從2012國際測(cè)量師聯(lián)合會(huì)大會(huì)看國際大地基準(zhǔn)的新進(jìn)展

程鵬飛，王 華，2，成英燕

(1．中國測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830;2．武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079)

一、引 言

在大地測(cè)量中，大地基準(zhǔn)是一切測(cè)量活動(dòng)的參考依據(jù)。廣義上的大地基準(zhǔn)包括水平基準(zhǔn)和垂直基準(zhǔn)。水平基準(zhǔn)是以坐標(biāo)系統(tǒng)形式描述地面點(diǎn)的空間位置信息。垂直基準(zhǔn)是指高程基準(zhǔn)或深度基準(zhǔn)[1]。

目前全球有數(shù)百個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換不可避免地會(huì)造成精度損失。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的提高，地球形狀的測(cè)定日益準(zhǔn)確，相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)覆蓋范圍也越來越廣。1984世界大地坐標(biāo)系(WGS-84)的建立使地球上任何點(diǎn)位在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下描述，從而具有一致性。

垂直基準(zhǔn)從廣義上講是指高程參考面及確定這一參考面高度的各種方法的系統(tǒng)。常用的有利用平均海水面定義的潮汐基準(zhǔn)(tidal datum)、基于大地水準(zhǔn)面的重力基準(zhǔn)(gravimetric datum)或基于參考橢球的大地垂直基準(zhǔn)(geodetic vertical datum)。深度基準(zhǔn)是指水深測(cè)量及海圖所載深度的起算面[1]。通常取當(dāng)?shù)仄骄Ｃ嫦蛳乱欢ㄉ疃葹槠鹚忝?，即深度基?zhǔn)面。

近年美國的大地基準(zhǔn)建設(shè)取得的成就令人矚目，不但更新全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的參考框架為IGS08，同時(shí)還對(duì)水平基準(zhǔn)、垂直基準(zhǔn)進(jìn)行了系列更新與換代。新西蘭、澳大利亞等國家也對(duì)本國大地基準(zhǔn)進(jìn)行了精化或現(xiàn)代化。本文重點(diǎn)介紹了這些國家在大地基準(zhǔn)建設(shè)和現(xiàn)代化方面的舉措，從中探討我國大地基準(zhǔn)建設(shè)與發(fā)展的可借鑒之處。

二、水平基準(zhǔn)

1．1983北美基準(zhǔn) NAD83(2011，MA11，PA11)[2]

美國國家空間參考系統(tǒng)(NSRS)是可以提供經(jīng)度、緯度、大地高、尺度、重力、定向及整個(gè)美國的海岸線等信息的一致性坐標(biāo)系統(tǒng)。其水平基準(zhǔn)是NAD83，垂直基準(zhǔn)是1988北美垂直基準(zhǔn)(NAVD 88)。

因IGS05參考框架的速度傳播誤差日益增大及2008國際地球參考框架(ITRF2008)地面天線校準(zhǔn)集從igs05．a(chǎn)tx升級(jí)至igs08．a(chǎn)tx所帶來的點(diǎn)位坐標(biāo)變化，美國大地測(cè)量局(NGS)重新處理了1994年以來的所有GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)站和選定的國際衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)服務(wù)(IGS)全球跟蹤站數(shù)據(jù)。最后平差處理得到的站坐標(biāo)、速度及新確定的跟蹤站坐標(biāo)都?xì)w算至IGS08框架、2005．0歷元下。處理工作完成后，美國采用IGS08作為衛(wèi)星星歷和跟蹤站的全球參考框架。

2011年9月6日，NSRS采用最新地面參考框架實(shí)現(xiàn)——新1983北美基準(zhǔn)，正式命名為NAD83(2011，MA11，PA11)，歷元 2010．0。NAD83(2011，MA11，PA11)實(shí)際上是由3個(gè)獨(dú)立框架構(gòu)成，分別與3個(gè)板塊旋轉(zhuǎn)一致。NAD83(2011)框架固定于北美板塊;NAD83(MA11)框架與馬里亞納板塊固定;NAD83(PA11)固定于太平洋板塊。3個(gè)框架的實(shí)現(xiàn)也來自上述NGS多年CORS數(shù)據(jù)解算結(jié)果。

由于IGS08與ITRF2008兼容，只有個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)有輕微差別，IGS認(rèn)為ITRF2008和IGS08之間的14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)為零。因此，從IGS08到NAD83的轉(zhuǎn)換可看作為ITRF2008到NAD83的轉(zhuǎn)換。NGS同時(shí)公布了 NAD83(2011)、2010．0歷元和 IGS08、2005．0歷元下的所有CORS坐標(biāo)(如圖1所示)。

2．新西蘭大地基準(zhǔn)(NZGD2000)

2000新西蘭大地基準(zhǔn)(NZGD2000)是一個(gè)三維的半動(dòng)力基準(zhǔn)。在NZGD2000之前，新西蘭采用的是靜態(tài)基準(zhǔn)——1949 新西蘭大地基準(zhǔn)(NZGD1949)。由于新西蘭地處幾個(gè)地殼板塊交界地帶，經(jīng)常發(fā)生地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，靜態(tài)基準(zhǔn)不準(zhǔn)確，因而不適用[3]。NZGD2000參考框架是 ITRF96，參考?xì)v元2000．0，采用LINZ變形模型。NZGD2000是由35個(gè)CORS站和10萬個(gè)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的(如圖2所示)。

圖1 NGSCORS站點(diǎn)分布及水平精度

圖2 新西蘭CORS站點(diǎn)示意圖

半動(dòng)力基準(zhǔn)采用形變模型來改正坐標(biāo)和區(qū)域尺度的地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量觀測(cè)值的影響[4]。該形變模型可以將所有坐標(biāo)和觀測(cè)值歸算到所需歷元時(shí)刻，而非一定在NZGD2000參考?xì)v元下存儲(chǔ)[5]。NZGD2000提供GRS80橢球高，而非海平面高度。通過使用大地水準(zhǔn)面模型，可以建立橢球高與平均海平面基準(zhǔn)的聯(lián)系。

NZGD2000與WGS-84基本上一致，對(duì)使用GPS接收機(jī)的用戶意味著可以假設(shè)WGS84坐標(biāo)等同于NZGD2000坐標(biāo)。

3．澳大利亞地心基準(zhǔn)(GDA94)[6]

澳大利亞1994地心基準(zhǔn)(GDA94)是一個(gè)地固坐標(biāo)基準(zhǔn)。GDA94基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(AFN)由8個(gè)永久性GPS參考站組成。GDA94國家網(wǎng)絡(luò)(ANN)由70個(gè)站點(diǎn)組成，標(biāo)距500 km。公共點(diǎn)坐標(biāo)歸算至GDA94參考框架ITRF92，歷元1994．0，于1995年9月正式啟用。目前澳大利亞管理澳洲地區(qū)和南太平洋約100多個(gè)CORS站點(diǎn)(如圖3所示)。

為改善GDA94的完備性和準(zhǔn)確性，提升大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施，澳大利亞正準(zhǔn)備增設(shè)國家CORS系統(tǒng)。GNSS數(shù)據(jù)流將由澳大利亞地球科學(xué)局(GA)、新南威爾士州大學(xué)、科廷大學(xué)等機(jī)構(gòu)管理，方便用戶訪問的同時(shí)，也便于這些機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、協(xié)助發(fā)展區(qū)域參考框架的解決方案及GDA94現(xiàn)代化。

圖3 澳大利亞CORS站點(diǎn)示意圖

GDA94現(xiàn)代化的預(yù)期目標(biāo)是：到2020年，建立一個(gè)對(duì)齊到ITRF框架的現(xiàn)代化動(dòng)態(tài)大地基準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，澳大利亞目前正著手進(jìn)行一系列準(zhǔn)備工作，包括對(duì)AFN坐標(biāo)及其CORS系統(tǒng)分別精化和定義;為提高基準(zhǔn)使用周期，將已定義的二維靜態(tài)坐標(biāo)過渡基準(zhǔn)GDA2015沿用至2020年;開發(fā)和采用新的大地基準(zhǔn)框架管理和運(yùn)作模式。

三、垂直基準(zhǔn)

1．美國高程現(xiàn)代化[7]

為解決NAVD88更新代價(jià)昂貴、系統(tǒng)誤差過大的不足，NGS實(shí)施了國家高程現(xiàn)代化計(jì)劃，目標(biāo)是通過GNSS聯(lián)合傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)、遙感技術(shù)和重力數(shù)據(jù)，取代水準(zhǔn)測(cè)量，獲得更加準(zhǔn)確的高程[8]。“十年計(jì)劃”是NGS為大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化制定的官方政策，是長期發(fā)展戰(zhàn)略，確保定義和實(shí)現(xiàn)NSRS，維持動(dòng)態(tài)參考框架及更有效地為用戶提供NSRS服務(wù)。“十年計(jì)劃”首次用一種新方法定義垂直基準(zhǔn)，包括建立一個(gè)高精度的重力大地水準(zhǔn)面模型。參照此基準(zhǔn)的高程信息將具有準(zhǔn)確性、可靠性、現(xiàn)勢(shì)性和一致性。

“十年計(jì)劃”包含幾何(水平)基準(zhǔn)和重力位(垂直)基準(zhǔn)現(xiàn)代化。NAD83(2011，MA11，PA11)已于2012年初啟用，短期內(nèi)仍作為美國的官方幾何基準(zhǔn)。幾何基準(zhǔn)的橢球高分量將是定義重力位基準(zhǔn)的重要組成部分。橢球高到正高之間的轉(zhuǎn)換依賴重力大地水準(zhǔn)面模型。改善重力模型的關(guān)鍵是對(duì)整個(gè)美國進(jìn)行全面航空重力測(cè)量，這也是美國垂直基準(zhǔn)精化之重力項(xiàng)目(GRAV-D)最實(shí)質(zhì)性的階段，現(xiàn)已完成16%。GRAV-D目標(biāo)是生成精確到厘米級(jí)的重力大地水準(zhǔn)面高程模型，并且可與改進(jìn)的幾何參考框架聯(lián)合生成同樣改善的物理高度，實(shí)現(xiàn)既準(zhǔn)確又精確的新垂直基準(zhǔn)。初步結(jié)果表明GRAV-D有助于生成預(yù)期的1 cm精度大地水準(zhǔn)面模型。

2．新北美垂直基準(zhǔn)[9]

NGS最近一次更新其官方大地水準(zhǔn)面模型為2012美國重力大地水準(zhǔn)面(USGG2012)和GEOID12(混合大地水準(zhǔn)面模型中的最新版)。USGG2012是在ITRF2008、歷元2005．0下，其所得到的大地水準(zhǔn)面高用于IGS08坐標(biāo)即可獲得最能精確反映高度和高度變化的重力位高度。GEOID12是在NAD83(2011)、歷元2010．0下，用于NAD83和NAVD88之間轉(zhuǎn)換。NAD83與NAVD88間的系統(tǒng)誤差在GEOID12中真實(shí)反映，兩基準(zhǔn)雖然保持各自系統(tǒng)內(nèi)一致，但與其他參考系統(tǒng)間存在米級(jí)的不一致性。NAD83與當(dāng)前ITRF間的地球質(zhì)心偏差達(dá)2．2 m[10]，NAVD88 與地球重力場(chǎng)模型(EGM)間有1～2 m的偏差[11]。到2022年新垂直基準(zhǔn)啟用時(shí)，含有基準(zhǔn)系統(tǒng)誤差的混合大地水準(zhǔn)面模型將不再需要。

最近，NGS選出最佳重力位面適用數(shù)據(jù)位值是62 636 856．00m2/s2。這個(gè)值與國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)及國際地球自轉(zhuǎn)與參考系統(tǒng)服務(wù)組織(IERS)采用的數(shù)值相同，并且是全球MSL的最佳代表數(shù)值之一。加拿大將在2013年采納此位值，基于此位值的大地水準(zhǔn)面高程模型作為其官方垂直基準(zhǔn)。美國目前仍將NAD83與NAVD88作為NSRS官方基準(zhǔn)，2022年將采用新幾何基準(zhǔn);同時(shí)，新采用的垂直基準(zhǔn)將包含與幾何基準(zhǔn)相同的大地水準(zhǔn)面高度模型。

3．新西蘭垂直基準(zhǔn)

新西蘭的垂直基準(zhǔn)有3個(gè)：2009新西蘭垂直基準(zhǔn)(NZVD2009)、區(qū)域MSL基準(zhǔn)及2000新西蘭大地基準(zhǔn)(NZGD2000)。

NZVD2009是新西蘭及其離島的官方垂直基準(zhǔn)。其參考面是2009新西蘭似大地水準(zhǔn)面(NZGeoid2009)，高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)，正常重力場(chǎng)基于 GRS80。NZGD2000參考的是 GRS80橢球。NZGD2000橢球高與斯圖爾特島附近的MSL近似相等，而與其北部地區(qū)的 MSL差異約 35 m。NZVD2009定義了與現(xiàn)存13個(gè)區(qū)域MSL基準(zhǔn)間的高程轉(zhuǎn)換偏移量，可用于3個(gè)垂直基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換。

新西蘭最新實(shí)施的NZGeoid2009覆蓋了新西蘭大陸，由EGM2008聯(lián)合地面重力、衛(wèi)星重力觀測(cè)值及數(shù)字高程模型計(jì)算得出，以 1'×1'格網(wǎng)(約1．8 km)發(fā)布，預(yù)期精度 6 cm。NZVD2009 與NZGD2000一致，根據(jù)MSL基準(zhǔn)和發(fā)布的偏移量，NZGeoid2009可用于NZVD2009的正常高和NZGD2000/WGS84橢球高之間的轉(zhuǎn)換。新西蘭官網(wǎng)上免費(fèi)提供NZGeoid2009的下載文件，并提供在線轉(zhuǎn)換服務(wù)。

4．澳大利亞高程基準(zhǔn)

澳大利亞高程基準(zhǔn)(AHD)是由其周圍海岸線的32個(gè)驗(yàn)潮站確定的MSL作為AHD的零基準(zhǔn)面。但澳大利亞北部海岸海水(溫度高，密度小)比南部海岸海水(溫度低，密度大)高出約1 m，因此，AHD與大地水準(zhǔn)面相比，北部地區(qū)約高出0．5 m，而南部地區(qū)約低了0．5 m。

AUSGeoid09是澳大利亞最新的大地水準(zhǔn)面模型，于2011年4月正式發(fā)布，以1'×1'格網(wǎng)給出，用于GDA94橢球高和AHD高程之間的轉(zhuǎn)換。AUSGeoid09為用戶提供的是橢球與AHD之間的高程偏移量，在澳大利亞絕大部分地區(qū)精度為3 cm。

四、我國大地基準(zhǔn)建設(shè)

近年，我國大地基準(zhǔn)建設(shè)也取得了一系列成就。2008年7月1日，我國啟用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)[12]。國家測(cè)繪地理信息局組織對(duì)我國十一年(1999—2009年)的GPS框架點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)重新平差，獲得了這些框架點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)，將我國板塊劃分為7個(gè)一級(jí)板塊與20個(gè)二級(jí)板塊，建立了我國CGCS2000速度場(chǎng)模型。CGCS2000使定位結(jié)果精度由原來的幾十米提高到厘米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了我國水平基準(zhǔn)跨越式發(fā)展。為使CGCS2000及其框架具有現(xiàn)勢(shì)性，中國測(cè)繪科學(xué)研究院正在進(jìn)行CPMCGCS2000速度場(chǎng)模型格網(wǎng)化和高程時(shí)序分析。

2012年3月驗(yàn)收的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是我國在科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、數(shù)據(jù)資源共享上的又一成就。該網(wǎng)由260個(gè)連續(xù)觀測(cè)站和2000個(gè)不定期觀測(cè)站構(gòu)成，以GNSS觀測(cè)為主，VLBI、SLR、精密重力和水準(zhǔn)測(cè)量等技術(shù)手段為輔?？蔀槲覈箨懙貧み\(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、我國現(xiàn)代大地基準(zhǔn)的建立與維持、重力場(chǎng)形態(tài)及變化及空間氣象等系列科學(xué)問題提供基礎(chǔ)資料和產(chǎn)品。

2012年6月啟動(dòng)的國家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一期工程是我國迄今為止最大規(guī)模的、以維持國家大地坐標(biāo)框架為主要目的國家級(jí)CORS系統(tǒng)建設(shè)、國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)和衛(wèi)星大地控制網(wǎng)建設(shè)工程。工程將在全國范圍建成360個(gè)(含新建、改造現(xiàn)有的)國家CORS基準(zhǔn)站及4500點(diǎn)組成的衛(wèi)星大地控制網(wǎng)。并開展國家現(xiàn)代高程控制網(wǎng)建設(shè)，通過與CORS基準(zhǔn)站和衛(wèi)星大地控制網(wǎng)的結(jié)合，監(jiān)測(cè)大范圍高程變化，實(shí)現(xiàn)全國范圍的現(xiàn)代高程基準(zhǔn)傳遞。同時(shí)補(bǔ)充和完善國家重力基準(zhǔn)，在已有絕對(duì)重力點(diǎn)分布基礎(chǔ)上，選擇50個(gè)與新建CORS基準(zhǔn)站并置的重力基準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)成便于長期保存的分布合理的國家絕對(duì)重力基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，我國大部分省級(jí)大地水準(zhǔn)面精度可達(dá)5 cm，是全球少數(shù)能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)大地水準(zhǔn)面的國家之一。但各省用于精化大地水準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)和GPS橢球高的參考框架各不相同，不利于測(cè)繪信息資源共享和我國大地基準(zhǔn)建設(shè)。因此，工程二期將建立全國大地水準(zhǔn)面模型。期間，衛(wèi)星定位技術(shù)將逐步取代水準(zhǔn)測(cè)量，并逐步融入北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一體化的大地基準(zhǔn)設(shè)施建設(shè)。

五、結(jié)束語

縱觀美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家的大地基準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)，均是建立幾何基準(zhǔn)與垂直基準(zhǔn)相統(tǒng)一的測(cè)繪基準(zhǔn)。其中美國的大地基準(zhǔn)建設(shè)與發(fā)展最早，NAD83 已更新至 NAD83(2011，MA11，PA11)，到2022年美國將完成幾何基準(zhǔn)與物理基準(zhǔn)融合的新大地基準(zhǔn)。加拿大也將于2013年采用新垂直基準(zhǔn)。我國在大地基準(zhǔn)建設(shè)上雖然起步晚，但發(fā)展迅速。CGCS2000框架點(diǎn)坐標(biāo)已更新完畢，速度場(chǎng)模型也已建立。目前我國的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在實(shí)施，工程完成后，將會(huì)使我國大地基準(zhǔn)邁上一個(gè)新臺(tái)階，改變各省CORS系統(tǒng)框架和歷元不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，結(jié)合CPM-CGCS2000速度場(chǎng)模型，使全國的大地坐標(biāo)系真正統(tǒng)一到CGCS2000。大量的衛(wèi)星大地控制網(wǎng)點(diǎn)與國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)的共點(diǎn)布測(cè)，也將有利于今后高程控制網(wǎng)的監(jiān)測(cè)與維護(hù)，新的全國厘米級(jí)大地水準(zhǔn)面的實(shí)現(xiàn)，也必將使我國的高程基準(zhǔn)的發(fā)展與應(yīng)用達(dá)到新的水平，跨入世界先進(jìn)行列，真正建立屬于我國的幾何基準(zhǔn)與垂直基準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致的高精度、三維、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系。

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