利用卫星测高技术确定浙江海域大地水准面

梁子亮,岳建平,吕志才,吉渊明

(1 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 310012)

利用卫星测高技术确定浙江海域大地水准面

梁子亮1,岳建平1,吕志才1,吉渊明2

(1 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 310012)

利用多颗卫星的测高数据，经共线平均及交叉点平差，建立浙江深海海域2.5′×2.5′格网分辨率的平均海面高模型，在扣除海面地形影响后得到海域的大地水准面起伏，并与EGM2008所得计算结果进行对比；利用移去-恢复技术及SVR方法，联合验潮站GPS/水准数据与EGM2008大地水准面模型，计算浙江近岸海域大地水准面起伏；最终建立浙江海域2.5′×2.5′格网分辨率的大地水准面模型。

卫星测高；大地水准面；平均海面；EGM2008；移去恢复

大地水准面的概念是随着测量精度的提高而改变的。在相当长的一段时间内，平均海面被视为重力等位面，并且与大地水准面重合。近20年来的研究表明，平均海面并不具有这种性质，其相对于大地水准面的起伏被称为海面地形，全球变化幅度为±(1～2) m[1],在平均海面中扣除海面地形的影响即可得到海域大地水准面。

卫星测高以其能提供丰富海面高信息的特点，在平均海面的研究中被广大学者广泛采用，如何联合处理多代测高卫星数据，成为计算高精度、高分辨率平均海面高模型的关键技术[2]。本文联合Envisat数据、Envisat新轨道数据、ERS-1数据、ERS-2数据、T/P数据、T/P新轨道数据、Jason-1数据、Jason-1新轨道数据、Jason-2数据和GFO数据，建立浙江海域深海2.5′×2.5′格网分辨率的平均海面高模型，在减去MDT_CNES-CLS09 (http://www.aviso.oceanobs.com/)全球海面地形模型值后，得到深海海域的大地水准面起伏。

在近岸区域，陆地对测高卫星的影响较大，其测高数据含有较大误差，由卫星测高数据确定的平均海面的可靠性不佳，且目前已有的全球海面地形模型在近岸海域存在系统差的几率较大[1]，因此近岸海域更难从平均海面中分离出海面地形。本文联合近海验潮站的GPS/水准数据，利用移去-恢复及SVR方法计算近岸海域的大地水准面起伏。

1 平均海面的计算

1.1 测高数据

卫星测高数据采用了Aviso发布的DT CorSSH产品，该数据由 Ssalto/Duacs开发，并由AVISO发布，产品提供了包括波高和后向散射系数等多项参数，且所有卫星测高数据的基准均已统一到与T/P、Jason-1、Jason-2测高卫星相同的坐标框架上。

由图1可见，所采用的测高数据密度较高，且分布也较均匀，可以满足模型2.5′×2.5′分辨率的要求。

图1 测高数据分布图

1.2 共线平均

共线平均是一种减小卫星轨道误差并确定平均海面的方法，其基本原理为通过固定的参考轨迹来确定其它周期相对应弧段上同纬度点的经度及其海面高。经过推导可以得到一组上升及下降弧段统一的计算公式[3]为

(1)

(2)

式中:λP为P点经度，φP为P点纬度，λQ为Q点经度，φQ为Q点纬度，φO为O点纬度，HP为P点海面高，HQ为Q点海面高，D为共线弧的斜率，λ为O′点经度，H为O′点海面高。

参考式(1)、式(2)，共线平均的具体步骤如下[4]：①分别对各卫星的测高数据进行共线平均；②剔除与平均值之差的绝对值大于1 m的海平面观测值；③重新计算新的平均海面高，并形成各测高卫星的平均轨道。对测高数据进行共线平均不仅可以减弱海面高的时变影响，还可以减弱在某一特定时期发生的大范围海洋学异常现象所引起的海平面异常变化。

1.3 交叉点平差

本文利用验后平差方法进行多种测高数据联合交叉点平差。平差中，除径向轨道误差以外，将其他误差源也包含在假定的误差模型中。由于本文研究区域较小，各个弧段上交叉点较少，因此采用线性函数和傅里叶函数之和作为回归数学模型。考虑到十类测高数据基准均统一在Jason-1、Jason-1新轨道以及Jason-2所在的坐标框架，且该框架RMS较小，本文认为：Jason-1、Jason-1新轨道以及Jason-2所在平均框架的测高值含有十类数据中最少的中长波误差，因此，采用Jason-1、Jason-1新轨道以及Jason-2的框架作为平均框架来改正其他测高数据平均框架，从空域上削弱中长波误差。平差前后交叉点不符值精度(RMS)如表1所示(“-”代表该卫星未形成交叉点)。

由表1可知，交叉点平差后，各卫星交叉点的精度(RMS)均有所提高。由此可知，通过交叉点平差，不仅提高了各卫星数据的径向轨道精度，而且也较系统地统一了各种数据的参考基准。

表1 平差前后交叉点不符值RMS m

1.4 格网化方法比较

为了获得较高的格网化精度，利用Surfer 11软件选取多种方法进行了测高数据的格网化，并进行交叉验证，交叉验证结果见表2。

表2 交叉验证统计

由表2可知，最小曲率法格网化精度最好，其绝对值偏差平均值、RMS、STD均为最小。故最终选取最小曲率法对测高数据进行格网化。为了避免近岸与深海大地水准面模型拼接时再次进行格网化带来的误差，在对深海大地水准面进行插值的同时，计算了近岸的格网坐标。

2 大地水准面的计算

2.1 深海大地水准面的计算

EGM2008是美国国家地理空间情报局(NGA)发布的超高阶全球重力场模型，该模型在计算时综合考虑了最新的卫星测高、卫星重力和地面重力数据，模型的阶次完全至2159阶[5]，近年来的研究表明，该模型在我国深海海域具有较高的精度[6]。

深海大地水准面由格网点平均海面高减去格网点海面地形模型值计算，其中海面地形模型采用CNES-CLS09模型。为了检核计算结果，将所得大地水准面起伏与EGM2008计算所得大地水准面起伏进行比较，结果见表3。

表3 数据比较结果

从表3可以看出，计算所得的浙江深海海域大地水准面起伏与EGM2008所得数值差值的标准差是±0.085 39 m，RMS为±0.085 52 m。由此可见，本文所建立的浙江深海大地水准面起伏模型是正确的，精度可靠。

2.2 近岸海域大地水准面的计算

本文采用移去-恢复方法计算近岸大地水准面起伏，参考模型为EGM2008重力场模型，具体做法为[9]：①以EGM2008重力场模型作为参考场，采用移去-恢复原理[10-11]从验潮站数据中扣除EGM2008模型大地水准面起伏，得到剩余大地水准面起伏Nres；②采用SVR插值方法，训练剩余大地水准面起伏Nres，并以局部拟合半径为2倍格网间距在格网点上进行插值，若在拟合的范围内少于1个观测值，则舍去该点；③将网格剩余大地水准面起伏和EGM2008重力场模型的格网值Nmod相加，恢复得到浙江近岸大地水准面模型。

利用Surfer11软件将沿海与深海大地水准面模型进行拼接，并绘制成等高距为1 m的等值线栅格图(L，B，N)，如图2所示。

图2 平均海面等值线图

3 结 论

本文研究了联合处理多代测高卫星数据的方法。通过共线平均，在时域上削弱了测高数据短波误差的影响，通过以Jason-1、Jason-2平均框架作为参考框架来强制改正其余卫星数据，从空域上削弱了中长波误差的影响。研究了数据格网化的方法，建立了浙江深海海域2.5′×2.5′格网分辨率的平均海面高模型，并计算了近岸的格网坐标。研究了利用海面高模型与海面地形模型计算深海大地水准面的方法，并将所得大地水准面模型与EGM2008计算所得大地水准面模型进行了比较，所得差值的均方根标准差(STD)为±0.085 39 m，均方根(RMS)为±0.085 52 m。利用移去-恢复技术及SVR方法，联合验潮站GPS/水准数据与EGM2008大地水准面模型，计算了浙江近岸海域大地水准面，最终联合深海数据建立了浙江海域2.5′×2.5′格网分辨率的大地水准面模型。

[1]陈俊勇，李建成，晁定波，等. 我国海域大地水准面的计算及其与大陆大地水准面拼接的研究和实施[J]. 地球物理学报， 2003，46(1): 31-35.

[2]邓凯亮，暴景阳，许军，等. 用强制改正法建立中国近海平均海平面高模型[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2008，33(12): 1283-1287.

[3]姜卫平. 卫星测高技术在大地测量学中的应用[D]. 武汉：武汉大学, 2001.

[4]姜卫平，李建成，王正涛. 联合多种测高数据确定全球平均海面WHU2000[J]. 科学通报， 2002，47(15):1187-1191.

[5]束蝉方，李斐，郝卫峰. EGM2008模型在中国某地区的检核及适用性分析[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2011，36(8): 919-922.

[6]胡淑梅. 卫星测高反演海域重力异常和大地水准面的研究[D]. 阜新：辽宁工程技术大学, 2012.

[7]陈德忠，赵亮，何书静，等. BP神经网络和SVR用于GPS高程拟合研究分析[J]. 测绘地理信息，2012，37(5): 47-49.

[8]翟振和，魏子卿，吴富梅，等. 利用EGM2008位模型计算中国高程基准与大地水准面间的垂直偏差[J]. 大地测量与地球动力学，2011，31(4): 116-118.

[9]邓凯亮，暴景阳，章传银，等. 联合多代卫星测高数据建立中国近海垂线偏差模型[J]. 海洋测绘，2008，28(3): 15-17.

[10]刘晓刚, 刘雁雨, 曹纪东, 等. GPS水准采用移去恢复技术拟合大地水准面方法的研究[J]. 测绘工程, 2008, 17(3): 70-73.

[11]谷延超, 范东明. 顾及EGM2008和残差地形模型的GPS高程转换方法研究[J].测绘工程, 2013, 22(2): 26-29.

[责任编辑：刘文霞]

Determination of geoid model in zhejiang costal waters by using satellite altimetry

LIANG Zi-liang1,YUE Jian-ping1,LÜ Zhi-cai1,JI Yuan-ming2

(1.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.Zhejiang Academy of Surveying and Mapping, Hangzhou 310012, China)

Multi-satellite altimeter data is used to establish the Mean Sea Surface (MSS) model over Zhejiang deep waters with a spatial resolution of 2.5′, based on the collinear average method and crossover adjustment method. The geoid undulation is calculated after deducting the impact of sea surface topography compared with the results of EGM2008. The geoid undulation of Zhejiang coastal waters is calculated by using the remove-restore technology and SVR methods with GPS/Leveling data of tide gauges and EGM2008 geoid model. A geoid model over Zhejiang offshore is ultimately established with a spatial resolution of 2.5′.

altimetry; geoid; mean sea surface; EGM2008; remove-restore

2013-08-15

梁子亮(1990-)，男，硕士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)07-0022-04