大地测量与导航团队在区域大地水准面精化研究中取得新进展

研究综述

       高程基准是国家测绘基准体系的重要组成部分，是海拔高程和空间位置的基本依据和起算数据。中山大学大地测量与导航团队瞄准国家高程基准现代化和数字化需求，针对厘米级数字高程基准建立这一研究热点，重点研究了基于“移去-恢复”法的大地水准面精化的难点问题，系统性研究了调和改正在区域大地水准面精化中的影响。研究方法被应用于美国科罗拉多山区，该区域是厘米级大地水准面解算试验区，目前有13个国家的14家单位采用不同的方法和技术解算了区域大地水准面，14家单位在该区域解算的最好精度为1.60 cm，我们的解算精度1.56 cm，达到国际先进水平。

论文简介

       基于“移去-恢复”技术的区域大地水准面精化的核心思想是，在重力异常观测量中移去其长波和短波分量，将剩余重力异常转化成剩余大地水准面，最后恢复移去的大地水准面长波和短波分量，进而得到最终的大地水准面模型。残差地形模型（RTM）通常被用于计算“移去-恢复”过程中由地形引起的短波重力场，但在地形起伏较大的区域，RTM的非调和问题将引入较大误差，对重力异常的影响可达200 mGal，对大地水准面的影响可达10 cm。目前国际上通用的调和改正方法主要有五种，分别是经典压缩法、基于Taylor 级数展开的解析延拓法、基于球谐分析的解析延拓法、完全调和改正法以及Kadlec分离调和改正法。上述方法存在三个主要问题亟需进一步研究：1）经典压缩法只推导了对重力异常的调和改正公式；2）五种方法基于不同的理论框架推导得到，但未做相互验证；3）五种方法停留在理论研究阶段，尚未评估它们对大地水准面精化的影响。

       针对上述问题，本研究推导了经典压缩法框架下大地水准面的调和改正公式，并以美国科罗拉多山区为研究对象，系统对比和评估了五种调和改正方法在重力场合成和大地水准面精化中的表现。研究结果表明，完全调和改正法与其他方法存在较大差异，且在大地水准面精化中的效果最差。最新给出的完全调和改正闭合解、Kadlec 分离调和改正法和经典压缩法的公式等价，结果一致。采用基于球谐分析的调和改正法所解算的大地水准面精度最高，其与GNSS水准数据的差异的标准偏差为1.62 cm。在恢复过程中，若考虑调和改正对大地水准面的影响，可进一步提高大地水准面的解算精度至1.56 cm，优于当前该区域国际最优解算精度1.60 cm。该成果对我国高程基准现代化具有借鉴意义，将为我国新一代数字高程基准建设、陆海高程基准统一提供理论和技术支撑。

       相关研究成果于2023年11月在国际大地测量领域顶刊《Journal of Geodesy》发表（中科院一区，IF=4.4），题为“On the harmonic correction in the gravity field determination ”。中山大学测绘科学与技术学院助理教授杨萌为论文第一作者，美国国家大地测量局（NGS） Xiaopeng Li博士为通讯作者，湘潭大学林淼博士、斯图加特大学邓小乐博士、中山大学冯伟教授、钟敏教授、俄亥俄州立大学CK Shum教授和NGS的Daniel Roman博士等为文章合作作者。该研究得到了国家自然科学基金（42104083，42004009）和广东省自然科学基金项目（2021A1515011425）等项目的支持。

原文信息

       Meng YANG, Xiaopeng LI, Miao LIN, Xiao-Le DENG, Wei FENG, Min ZHONG, C.K. SHUM, Daniel R. ROMAN, On the harmonic correction in the gravity field determination, Journal of Geodesy, 97, 106 (2023). 

       原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00190-023-01794-2

第一作者

       杨萌，助理教授，硕士生导师。2020年1月获得慕尼黑工业大学天文与物理大地测量学博士学位。主要研究方向为重力场建模理论与方法、多源数据融合理论和方法、行星重力场及反演、海洋重力场研究及应用等。

责编：许璐洁
一读：李虹辰
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审核发布：漆小萍