基于我国高程基准的南极高程系统构建研究

In the Antarctic scientific research, all data related to elevation information is based on the height datum. However, these scientific data is greatly affected due to the lack of unified the height datum of the Antarctic, particularly in terms of the mapping. Simultaneously, we can't make geographic information of Antarctic with electronic chart based on height datum of China achieving seamless splicing for the lack of height datum consistent with China. So, it is crucial to investigate a method to build a height datum in Antarctica that can be consistent with China, only in this way, those data collected in Antarctica can be fully used. The two main difficulties in building a consistent height datum in Antarctica are long distance and weak correlation between two places, to overcome these, in this program, we will first search for a suitable method to process multi-source precise gravity data, and provide a regulation for data computation. Then, we will try to build a height datum transfer system to refine the geoid (quasigeoid) in Antarctica, and test the applicabilities of data processing and height datum transfer in extra-long distance by two experiment. Finally, we will evaluate the precision of our method by theoretical analysis and numerical simulation, with the purpose of providing a scientific evaluation criterion for height system in Antarctica.

在南极科学研究中，一切与高程信息相关的科学数据都与高程基准有关。然而，由于南极地区缺乏统一的高程基准，使这些科学数据在作用发挥上大打折扣，特别在南极测图方面，由于缺乏与我国一致的高程基准，无法将南极地图等地理信息与以我国高程基准建立的电子海图等地理信息实现无缝拼接。因此，有必要研究基于我国高程基准的南极高程系统的建立方法，从而将我国的高程系统传递到南极，实现两区域数据的全面共享。在本项目中，针对南极高程基准传递距离超远、数据相关性小的特点，首先研究多源重力数据精细处理和基准统一方法，为南极高程计算提供统一的数据基准；其次研究超远距离高程基准的传递方法体系，形成南极高程基准的传递方案；然后，通过示范应用，验证精密数据处理方法和超远距离高程基准传递方法体系的适用性，并完成南极（似）大地水准面精化，建立南极高程系统；最后，从理论分析和数值模拟进行精度分析评价，为科学评价南极高程系统提供依据。

为了能够给南极科学数据提供准确的高程信息，需要建立南极地区高精度的高程基准。特别在南极测图方面，由于缺乏与我国一致的高程基准，无法将南极地图等地理信息与以我国高程基准建立的电子海图等地理信息实现无缝拼接。鉴于此，本项目针对南极地区距离我国超远的特点，研究了基于我国高程系统建立南极高程基准的方法，并将南极中山站区域作为示范构建了南极高程系统。项目组保质保量地完成了各项任务，取得了丰硕的成果，主要包括：（1）采集了南极第一手考察数据，如伊丽莎白公主地航空重力数据、中山站基准复测数据、PANDA断面高精度重力测量数据和物质平衡观测数据等；（2）在多源重力、测高和验潮等数据精细处理、评价与优选的基础上，重点开展了增加近岸船载重力数据覆盖的推估方法、卫星测高与船载重力测量数据融合、Cryosat-2与船载重力测量数据反演我国近海海域重力异常和多源重力资料与DTU15平均海平面模型相结合确定平均动态海洋地形模型等研究，实现了卫星测高、船测重力、卫星重力等多源数据的基准统一与有效融合。（3）第二大地测量边值问题是输入扰动重力，而扰动重力的计算只需要大地高和重力值，无需高程参与计算，理论上避开了第三边值问题基于高程计算高程的矛盾，从理论上计算南极高程基准是严密的。充分利用GNSS大地边值问题不受局部高程基准的限制，构建了超远距离高程基准的传递方法体系，形成南极高程基准的传递方案。（4）开展了水准面精化及相关处理策略研究，包括基于Gauss-Listing大地水准面定义的地球重力场模型评价、约束三维重力反演的南极大陆地壳密度结构、剔除南极冰盖影响时冰盖形态的准确获取（冰下湖、冰盖质量变化、冰盖厚度等）。（5）利用GNSS/重力法确定了南极中山站高程基准及南极中山站高程基准与全球/我国高程系统的垂直偏差。南极中山站高程基准与全球高程基准的垂直偏差为-1.455m，与国家1985高程基准的垂直偏差为-1.759m。南极中山站高程基准与全球高程基准差异较大，主要为验潮数据观测时间短且仪器安置不稳定。为准确确定南极中山站高程基准，建议进一步改造目前验潮站基础设施，建立基底稳定、零点固定的自动验潮系统，进一步加测重力、GNSS、水准等数据，确定更为精确的南极高程系统。本项目成果将为南极测绘地理信息等提供更为精确的全球尺度高程基准，对更加精确预测南极冰川消融对低海拔地区造成的影响具有重要价值