重力異常與海洋空間重力異常簡單幾何拼接處理，形成陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)；5)按現(xiàn)有方法對(duì)陸海一致的海島礁空間重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理，形成陸海一致的空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型；6)利用空間重力異常格網(wǎng)數(shù)值模型利用現(xiàn)有Molodensky公式直接計(jì)算重力似大地水準(zhǔn)面；7)以重力似大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面，通過陸地高程已知點(diǎn)和海島高程未知點(diǎn)的GPS大地高觀測(cè)，得到兩點(diǎn)的高程差，計(jì)算得到未知點(diǎn)的高程。FSA00000144292000011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟2)中，關(guān)于各類重力數(shù)據(jù)的集成，其特征在于，提出了一種 基于經(jīng)典平差理論實(shí)現(xiàn)海岸帶各類重力數(shù)據(jù)集成的方法，其步驟為1)本發(fā)明所指的各類重力數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、航空重力數(shù)據(jù)、船測(cè)重力數(shù)據(jù)、地 面實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)，將各類重力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間重力異常，并統(tǒng)一到同一邊界面；2)將各類重力數(shù)據(jù)移去地形改正項(xiàng)；3)計(jì)算衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù)的重力異常水平梯度矢量；4)以地面重力異常計(jì)算得到水平梯度矢量作為真值，航空重力水平梯度矢量作為觀測(cè) 量，建立函數(shù)模型，按經(jīng)典平差方法計(jì)算航空重力梯度矢量改正數(shù)；5)利用水平梯度矢量改正數(shù)完成對(duì)航空重力異常數(shù)據(jù)的校正，并利用統(tǒng)計(jì)分析方法完 成與地面重力異常的系統(tǒng)差計(jì)算，并進(jìn)行系統(tǒng)差改正；6)利用上述3)-5)步驟中的方法，利用船測(cè)重力數(shù)據(jù)完成對(duì)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的校正；7)將重力異常集成數(shù)據(jù)恢復(fù)地形改正則分別得到陸地和海洋空間重力異常數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟3)中，其特征在于，基于BurSa方法的重力異常高程基準(zhǔn) 系統(tǒng)差迭代改正方法，其方法步驟為1)按Bur§a方法測(cè)定國家高程基準(zhǔn)與全球高程基準(zhǔn)的系統(tǒng)差；2)陸地空間重力異常的系統(tǒng)差改正，得到新的陸地空間重力異常；3)利用新的陸地空間異常計(jì)算陸地重力似大地水準(zhǔn)面；4)基于GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與陸地重力似大地水準(zhǔn)面，計(jì)算新系統(tǒng)差；5)計(jì)算得到的新系統(tǒng)差與1)步驟計(jì)算的系統(tǒng)差相減得到系統(tǒng)差改正數(shù)；6)利用系統(tǒng)差改正數(shù)校正2)步驟中計(jì)算得到的新的陸地空間重力異常數(shù)據(jù)，然后利 用此數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)算重力似大地水準(zhǔn)面，再次與GPS水準(zhǔn)點(diǎn)比較，得到新的系統(tǒng)差改正數(shù)，依 次循環(huán)，直到系統(tǒng)差改正數(shù)小于設(shè)計(jì)要求為止，此時(shí)，可以得到最終改正過的陸地空間重力 異常。
4.一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，其應(yīng)用范圍不僅僅限于海島礁高程傳遞，在單一 陸地和單一海洋上，本方法能被獨(dú)立使用。
全文摘要
一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，屬于大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明專利。水準(zhǔn)測(cè)量是目前高程傳遞最直接有效精度最高并且使用最為廣泛的方法，然后在一些特殊區(qū)域卻影響了其使用范圍，例如在海島礁高程傳遞中，水準(zhǔn)測(cè)量因在海面上無法穩(wěn)定使用水準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備而使得利用水準(zhǔn)儀直接測(cè)量高程的方法不可用?；诖?，本發(fā)明提出了一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，該方法通過陸地、海岸帶、海島重力數(shù)據(jù)的高度集成，通過高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差改正的空間重力異常數(shù)據(jù)計(jì)算陸地與所傳遞海島礁一致的高精度整體重力似大地水準(zhǔn)面數(shù)值模型，最后利用計(jì)算區(qū)域內(nèi)的已知高程點(diǎn)，通過測(cè)量已知高程的GPS大地高和待測(cè)海島礁點(diǎn)的GPS大地高，完成海島礁的高程傳遞。
文檔編號(hào)G01C5/00GK101957193SQ20101019862
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者丁劍, 張利明, 柯寶貴, 秘金鐘, 章傳銀 申請(qǐng)人:中國測(cè)繪科學(xué)研究院