大地测量学课件:大地测量与卫星定位系统研究发展08.ppt
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1、报告人:孟鲁闽2008、10 大地测量学大地测量学- 根据德国着名大地测量学家F.R. Helmert的经典定义,它是一门量测和描绘地球表面的科学。它也包括确定地球重力场和海底地形。 l 确定地球形状及其外部重力场及其随时间的变化,建立统一的大地测量坐标系,研究地壳形变(包括地壳垂直升降及水平位移),测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 l 研究月球及太阳系行星的形状及其重力场。 l 建立和维持具有高科技水平的国家和全球的天文大地水平控制网和精密水准网以及海洋大地控制网,以满足国民经济和国防建设的需要。l 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。 l 研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及
2、有关的大地测量计算。 l 研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理的理论和方法,测量数据库建立及应用等。 l几何大地测量学亦即天文大地测量学:它的基本任务是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。 l物理大地测量学也称理论大地测量学:它的基本任务是用物理方法(重力测量)确定地球形状(大地水准面形状)及其外部重力场。 l空间大地测量学:主要研究人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论,技术与方法。 l大地测量学的起源可以回溯到土地的划分,地产的界定即边界的制定和表示。其历史可以追溯到古埃及时代。 l公元前240年,亚历山大学者埃拉托色尼(Eratosthe
3、nes)进行了亚历山大城和赛尼城(Syene)(今阿斯旺)间的大地测量工作。利用日光估计了地球周长 。l11世纪阿拉伯帝国和纽伦堡的测量仪器的发展对大地测量学的发展具有十分重要的意义,同样重要的还有角度函数的发现及荷兰科学家斯涅耳(W.Snell)首创的三角测量法。 l在1740年,法国科学家通过对北欧城市拉普兰和科鲁的大地测量,确定了地球椭球的半径,由此开始了大范围的大地测量。 之后,为了使不同的投影与大地测量的结果能够更好的结合,高斯发展了平差计算方法。l大地测量学在19和20世纪的发展: l 米制单位和格林威治起始子无圈的导入,由石英表和无线电技术发展而来的全球时间系统。 l 大地水准面
4、测量,重力测量与物理大地测量学的横向联结。l 角度测量,距离测量等仪器精度百倍的提高。 l由1960年开始的、使全天候不间断测量成为可能的卫星大地测量:卫星全球定位系统(GPS)等。 l甚长基线干涉测量(VLBI)在大地动态测量及大地曲率中的应用。 l l这次国际大地测量协会(IAG)科学大会是联合了国际海洋物理科学协会(IAPSO)和国际生物海洋协会一起,于2005年8月在澳大利亚凯尔斯(Cairns)召开。会议名称为“动力行星2005”(Dynamic Planet 2005)。 l(一)空间大地测量分析研究的前沿;l(二)综合地面、卫星、航空和测高等方面的重力测量成果,在确定地球重力场时
5、空分辨率方面的进展;l(三)在地球动力学、潮汐、地形变,重力场时变等方面量测工作的进展;l(四)完善全球和地区性地面坐标参考框架的进展;l(五)全球大地测量观测系统(GGOS)和行星大地测量学;l(六)应用航空激光和雷达成像技术及其干涉系统、地球物理技术对灾害监测系统的建立和方法;l(七)利用空间大地测量技术进行大气的研究。l 这里重点对大会在确定地面坐标参考框架、地壳形变和地球重力场等大地测量主要基本任务方面的进展作一扼要介绍。 l国际地面坐标参考框架(ITRF)的精度在过去的十余年来已有了很大的提高。但它仍然是表现为这样的一种框架,即它是通过一组固定于地球表面而被认定为只作线性运动的大地点
6、的坐标来实现的。随着对大地测量成果及其应用方面所要求的精度越来越高,因此大地点点位的时变(非线性)就越来越受到关注。因此 ,今后要从地质和地球物理过程(如地壳运动,地质灾害,海洋潮汐负荷效应,大气气压负载效应,雪和土壤湿度影响,点位局部稳定性等方面)的研究找到对地面坐标参考框架的影响(大地点点位的时变情况-即非线性时变)。 l要采用大地测量多种技术手段对地面坐标参考框架点的点位时变进行研究,同时还应和天体参考框架(更大的坐标系统)如极移等结合起来,才能更好的发现大地点点位时变的各种原因,才能更好的完善如何测定它的技术方案。 lITRF2004和以前的ITRF不同,它将测站位置的时间系列和地极定
7、向参数(EOP)结合起来了。ITRF2004定义的主要特点表现在统一协调了原点、比例尺、定向及其时变等方面的问题。lITRF2004妥善处理了近来所测定的地心的运动,长度比例尺变化及其与测站垂直运动的耦合,以及ITRF2004符合全地球板块运动无净转(NNR)条件的精度等问题。新推出的ITRF2004还首次评估了框架自身的质量。 l在科学构建地面坐标参考框架中一个重要的因素,就是要选用正确的全球板块和形变带的模型。这次大会上推荐了Peter Bird 的一个新的全球板块和形变带的模型(PB2002)。PB2002模型对板块运动和地壳形变进行构模时,包括了总共有52个地球板块和13个造山带。这些
8、板块的运动学参数(如:相对地心的旋转参数等)则取自一些科研成果(如:地球物理板块速度模型NNR-NUVEL-IA等)。lPB2002的几何结构详细精确,它提供了用大地测量技术求定全球地表速度场的一个基础。PB2002模型中全球性测站运动的线性速度是由各种大地测量服务组织(IGS,ILRS,IVS,IDS)采用相应空间大地测量技术(GPS,SLR,VLBI,DORIS)提供的测量数据导出的。利用这些数据,用最小二乘平差计算这些板块(这些板块上至少有二个采用不同空间大地测量技术的测站)的旋转矢量。板块之间的形变区用最小二乘矢量拟合推估法(相当于有限元模型法)加以构模。由此得到的板块运动和地壳形变模
9、型,减去一个共同的全球旋转矢量,就转换为NNR模型(全地球板块运动无净转 ),它便可以作为确定地面坐标参考框架时的基础。 l从1994年起IGS开始处理和分析全球GPS跟踪网的数据,由于IGS分析中心的运作特点,对跟踪网中各个GPS站的数据处理时,不同站之间的数据在每天总有几个小时不同的延迟。因此在计算各种模型的历元值及其时变,或求定地面坐标参考框架时,都会引起与时间有关的各类参数在历元或时间序列方面的不协调。要解决这个问题最好的办法是对历年的全球各GPS跟踪站的数据按协调一致的时间再进行一次重新处理。目前已完成了对IGS全球197个GPS站1994年至2004年的GPS追踪数据重新统一进行计
10、算和分析。其实质就是对全球IGS网的历年所有GPS追踪资料,按统一的历元重新进行数据处理,以实现一个更完整的地面坐标参考框架。 l会上除了对改善地面坐标参考框架方面提出了各种意见外,有些大地测量学家再次提出了利用大地位(大地水准面位能值)来标定相对原子时的比例尺和全球高程参考系统。他们认为T/P卫星测高系统标志了求定大地位数Wo的一个新的历史时代。根据T/P在1993-2003年(11-414圈)的测高资料,对Wo的长期项变化进行了研究,Wo的凑整值为62636956.00.5m2s-2,这一数值已被国际天文学联合会IAU采用为定义LG(=Wo/c2)的数值,式中c为光速,LG是用于实现相对论
11、原子时(AT)的比例尺,由此确定的LG值为60969290134.10-10。基于上述Wo值的LG值已正式写入IERS2003(国际地球自转服务局)的规范。该规范有二个关于Wo的建议,一是将Wo作为标定全球高程参考系统(GVRS)的基本常数;还有一个建议是采用Wo、地心引力常数GM、地球自转速度、和地球引力位的二阶带球系数J2这四个值作为大地测量给定的物理常数,则椭球的长半轴a和扁率f可以作为大地测量导出常数。其中一条理由是ITRF2000采用Wo后的比例尺才可以和地心坐标时(GCT)保持一致。 l这次大会上对精化局域坐标参考框架也予以了关注。提供了定义于一个板块上的局域坐标参考框架的经验。要
12、求将局域坐标参考框架置于一个板块的稳定部位,这是出于这样一种需求:在这个相对稳定的坐标参考框架内,有利于对这一局域范围内的地壳运动进行地面点点位测量成果的相互比较,并有利于给出地球物理的解释。对“北美(坐标)参考框架(SNARF)之稳定”的研究得出定义局域坐标参考框架,应考虑以下几个方面问题:l(1)必须按地质和工程的“稳定标准” 选择“框架点”;l(2)“基准点”的选择要代表所在板块(块体)的稳定部分,并用它来定义NNR的条件;l(3)采用相当密集的GPS速度场来对板块内主要的块体运动进行构模。 l大会上还重点介绍了已采用局域地心三维坐标参考系统的新西兰的一些经验。新西兰大地基准2000(N
13、ZGD2000)是一种半动力基准,它所相应的参考框架点坐标都相应于历元2000年1月1日。这些坐标参考框架点的位移则是结合历元按当时给定的水平形变模型进行计算,因此用户需要某一时刻某一时刻的点坐标时,即按此形变模型推算而得。该形变模型是按1993年至1998年在新西兰的GPS观测数据推算得到的,形变模型的坐标参考框架采用ITRF96。l论述了该坐标参考系统存在的问题( ITRF96向ITRF2000转换等)和今后改进措施。l地球持续形变是多种因素造成的,其中包括长期的板块运动,在活动断层和板块边缘的地壳形变,日月潮汐,大气和海洋物质的运动和重新分布,地下水储量和冰雪层厚度的变化,地震,地核动力
14、作用,冰川的均衡调整等等。对地壳的长期性运动和形变过程的测量精度,在近十年来已有长足进步,这导致对地球动力学及其在岩石圈和上地幔中发生的地球物理过程有了新的了解和理解。综合应用地面和空间大地测量技术测量地球的长期和短期形变来推进和证实人类对地形变知识的科学性(这些技术包括地基的和空基的重力测量,对固体潮、海洋和大气潮汐的测量,对冰川的均衡调整,地壳和地震的形变测量等等)。 l有的大地测量学者从地球动力扁率(J2)的改变来评估冰川融化的加速。由于后冰期反弹(PGR)地球重力扁率的数值一直在减小,但从1997年开始,其数值有所增加,有的学者认为这是地球物质的全球规模的重新分布过程有了重大变化所引起
15、。根据研究,J2值的增加主要是由于近北极和近南极冰川的大量融解所引起。这些冰水进入到南太平洋和印度洋,从而导致J2值的增加。将冰川、大洋、大气和大陆水对J2的贡献,与其他大地测量结果作了比较,可以看出J2数值变动的一个主导原因是冰川溶解作用。l大会上报告了用地面和空间大地测量结合来测定同一个地区的地形变和重力场时变。例如用绝对重力测量和GRACE重力卫星测量计算芬诺斯坎底亚地区(芬兰、挪威、瑞典、和丹麦所在地区的总称)的重力与大地水准面的变化。用不同测量技术对后冰期反弹 PGR所伴随发生的现象进行观测,以相互检核和提高测量成果的可靠性。 l联合地面和空间大地测量数据来求定地球重力场及其时变,是
16、当前大地测量科学进展的一个重要标志。目前常常使用的重力数据是地面的、卫星的、航空的、和测高的重力数据,特别是从卫星所采集的重力数据,如CHAMP, GRACE, ERS1, ERS2, T/P, Envisat, Jason等,同时也充分利用了有利于构模的DEM资料,例如GTOPO30、SRTM1和SRTM3等。 l会上报告了美国国家地理空间情报局(NGA)正在研究构建一个新的地球重力场模型(EGM)。这个即将推出的新一代地球重力场模型将达到新一代地球重力场模型将达到2160阶次(分辨率更高的模型)阶次(分辨率更高的模型)。在过去几个月的主要工作是对所涉及的重要数据进行分析、检核、更新和改善。
17、这些数据包括基于SRTM信息所获得的全球高分辨率的30m的DTM,基于卫星测高数据导出的全球海域的重力异常,以及来自各个方面的大量的、不同类别的、不同精度的、不同置信度的地表重力数据(地面重力测量的,航空重力测量的,海洋重力测量的等)。此外还收集了各种可以用于检测的资料(包括GPS水准和垂线偏差等资料),以评价和改善上述各类数据的质量。由于地球上某些地区缺少高分辨率的重力数据,因而只能采用高分辨率的地形数据对此类地区的重力数据进行内插填充。根据目前的进程,可能要在2006-2007年才能完成全部此项构模工作。 l这次大会上还发布了一个最新版的全球高分辨率海洋重力场、平均海水面和海深模型-DNS
18、C05。这一海洋重力场的分辨率为11,覆盖了包括北冰洋在内的全球所有海域。 l在局域重力测量及局域重力场构模等方面,只用卫星重力数据在重力场构模的分辨率方面还是很难满足各方面的要求。从快速和经济而言,求定短波重力场信息最合适的技术还是航空重力测量,因为它比地面重力测量的效率高得多。但在航空重力数据转换方面还存在若干问题。近来在处理航空重力数据和将它转化为重力场函数方面,如转化为大地高等方面的技术有了新的进展。这一进展是基于地球重力场的谱表示(spectral representation)的技术。 l自GRACE重力卫星上天以来,美欧每月发布一次由GRACE卫星数据解算的新一轮地球重力场。会上
19、有些专家对这一由GRACE卫星解算的地球重力场“月报”的质量问题提出了思考。l通常认为GRACE每月的大地水准面模型的质量取决于GRACE的双卫星对地球重力场的敏感程度,并由此估算每月大地水准面模型的精度。但目前的现实是GRACE双星间基线长度的精度和GRACE地球重力场模型及其相应数据并不匹配。产生这一现象的原因是由构模过程中所采用的地球物理背景模型的误差所引起的。这些地球物理背景模型一直被应用于GRACE各种数据的归算中,而正是由于这些背景模型的误差,系统地影响了GRACE每月解算的成果的正确性,这是一个客观存在的实际情况,因此在GRACE每月解算一次所得的重力场或相应的大地水准面中,各种
20、地球物理模型误差对解算成果是有较大影响的。 l专家采用了不同途径验证了这一看法 。专家的结论是对当前使用的地球物理背景模型的改正值,例如超过一个月时间的海洋正压(barotropic)模型的恢复问题,不同海洋模型和气压模型的选择和考虑,采用更精确极潮的模型问题等等应作更仔细的研究,才能改善和精化GRACE每月的重力场及其每月的大地水准面的解算成果。因此认为目前一些科研单位对仅采用GRACE数据所解算的每月重力场的精度和可靠性评价都太高,由此对地面物质流的动态评估方面还要作更慎重的研究分析。l国际大地测量协会(IAG)于 2003年就在日本扎晃大会上提出和运作了一个全球性大地测量观测研究项目,即
21、”全球大地测量观测系统”(Global Geodetic Observation System, GGOS)。这次IAG大会更是将这一项目提高为IAG的旗舰(flagship)。lGGOS的目的是提供连续可靠的大地测量基本量及其变化的观测值,如:地面和空间点的位置、方向;地球大小和形状;地球自转和极移;地球重力场和上述这些量相应的时空变化。大地测量是测量地球及其时变的科学,GGOS是国际大地测量协会(IAG)当前的领先任务,它的目标是协调和整合各种大地测量的各种“测量”活动。l l协调协调意味着将大地测量观测技术和分析方法一起提高到在高科技水平上的相互协调,以保持一致。在同一地点的不同大地观测
22、技术必须相互联测和统一标准,这意味着大地测量观测数据在处理和分析时,应使用统一的规范、统一的技术标准、统一的模型、统一的参数等等。只有采用这样协调一致而得到的大地测量成果在同一个参考系统中才是一种相互相容的成果(由此,我国的大地坐标系统和作业规范也应与此相适应,要做许多工作。后面再讨论)。l整合整合的目的是将已有的大地测量监测地球系统的现象和过程的有关信息,整合成相互相容的处于同一个时段的大地测量成果。特别强调的是:要将大地测量中的几何和物理的观测数据,整合成在地球系统内,包括固体地球、水圈(大陆水,海洋,冰层)和大气,具有相互相容而又协调一致的参数、常数、模型、框架和系统。其中几何参数主要是
23、用于描述地球形状、地形变、自转及极移。物理参数主要描述地球重力场、地球质量分布及其迁移。 l根据IAG的这一新思路,“国际GPS服务(IGS)”最近修改了它的规范和服务范围。决定在2005年转变为“ 国际全球导航卫星系统(GNSS)服务”, 简称“国际GNSS服务(IGNSSS)”。这一改变反映了Galileo和GLONASS的存在和现实,也是反映了GPS本身的新发展。IGNSSS会继续它过去几年所提供的服务,如涉及导航卫星轨道服务、星钟数据服务,快速电离层服务等,在今后还将特别注意日常服务的质量控制。IGS曾积极跟踪了欧洲Galileo计划的进展,并参与了受联合国赞助的“国际GNSS委员会”
24、(IGC)的筹建。因此预期这一转变是会很顺利的。l大地测量学是地学领域中的基础性学科,是为人类的活动提供地球空间信息的学科。获取地球空间信息,合理利用空间资源,已成为当前社会经济发展战略的重要环节。大地测量学与地球科学多个分支互相交叉渗透,将为探索地球深层结构、动力学过程和力学机制服务。l中国大地测量近几年的新进展可从以下几个方面进行阐述:l1、坐标系统的建立、维护和更新;l2、卫星定位技术的发展应用;l3、地壳运动监测与大地测量地球动力学研究进展;l4、地球重力场研究与大地水准面精化研究进展。l大地坐标系是一种固定在地球上,随地球一起转动的非惯性坐标系。大地坐标系依其坐标系原点的位置不同而分
25、为地心坐标系和参心坐标系。地心坐标系地心坐标系的原点与地球质心(包括海洋、大气)重合,参心坐标系参心坐标系的原点与某一地区或某一国家采用的参考椭球的中心重合。国际上几乎所有发达国家都已采用地心坐标系地心坐标系,我国周边国家大多也采用地心坐标系,我国至今仍主要采用参心坐标系。l近年来,中国大地测量工作者除不断跟踪和研究国际地球参考框架ITRF的进展外,还不遗余力地研究和建设中国大地测量基准及地心坐标系。在中国的地心坐标系统框架建设方面,我们已做了一些工作,先后完成了2000国家GPS大地控制网以及全国天文大地网与空间大地网联合平差工程。这些大地测量科研工程为实现2000中国地心坐标系打下了坚实的
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