Разработка методики построения квазигеоида по спутниковым измерениям на территории Вьетнама тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат наук Ву Хонг Куонг

• Ву Хонг Куонг
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ву Хонг Куонг

СПИСОК ТАБЛИЦ.......................................................................................................................4

СПИСОК РИСУНКОВ..................................................................................................................5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...........................................................................................................7

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ..........................................................................................................8

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................9

ГЛАВА 1. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОИДА/КВАЗИГЕОИДА.........................................15

1.1. Системы высот..............................................................................................................15

1.1.1. Геопотенциальное число.......................................................................................15

1.1.2. Динамическая высота............................................................................................16

1.1.3. Ортометрическая высота......................................................................................16

1.1.4. Нормальная высота................................................................................................17

1.1.5. Геодезическая высота............................................................................................19

1.1.6. Связь между нормальной и ортометрической высотами..................................19

1.2. Общие методы определения геоида/квазигеоида......................................................20

1.2.1. Модификация формулы Стокса...........................................................................20

1.2.1.1. Комбинированная топографическая коррекция.............................................22

1.2.1.2. Эффект редуцирования на геоид......................................................................23

1.2.1.3. Комбинированная атмосферная коррекция.....................................................23

1.2.2. Модель влияния остаточной топографии...........................................................24

1.3. Определение гравиметрического квазигеоида...........................................................26

1.3.1. Исходные предпосылки и алгоритмы вычисления............................................26

1.3.2. Использование техники «удаление — восстановление» для создания локальной модели квазигеоида...........................................................................................30

1.4. Источники ошибок локальной модели квазигеоида.................................................33

1.5. Сравнительная оценка гравиметрического квазигеоида и его сглаживание с использованием пунктов ОР8-нивелирования.....................................................................34

1.5.1. Абсолютная и относительная оценка сравнения модели квазигеоида.............35

1.5.2. Сглаживание гравиметрического квазигеоида с использованием пунктов вРВ-нивелирования.............................................................................................................36

1.5.2.1. Сглаживание квазигеоида с помощью интерполяции линейных функций .36

1.5.2.2. Сглаживание квазигеоида с использованием среднеквадратической коллокации............................................................................................................................37

ГЛАВА 2. ОБЗОР НОВЫХ МЕТОДОВ В ИЗУЧЕНИИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

ЗЕМЛИ И ИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ............................................................................................39

2

2.1. Краткие сведения о новых методах изучения гравитационного поля Земли.........39

2.2. Глобальные модели ГПЗ..............................................................................................41

2.3. Система спутник - спутник в режиме высокий - низкий (проект CHAMP)..........43

2.4. Система «спутник - спутник» в режиме низкий - низкий и проект GRACE.........45

2.5. Спутниковая градиентометрия и проект GOCE........................................................49

2.6. Краткое описание инструментов, используемых в проекте GOCE.........................53

ГЛАВА 3: АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ГЛОБАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ ГПЗ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕРРИТОРИИ ВЬЕТНАМА..............................................................55

3.1. Предварительное сведение..........................................................................................55

3.2. Используемые данные..................................................................................................58

3.2.1. Гравиметрические данные....................................................................................58

3.2.2. Пункты GPS-нивелирования................................................................................60

3.2.3. Цифровая модель рельефа (ЦМР)........................................................................61

3.2.4. Глобальные геопотенциальные модели (ГГМ)...................................................62

3.2.4.1. Модель EGM 96.................................................................................................64

3.2.4.2. Модель EGM 2008.............................................................................................64

3.2.4.3. Модели на основе проекта GOCE....................................................................65

3.3. Исследование ГГМ EGM 96, EGM 2008 и их оценка точности...............................69

3.4. Исследование GOCE ГТМ и их сравнение с моделью EGM 2008...........................74

3.5. Карты высот квазигеоида и аномалий силы тяжести по GOCE-моделям на территории Вьетнама и соседних стран................................................................................82

3.6. Создание квазигеоида на территории Вьетнама с применением GOCE-моделей .83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................................103

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики построения квазигеоида по спутниковым измерениям на территории Вьетнама»

Актуальность темы диссертации

Принципиальная возможность определения уровенной поверхности по гравитационному полю доказывается теоремой Стокса. Однако, основная трудность решения этой задачи связана с определением силы тяжести на эквипотенциальной поверхности геоида. На практике мы можем измерять удельную силу тяжести только на физической поверхности. Возникает задача редукции этого значения с физической поверхности на геоид.

Над проблемой редукции работало много ученых. М.С. Молоденский доказал, что фигуру Земли можно изучать и без регуляризации. Достаточно все измерения выполнять на физической поверхности, но кроме силы тяжести необходимо знать и приращение потенциала, для чего должны быть выполнены и геодезические работы. Советские ученые Л.П. Пеллинен и другие в 70-х годах прошлого столетия детально занимались вопросом глобального, регионального и локального построения квазигеоида. Ими были созданы методы посроения квазигеоида, в основном, по наземны наблюдениям, так как глобальные спутниковые модели в то время, имели весьма низкую точность.

Появление спутников и новых возможностей исследования гравитационного поля существенно расширило круг задач теории фигуры Земли. В последние десятилетия появились весьма высокоточные глобальные геопотенциальные модели (ГТМ) с высокой разрешающей способностью. Такая ситуация стала возможной благодаря внедрению новых методов и способов измерений.

С одной стороны, в этот период внедрялись разностные методы космической геодезии по изучению гравитационного поля Земли (ГПЗ) такие, как спутниковая альтиметрия, системы «спутник-спутник» (88Т-

метод, проекты CHAMP, GRACE и др.), спутниковая градиентометрия (SGG-метод, проекты «Аристотель», GOCE и др.), что позволило надежно определять коэффициенты гармоник ГПЗ весьма высокого порядка и степени. С другой стороны, в это же время значительно повысилась точность измерений как спутниковых (лазерные, GPS-измерения, радиодальномерные, доплеровские и т.д.), так и наземных (те же GPS и ГЛОНАСС-измерения, баллистические и обычные гравиметрические и т.д.) [1].

Благодаря трудам профессора Тчернинг К.К. (Tscherning С.С.) и других авторов пакет программ «GRAVSOFT» [30] эффективно используется и в настоящее время для совместной обработки разнородных данных в задаче построения квазигеоида.

Объединение спутниковых и наземных измерений позволило создать такие высокоточные ГГМ, как EGM 96, EGM 2008 и др. Это сделало возможным проводить актуальные исследования по определению и измерению гравитационных полей локальных и региональных районов Земли. Так, например, в диссертационной работе [9] Рудницкой Н.И. показали, что для регионов со спокойным ландшафтом (на примере Белоруссии) ГГМ EGM 2008 дает хорошие результаты по изучению гравитационного поля этого региона, при использовании довольно ограниченного числа наземных и спутниковых определенных опорных пунктов. В России Непоклоновым В.Б. в работах [5], [6] исследованы существующие современные модели ГПЗ и даны их сравнительные оценки.

Во Вьетнаме в 2005 г. Институтом Кадастровых Исследований (ИКИВ)

была построена модель квазигеоида с использованием модели EGM 96,

наземных гравиметрических данных и спутниковых альтиметрических

измерений. Точность определения высоты геоида этой модели составила

около 0,4м. Точность построенной модели не высокая, потому что

территория Вьетнама вытянута в меридиональном направлении с севера на

юг. Для реализации формулы Стокса обычно не хватает гравиметрических

ю

данных на территориях соседних стран Лаоса, Камбоджи, Китая и в морях. Понятно, что гравиметрические морские измерения требуют огромных затрат. Кроме того, гравиметрические данные соседних стран не всегда можно получить для использования в предстоящих исследованиях. Поэтому для создания квазигеоида необходимо на этих территориях использовать глобальную модель EGM 96 и альтиметрических данных. Задача построения более точной модели квазигеоида для последующей замены традиционного нивелирования спутниковым нивелированием на территории Вьетнама и в настоящее время является актуальной.

В последние годы появилось множество спутниковых и комбинированных (спутниковые и наземные) ГГМ на базе проекта Европейского Космического Агентства (ЕКА) «GOCE». В статьях объявлено, что модели ГПЗ этого проекта являются более точными по сравнению с другими. Точность этих моделей, по заявлению руководителей проекта «GOCE» составляет 1-2 см для определения высот геоида, 1 мгал для определения аномалий силы тяжести с разрешением 100 км. Возникает необходимость исследования этих моделей и использовать их для целей создания локальных квазигеоидов. Была поставлена цель выполнить исследования на примере территории Вьетнама, хотя эта задача является актуальной и пригодна для любых регионов со сходными условиями. Цель диссертации

В работе ставится задача: опираясь на ГГМ, такие как EGM 96, EGM 2008 и модели проекта «GOCE», исследовать возможность и эффективность их использования в регионах со смешанным ландшафтом (равнинный и горный) для локальных и региональных участков Земли. В данной работе основными задачами являются:

1. исследование современных глобальных моделей гравитационного поля Земли, особенно моделей проекта GOCE и его комбинированных моделей;

2. изучение возможности и эффективности применения GOCE-моделей для построения квазигеоида на территории Вьетнама;

3. разработка методики и алгоритмов для построения локального квазигеоида;

4. исследование комплекса программ для изучения гравитационного поля Земли как в общем виде, так, и для создания локального квазигеоида;

5. создание вспомогательных программ исследовательского программного комплекса;

6. на основе выполненных исследований дать конкретные рекомендации по практическому использованию полученного квазигеоида.

Научная новизна работы.

Данная диссертация является законченным научным исследованием. Оригинальные исследования автора состоят в следующем:

1. разработаны алгоритм и методика создания локального квазигеоида применительно к территории Вьетнама. Методика состоит из множества «подметодик». Каждая «подметодика» имеет свой подход для создания модели локального квазигеоида. Сравнение результатов этих созданных моделей позволяет получить лучшие модели, лучшие подходы и рекомендации для использования в данном локальном районе. В результате исследований идея комбинации коэффициентов низких гармоник модели GOCE-TIM4 четвертого поколения и высоких гармоник моделей EGM 2008 и EIGEN-6C доказала свое преимущество перед другими подходами;

2. разработаны программы обработки исходных данных для вычислений аномалий силы тяжести, высот квазигеоида из любой глобальной модели ГПЗ, а также программы для анализа результатов вычислений в среде программирования MatLab;

3. впервые выполнены исследования моделей ГПЗ проекта GOCE и комбинированных моделей этого проекта для территории Вьетнама. Впервые

применены GOCE-модели для создания локального квазигеоида Вьетнама.

12

Практическая значимость работы.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что разработанная методика позволила получить модели квазигеоида с более высокой точностью. По этой методике были созданы 12 вариантов моделей квазигеоида для Вьетнама. Лучшие из созданных моделей имеют среднеквадратические отклонения (СКО) высот квазигеоида по сравнению с 62 контрольными пунктами по всей территории Вьетнама около 12 см; на севере страны - 15 см, в центре и на юге территории - 9см. Полученные результаты могут быть использованы для замены традиционного нивелирования 1У-го класса спутниковым нивелированием.

Кроме того, по разработанным программам можно вычислять аномалии силы тяжести и аномалии высот по любой ГГМ, что дает возможность выполнения дальнейших исследований современных ГГМ. На основе выполненных исследований дана рекомендация по использованию подметодик комбинации спутниковой геопотенциальной модели 4-го поколения ООСЕ-Т1М4, коэффициентов высоких гармоник моделей ЕОМ 2008 и ЕЮЕК-6С, наземных гравиметрических данных, данных вР8-нивелирования. При вынужденной необходимости замены и гравиметрических данных на территориях соседних стран и морей рекомендован каталог ОТТЛООКА. Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Алгоритмы и программы вычислений аномалий силы тяжести, высот квазигеоида любой модели ГПЗ. А также программы для анализа результатов вычислений.

2. Методика по созданию локального квазигеоида для территории Вьетнама и рекомендации по ее использованию.

3. Результаты исследований современных глобальных моделей гравитационного поля Земли, в том числе 10 вОСЕ-моделей и 6

комбинированных моделей для построения локальных квазигеоидов, применительно к территории Вьетнама.

4. Созданы 12 вариантов - моделей квазигеоида по данной методике для территории Вьетнама. Из них 6 моделей дают лучшие результаты при сравнении их с контрольными пунктами (СТО 12-13 см). Апробация результатов работы. Основные положения и выводы исследований в диссертации докладывались и обсуждались на научно -технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК 5 апреля 2011, 3 апреля 2012 и 9 апреля 2013гг; на научно -технической конференции профессорско-преподавательского состава 28 мая 2013г. Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в научном журнале «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка». Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 23 таблицы и 40 рисунков. Объем диссертации - 116 страниц. Список литературы включает 46 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Ву Хонг Куонг

В данной диссертации получены следующие результаты исследований:

1. разработаны алгоритмы и программы обработки исходных данных, программы для вычисления высот квазигеоида, аномалий силы тяжести по любой глобальной геопотенциальной модели и программы с целью анализа полученных результатов в среде MatLab;

2. с использованием разработанных алгоритмов выполнены исследования современных моделей гравитационного поля Земли, таких как EGM 96, EGM 2008, так и 10 GOCE спутниковых и 6 его комбинированных моделей;

3. впервые выполнены оценки сравнений результатов, полученных из GOCE-моделей и его комбинированных моделей с данными GPS-нивелирования для территории Вьетнама. Анализы результатов убедительно доказали, что на территории Вьетнама модели GOCE -проекта дают лучшие результаты по сравнению с любой предыдущей моделей гравитационного поля Земли и их использование позволило создать более точную модель квазигеоида для Вьетнама. Из GOCE-проекта лучшие спутниковые модели GOCE-TIM4 дали стандартное отклонение 25 см, а комбинированные модели как EIGEN-6C и EIGEN-6С2 дали СТО около 19-20 см;

4. разработана методика позволила создатья локальный квазигеоид для территории Вьетнама с использованием различных источников данных. По разработанной методике можно получить различные варианты -модели квазигеоида. Из сравнений результатов созданных моделей квазигеоида были выбраны лучшие модели при использовании в целях спутникового нивелирования и даны рекомендации по используемым данным;

5. впервые применены GOCE-модели для создания локального квазигеоида

на территории Вьетнама. Были созданы 12 вариантов - моделей

96

локального квазигеоида на основе комбинации GOCE спутниковых ГТМ, EGM 2008, EIGEN-6C, цифровой модели рельефа, гравиметрических данных, мировых гравиметрических карт и пунктов GPS-нивелирования. Полученные модели были сравнены с данными 62 контрольных пунктов GPS-нивелирования, расположенных по всей территории Вьетнама. Из 12 модели мы имеем 3 самые точные модели QG03, QG04 и QG12. Они дают СТО по всей территории Вьетнама 12 см. Кроме них, 3 модели QG06, QG09 и QG10 тоже дают хорошие результаты, т.е. СТО равно 13 см и модель QG02 дает СТО 14 см. Тем не менее СТО для разных районов Вьенама различаются:

- на Севере Вьетнама, где преобладают высокие горы получают СТО порядка 15 - 16 см очевидно, из - за сложности рельефа;

- на Юге и в Середине територии Вьетнама СТО имеют малые значения (лучшие модели дают СТО 9 -10 см), очевидно из-за равнинной местности;

6. выполнено экспериментальное исследование инструментария, использующего в GOCE - проекте (GUT) для обработки GOCE данных второго уровня;

7. построены, на основании регулярных сеток, карты высот квазигеоида, аномалий силы тяжести моделей, и их отличия от данных опорных пунктов;

8. результаты данной диссертационной работы показали, что вполне возможно создать модель квазигеоида с целью замены нивелирования IV-го класса спутниковым нивелированием;

9. для создания локального квазигеоида, напримере на территории

Вьетнама, в работе рекомендована методика использования комбинации

спутниковых геопотенциальных моделей 4-го поколения GOCE-TIM4,

GOCE-DIR4, коэффициенты высоких гармоник моделей EGM 2008 и

EIGEN-6C и каталог DTU10GRA. Кроме того, при дальнейших

97

исследованиях желательно получить информации о координатах фуштока ХонЗау, значении потенциала национального квазигеоида, и больше количества наземных гравиметрических данных и пунктов ОРБ-нивелирования с эпохами измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ву Хонг Куонг, 2013 год

1. Яшкин С. Н., «Спутниковая градиентометрия и системы спутник -спутник», М., МИИГАиК, 2009.

2. Волфан Торге «Гравиметрия». Перевод с англ. Под ред. Юзефовича А. П., М., Мир, 1999.

3. Гофман-Велленгоф Б., Мориц Г. «Физическая геодезия». Перевод с англ. под ред. Неймана Ю.М., М., МИИГАиК, 2007.

4. Огородова Л. В., «Высшая геодезия». М., Геодезкартиздат, 2006.

5. Непоклонов В.Б. Определение высот с использованием модели геоида. «Автоматизированные технологии изысканий и проектирования», 2007, №3(26), с. 56-60

6. Непоклонов В. Б. Об использовании новых моделей гравитационного поля Земли в автоматизированных технологиях изысканий и проектирования / В. Непоклонов. - С.72-76.

7. Ву Хонг Куонг «Исследования моделей гравитационного поля Земли по наземным и спутниковым измерениям», Изв. вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2013, №1.

8. Баранов. В. Н., Бойко Е. Г., Краснорылов И. И., Машимов М. М., Плахов Ю. В., Урмаев М. С., Яшкин С. Н.. «Космическая геодезия: Учебник для вузов». - М.: Недра, 1986. - 407 с.

9. Рудницкая Н. И. Совершенствование координатной основы республики Беларусь. Диссертационная работа, - М., МИИГАиК,2012. - 70 с.

Ю.Ву Хонг Куонг «Результаты вычисления аномалий высот и аномалий силы тяжести по спутниковым измерениям на территории Вьетнама», Изв. вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2013, №4.

11.Коллектив авторов ответственный редактор Бровар Б. В. Гравиметрия и геодезия. - М.: Научный мир, 2010. - 572 с.

12.Огородова Л. В., Шимбирев Б. П., Юзефонвич А. П. Гравиметрия. - М.: Недра, 1978.-325 с.

13.Юзефонвич А. П., Огородова JI. В. Гравиметрия: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1980.-320 с.

14. Яковлев Н. В. Высшая геодезия: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1989. -445 с.

15.Пеллинен JI. П. Высшая геодезия - М., Недра, 1978. - 264 с.

16.http://osmangravity.far.ru/globalmodel.htm

17.Канушин В.Ф., Ганагина И.Г. Современные проблемы физической геодезии. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 120100 «Геодезия» специальности «Космическая геодезия» и 120100 «Геодезия и дистанционное зондирование» профиля «Космическая геодезия и навигация» - Новосибирск, СГГА,2012.

18.Нгуен Ван Шанг. Гравиметрическое обеспечение прилегающей к Вьетнаму акватории по результатам спутниковой альтиметрии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук -М., 2012- 161 с.

19.http://ru.wikipedia.org/wiki/GOCE

20.Franz Barthelmes «Definition of Functionals of the Geopotential and Their Calculation from Spherical Harmonic Models» // Scientific Technical Report STR09/02; [электронный ресурс! http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/

21.Th. Gruber, R. Rummel «GOCE GravityFieldModels -Status & Plans», Venice, 2012.

22.ESA, «GUT User Guide and Algorithm Descriptions», 2011.

23.ES A. GUT Tutorial, March 2011. - 80 p.

24. ESA. GUT User Guide and Algorithm Descriptions, February 2009. - 97 p.

25.http://earth-info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm96/egm96.html

26.http://en.wikipedia.org/wiki/EGM96

27. http://earth-info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitvmod/EGM2008/index.html

28. NIMA. Department of Defense World Geodetic System 1984. National

Imagery and Mapping Agency, American. 2000.

100

29.Rene Forsberg, C.C. Tscherning. Geodetic Gravity Field Modelling Programs. National Space Institute and Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark, 2008. - 75p.

30. Tscherning С. C. Gravity field modelling with GRAVSOFT least-squares collocation // Lecture Notes, International School for the Determination and Use of the Geoid, Milano, Oct. 10-15. International Geoid Service. - 1994. - P. 101134.

31. Elmas Sinem Ince. Geoid Investigations for the New Vertical Datum in Canada, December 2011 - 181 p.

32.Uliana Danila. Mold2012 - a new gravimetric quasigeoid model over Moldova, November 2012 - 105 p/

33.Matthew James Amos. Quasigeoid Modelling in New Zealand to Unify Multiple Local Vertical Datums, October 2007 - 263 p.

34.1ng. Mgr. Martin Kadlec. Refining gravity field parameters by residual terrain modeling, 2011 - 171 p.

35.Gomaa M. Dawod and Hoda F. Mohamed. Fitting Gravimetric Local and Global Quasi-Geoids to GPS/Levelling Data: The Role of Geoid/Quasi-Geoid Variations, JKAU: Eng. Sci., Vol.20 No.l, pp: 47-59 (2009 A.D. / 1430 A.H.).

36.Prosper E. Ulotu. Geoid Model of Tanzania from Sparse and Varying Gravity Data Density by the KTH Method, May, 2009 - 204 p.

37.https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/goce

38.Forsberg, R.: A Study of Terrain Reductions, Density Anomalies and Geophysical Inversion Methods in Gravity Field Modelling. Reports of the Department of Geodetic Science and Surveying, No. 355, The Ohio State University, Columbus, Ohio, 1984.

39.G. N. Guimaraes, А. С. О. C. Matos, D. Blitzkow. An evaluation of recent GOCE geopotential models in Brazil. Journal of Geodetic Science. 2012. - 144155.

40.R. Barzaghi, A. Borghi, B. Ducarme, M. Everaerts. Quasi-geoid BG03 coputation in Belgium.

41.A. Maggi. Integrated collocation for local geoid estimation. Milan - Italy.

42.Le Minh. Xay dung ca so du lieu truang trong lire toan cau, thiet lap mo hinh geoid do chinh xac cao tren lanh tho Viet Nam phuc vu nghien cuu hoat dong cua Trai dat va doi moi cong nghe do do cao bang he thong dinh vi toan cau // Bao cao tong ket khoa hoc va ky thuat. Ha Noi. -2005. - 174 tr.

43.Trung tam Vien tham Quoc gia. Bao cao xay dung mo hinh Geoid dia phuong a Viet Nam. Ha Noi. -2010.-37 tr.

44.Nguyen Duy Do. Nghien cuu chinh xac hoa di thuong do cao EGM2008 dya tren so lieu GPS - thuy chuan tren pham vi cuc bo a Viet Nam. Ha Noi. -2011. - 240 tr.

45.Pham Thi Hoa. Nghien cuu xac dinh anh hurong cua do cao dia hinh trong di thuong do cao va do lech day doi a Viet Nam. Ha Noi - 2011. - 153 tr.

46.http://www. vietnamnews.ru/nature.html