1.2　大地水准面研究的目的和意义

确定高精度、高分辨率的大地水准面是一个国家测绘事业发展，尤其是大地测量发展的一项基础性建设工程。

随着现代科学技术的发展，特别是空间技术的发展，大地测量学推进到一个崭新的发展阶段，大地测量学的理论和技术体系都发生了深刻变化。研究和确定地球重力场的精细结构在现代大地测量学领域处于突出地位，但是，受技术条件的限制，在经典的大地测量中，对地球重力场的研究却是理论走在实践的前面（Moritz, 1982）。同时，常规地面大地测量的技术模式，无论是分辨率还是精度都难以满足现代科学技术的需求，因为其主要任务是用地面几何大地测量方法建立区域性的相对大地测量定位基准，地球重力场的信息在几何大地测量定位中仅用于将物理空间的观测数据转换到几何空间，不起关键作用。卫星大地测量技术的出现使大地测量定位基准从常规的地面静态基准（大地控制网）发展到地球外空间的动态基准，即卫星在一个全球地心坐标系中的轨道位置。地面大地测量精密卫星定位取决于卫星的精密定轨，实现精密定轨的基本条件是已知一个精密的全球重力场模型。因此，地球重力场信息在大地测量定位中起着关键作用。

确定地球重力场，主要是建立全球重力场模型和确定大地水准面，尤其是区域性高精度和高分辨率的大地水准面模型。这两项任务紧密相关，是一个问题的两个方面。这两种模型的建立，理论上都归结为求解重力测量边值问题，即Stokes问题或Molodensky问题。建立一个地球重力位模型，即扰动位模型，也就确定了由这个模型定义的大地水准面。大地水准面高与扰动位呈简单的比例关系，但是，目前的全球扰动位模型通常只能比较准确地表达地球重力场的中、长波段频谱结构，分辨率相对较低。在利用地面重力测量数据确定区域性高分辨率大地水准面的求解过程中，全球重力场模型又作为参考重力场，对确定区域大地水准面起到一种中、长波的控制作用。

此外，大地水准面在大地测量中的应用，除了建立大地测量坐标系，确定参考椭球参数及其在地球体内的定位定向作用外，在现代卫星大地测量定位中，还可起到另一种重要的基准作用：高分辨率、高精度的大地水准面数值模型，可给出任一地面点的大地水准面高信息，可以看作一种测定高程的参考框架。水准测量的参考基准只是大地水准面上一个特定的点（一个验潮站确定的平均海面），其他所有地面点的正常高或正高都要从这一点出发通过水准测量传递。而大地水准面模型却提供了覆盖大陆地区任意位置的高程参考面，由此通过GPS大地高测量结合大地水准面模型即可确定地面点的正常高或正高。未来，高分辨率厘米级精度或更优的大地水准面模型，将为用GPS精密测定地面点正常高或正高提供巨大潜力，具有广泛的发展前景。并且，理论上GPS/水准的作业方式可按点独立测定，避免了传统水准测量方式中按一定路线传递高程，故可以较好地避免因路线传递造成的累积系统误差；在大地测量中通常采用GPS相对定位，由于在全球范围内分布有许多高精度的绝对定位基准站（如IGS站、GPS永久跟踪站、SLR站等），这可以在很大程度上控制传递误差的积累。精密大地水准面的确定，使未来海拔高程的测量以GPS测高为主，辅以少量水准测量，将极大地改善现有的高程测量模式。这预示着，除某些工程测量必须采用高精度的水准测量外，大量繁重的水准测量工作在测绘作业中的作用将被弱化，而逐步被GPS/水准测高所代替。这将为高程测量技术模式的革新打下基础，并有望产生显著的经济效益。

大地水准面是统一全球高程基准最适宜的参考面。由于高程基准不同，国与国之间的数字地面模型（DTM）往往会出现拼接差。例如，世界最高峰珠穆朗玛峰（简称珠峰）的高程就会有多值性，我国公布的精确珠峰高程是以中国黄海平均海面起算的，而用印度洋或其他海域的平均海面起算，高程可能相差1～2m。地面点的海拔高程是人类经济社会活动所需要的重要信息，特别是水利资源的开发利用、预防洪水灾害、规划设计抗洪抢险工程等所必须掌握的重要信息。随着经济全球化趋势的不断发展，必然要求包括地理信息在内的信息资源可实现共享，而这一发展趋势，将推动“数字地球”从概念走向现实，并推动人类社会进入世界网络社会。此外，随着未来全球高精度、高分辨率大地水准面目标的实现，统一全球高程基准的问题将水到渠成。目前，中、长波（低于100km分辨率的波段）的厘米级精度大地水准面已经通过新一代卫星重力计划［例如，CHAMP（Challenging Mini-Satellite Payload）、GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）和GOCE（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer）］实现，而高于100km分辨率的厘米级大地水准面，必须利用区域性的地面或航空重力测量，结合更密集的GPS/水准来实现，这将是一个长期的任务。目前，大多数国家或地区的大地水准面沿着这一发展方向，基本上实现了中波（100～500km）和部分地区短波（50～100km）分米级精度大地水准面的目标。从长远看，这为将来实现全球高程基准的统一创造了条件。卫星定位系统的出现在某种意义上已实现了全球几何定位基准的统一，而与地球重力位相联系的垂向定位基准的统一，则需要一个全波段厘米级精度的全球大地水准面模型，这是世界各国大地测量学术界共同努力的目标。

另外，测定和研究地球重力场，包括确定大地水准面模型，更重要的意义在于为相关地球学科（如地球物理学、大地构造学、地球动力学、地震学和海洋学）研究地球内部结构和动力学过程提供基础信息。重力场结构是地球质体密度分布的直接反映，重力测量数据是研究岩石圈及其深部构造和动力学的一种“样本”，精细的重力异常分布和大地水准面起伏对于当前岩石圈和地幔动力学研究中的一系列问题有着非常重要的作用。例如，大地水准面的频谱结构是长波占优（相对幅度大于90%），反映地球深部或地幔的长波密度异常分布。许厚泽（2016）曾经研究计算上地幔内部密度异常引起的青藏地区大地水准面异常。大地水准面起伏的中、短波部分与岩石圈内部负荷及地形有很强的相关性；用卫星测高数据确定的高分辨率全球海洋大地水准面研究海底及其深部构造也取得了瞩目的成果，研究发现滤去长波分量的海洋大地水准面起伏与海底地形起伏有很好的相似性。海山、海沟、海岭（洋脊）和断层等海底地形和构造单元，在海洋大地水准面起伏图像上清晰可辨，由此发现了许多过去未知的海底大山和海底断层等（安德林，1991）。重力数据和大地水准面起伏还用于研究岩石圈的热演化模型、弹性厚度以及小尺度地幔对流等动力学问题。利用重力数据研究地球内部结构和动力学问题开展得相当广泛，但已有的研究表明，这些问题的研究一般要求数据分辨率优于50km，重力异常应有毫伽量级的精度，对应短波大地水准面要有厘米级的精度水平，而长波则要求重力异常有更高的精度，要达到这些要求还要长期努力。

目前，卫星测高技术已经可以提供近厘米级精度的平均海面高数据。如果已知相应精度的海洋大地水准面，则可分离出海面地形并导出全球洋流模型，进而可以检验由海洋学原理和海洋观测数据导出的洋流模型。海洋大地水准面有助于研究海洋动力学问题，但要从平均海面高中严格分离出海面地形和海洋大地水准面，目前还需要进一步探索。