Stokes-Helmert理论及其确定高精度大地水准面严密方法研究

In this proposal, the relate theories,approaches and key technologies on the determination of a centimetric geoid in mountainous area will be studied in the frame of Stokes-Helmert boundary value problem. There are three main topics. Firstly, kinds of gravitational and gravity corrections of the topography considering the curvature of the earth will be studied in detail to take the effects of the topography mass into account precisely. Secondly, the posedness in the downward continuation (DC) of the gravity data will be studied to satisfy the requirements of the determination of a centimetric geoid and the different approaches in the DC problem will be re-evaluated. Furthermore, the new methods will be discussed. Thirdly, overcoming the difficulties, such as the data gaps in the mountainous region, complex and tedious data preprocessing and high performance computation, to provide a pratical scheme on the determination of the precise geoid in the mountains. The results of the project may advance the work in the regional geoid refinement in China, and in some areas the results may be expected to be on the top list in the world. It also may provide the theorectical background and a systematic scheme on the development of moden regional precise vertical datum in western China.

本项目主要研究在Stokes-Helmert边值问题框架下，确定山区厘米级大地水准面的相关理论、方法和关键技术。主要内容有三项：一、研究严密顾及地球曲率的各类地形引力位、引力改正公式，精确处理地形质量影响。二、地面重力数据向下延拓的适定性研究。着重在厘米级精度的要求下，重新研究不同向下延拓方法，探索卫星重力数据下延问题。三、克服山区重力数据稀疏、数据预处理复杂以及高性能计算等一系列技术方面的问题，研究实用的山区精密大地水准面确定技术方案。本项目的研究将进一步深化我国在区域大地水准面精化方面的成果，有望在部分领域获得国际领先的研究成果，并为我国西部地区现代精密高程基准的建立提供理论基础和完整的技术依据。

要在GNSS定位技术框架中实现海拔高测定的功能，目前最有效的办法是利用大地水准面模型将GNSS测定的大地高转换为海拔高。为此，需要发展新理论和新方法，突破关键技术，使构建的大地水准面模型达到所要求的分辨率和精度。正因为如此，国际大地测量界把“确定1厘米级精度大地水准面”作为世纪科学目标，也是世纪性难题。我国地形起伏大，西部有很多重力资料空白区，使得我国大地水准面精密确定成为一个更加困难的问题，严重制约了卫星导航定位技术在精密测定海拔高程中的应用。.位理论和大地测量边值问题理论是研究精细大地水准面模型的理论和方法基础，关键问题之一是如何精确计算地形归算对大地水准面的影响。上世纪90年代，开始研究利用Helmert第二类凝集法处理地形质量，即将地形质量凝集在大地水准面上，形成面密度为地形密度与高程乘积的薄层，由此地形补偿模型可精确计算地形对大地水准面的直接和间接影响，理论上的难点是按1厘米精度要求，如何建立不同地形直接影响和间接影响的精密数学公式，消除或改进传统理论方法的近似性。.项目瞄准国家现代高程基准和位置服务的重大需求，创建了将精密似大地水准面数值模型作为高程基准的一整套理论方法与实现方案。（1）在国际上首次提出了基于Stokes-Helmert边值理论确定高精度大地水准面的严密方法，确定了布格球层和残差地形模型对残差扰动位的贡献，提出了地面Helmert重力异常向下延拓到似大地水准面的最优方法；（2）攻克了多源重力数据质量控制、海量数据的高效处理、大地水准面甚短波分量恢复等构建中国数字高程基准模型工程中的一系列关键技术难题；（3）研制了中国高精度数字高程基准模型，将我国陆域重力大地水准面分辨率由2000年的15′×15′提高到现今的2′×2′，精度由0.377m提高到了优于10cm。