确定全球厘米级精度大地水准面的研究

大地水准面可为测绘科学和地球科学诸多领域提供基础信息，确定一个高分辨率厘米级精度的全球大地水准面已成为本世纪大地测量学科全局性战略目标。本课题基于不同于经典的Stokes理论、Molodensky理论和Bjerhammar理论的全新理论研究确定全球厘米级大地水准面的问题，主要研究内容包括：精化CRUST2.0模型，建立较为准确的全球地表浅层密度模型；推导楔形体引力位的闭合公式；研究利用DEM构造地表浅层空间模型时对DEM分辨率的要求及地表浅层内部界面的选取；研究利用虚拟压缩恢复法重构可收敛至地表的重力场模型和所涉及全球积分的高效快速算法以及地表浅层内部引力位的确定；大地水准面方程快速解算和精度分析评估。本课题创新之处在于首次提出利用重力场模型和平均海面模型、基于大地水准面经典定义顾及地形及其密度分布影响确定厘米级全球大地水准面的问题、实现方案及相应算法，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

大地水准面定义为最接近平均海水面的重力等位面，是最为接近地球真实形状的自然表面，是定义正高高程系统的高程基准面，又是一个能反映地球内部结构和密度分布特征的物理面，可为地学研究、国民经济发展以及国防建设提供亟需的基础信息。确定大地水准面的研究已经开展了一个多世纪，在本世纪仍然是物理大地测量学科的主要任务，确定一个高分辨率高精度的全球大地水准面已成为本世纪大地测量学科全局性的战略目标。本课题基于不同于经典的Stokes理论、Molodensky理论和Bjerhammar理论的全新理论研究确定全球厘米级大地水准面的问题，取得的主要成果如下：(1)基于DTM2006.0, DNSC08及CRUST2.0模型，建立了地表浅层三维空间、密度模型，研究了地表浅层引力位建模方法及相关快速算法；(2)基于新理论方法，结合EGM2008，DTM2006.0以及CRUST2.0，确定了5′×5′新疆西藏区域大地水准面。检核结果显示， 在新疆境内其精度为17.9cm，优于EGM2008大地水准面2cm；(3) 确定了5′×5′的全球大地水准面，与全球分布的GPS水准数据比较结果显示，总体上计算大地水准面优于EGM2008大地水准面5mm. 在美国区域，计算大地水准面与GPS水准数据差值的标准差为29.3cm，稍优于EGM2008大地水准面的29.6cm. 而在美国西部山区，计算大地水准面与GPS水准点差值的标准差为18.6 cm，较EGM2008 的20.4cm有明显改进。在澳大利亚地区，计算大地水准面、EGM2008大地水准面非常接近. 在欧洲区域，与GPS水准数据集的比较结果显示，计算大地水准面差值的标准差为39.7cm，优于EGM2008大地水准面9mm. 在中国地区，EGM2008大地水准面的精度为25.2cm，而计算大地水准面的精度为24.5cm，优于EGM2008大地水准面大约7mm；(4)详细分析了基于新方法确定大地水准面的主要误差源的影响，研究了削弱误差源影响的可行方案；(5) 基于计算大地水准面估算了珠峰高程，结果为8844.58m，比基于EGM2008模型的结果更接近2005年国家测绘地理信息局发布的权威值8844.43m. 提出了基于新理论方法精化地壳内部密度结构的“剥离法”，同时探讨了基于新理论方法确定的大地水准面在高程基准统一中的应用。

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