无重力局部似大地水准面精化方法研究.docxVIP

无重力局部似大地水准面精化方法研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在现代测绘科学与地理信息技术中，高精度似大地水准面扮演着极为关键的角色，是GNSS高程转换的核心基准。从基础测绘角度来看，它为地形测量、地图绘制等提供了统一且精确的高程基准，确保不同地区测绘成果的无缝衔接与整合，对于构建全面、精准的地理信息数据库意义重大。在工程建设领域，无论是道路桥梁的铺设、高楼大厦的兴建，还是水利水电工程的规划实施，高精度的高程基准都是保障工程设计合理性、施工精准性的基础，直接关系到工程的质量与安全。在灾害监测方面，如地震、地面沉降、山体滑坡等地质灾害的监测，精确的高程数据变化分析有助于及时发现潜在危险，为灾害预警与防治提供关键依据。

传统的似大地水准面精化方法高度依赖重力数据，通过对重力场的精细测量与分析来构建似大地水准面模型。然而，这种方法在实际应用中面临诸多困境。重力成果往往涉及国家安全与重要战略信息，必威体育官网网址级别高，获取难度极大；即使能够获取，其获取成本也相当高昂，包括重力测量设备的购置、专业测量人员的配备以及大规模数据采集与处理所需的人力、物力和时间成本等。对于中小区域而言，重力数据稀疏问题突出，难以满足精化模型对数据密度和精度的要求，导致在这些区域应用传统方法时，精化结果的可靠性和精度大打折扣，无法满足实际需求。

无重力局部似大地水准面精化方法应运而生，成为解决上述难题的创新途径。该方法巧妙地剥离了对重力数据的依赖，主要借助几何观测数据，如GPS测量获取的高精度大地高信息，以及先进的地球重力场模型，通过独特的数据处理与模型构建算法，实现局部区域似大地水准面的精化。这种方法为中小区域高程基准的构建提供了新的技术手段，打破了重力数据限制的瓶颈，降低了精化成本，提高了精化效率，使得在重力数据匮乏的情况下，依然能够获得高精度的似大地水准面模型，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

（二）研究目标与核心问题

本研究聚焦于无重力条件下的局部区域，致力于探索一套高效、精准的似大地水准面精化方法，核心目标是通过多方面技术手段的优化与创新，实现厘米级精度的似大地水准面精化。

在GPS/水准数据处理方面，深入研究如何对GPS测量获取的大地高数据以及水准测量得到的正常高数据进行更精准、高效的处理。包括数据的质量控制，剔除异常数据，提高数据的可靠性；优化数据融合算法，充分挖掘两种数据的互补信息，使融合后的数据能更准确地反映区域高程特征。

地球重力场模型的应用也是关键环节。需要深入分析不同地球重力场模型的特点与适用范围，选择最适合局部区域精化的模型，并对模型进行合理的参数调整与优化，充分发挥模型在描述地球重力场中长波信息方面的优势，为似大地水准面精化提供坚实的理论基础。

拟合算法的选择与改进同样至关重要。研究不同的拟合算法，如多项式拟合法、多面函数拟合法、最小二乘配置法等，对比它们在局部区域似大地水准面精化中的性能表现，选择最契合的算法，并针对算法的不足之处进行改进创新，提高拟合的精度与稳定性，以实现厘米级精度的似大地水准面精化。

解决传统方法对重力数据的强依赖问题是本研究的核心所在。通过上述对GPS/水准数据处理、地球重力场模型应用及拟合算法的深入研究与优化，构建一套不依赖重力数据的局部似大地水准面精化体系，为相关领域提供高精度、低成本、易实施的似大地水准面精化解决方案。

二、理论基础与研究现状

（一）似大地水准面精化理论框架

1.基本概念与数学模型

在大地测量学领域，似大地水准面是一个极为重要的概念，它作为高程基准面，是构建精确高程系统的基石。从数学定义来看，似大地水准面精化的本质在于精确求解高程异常，其计算公式为ζ=H-h。其中，H代表通过GNSS测量技术获取的大地高，它是从地面点沿法线方向到参考椭球面的距离，能够精确反映地面点在空间中的位置高度；h则是利用水准测量方法得到的正常高，它是地面点沿正常重力线到似大地水准面的距离，是我国法定高程系统（正常高系统）中的关键参数。通过这一公式，高程异常得以确定，它实际上就是似大地水准面与参考椭球面之间的垂直距离。

构建区域高程异常模型是实现高精度似大地水准面精化的核心任务之一。这一模型通过对区域内大量离散点的高程异常数据进行分析、处理和拟合，建立起一个能够准确描述该区域高程异常分布规律的数学模型。在实际应用中，一旦建立了高精度的区域高程异常模型，便可以实现从GNSS大地高到正常高的快速、准确转换。这一转换过程极大地提高了高程测量的效率和精度，使得在进行地形测量、工程建设、地理信息系统（GIS）数据更新等工作时，无需再依赖传统的逐点水准测量方式。传统逐点水准测量不仅工作效率低下，且在地形复杂、交通不便的区域实施难度大、成本高，而基于似大地