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地图背后的“大地测量”

每年的测绘法宣传日暨国家版图意识宣传周期间,公众纷纷将目光聚焦于地图上。众所周知,地图是测绘成果的一种展现形式,而大地测量是地图测绘的基础,是地理位置精准的重要保证。近年来,大地测量技术快速发展,对地观测手段日益丰富,使高大上的高精度导航定位和位置服务走入了“寻常百姓家”。卫星大地测量数据和卫星遥感影像不但给地图制作提供了新的数据源,同时把人们的视野拓展到月球和其他星球。

今天,让我们走进地图背后的“大地测量”,特别是大地测量的核心——大地测量基准建设与维持。

地理位置准不准,基准很重要

大地测量是为研究地球的形状及表面特性进行的实际测量工作。各种测绘任务只有在大地测量基准的基础上,才能获得统一、协调、法定的坐标成果,才能获得正确的点位和海拔高,以及点之间的空间关系和尺度。在我们的生活中,大到卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等的发射、制导、跟踪、返回工作,小到外卖配送、出行导航等都离不开大地测量的支撑和服务。

大地测量系统规定了大地测量的基准、尺度标准以及实现方式,以此来确定地球上物体的精确位置,包括坐标系统、高程系统、深度基准和重力参考系统以及相对应的坐标框架、高程框架和重力测量框架。正是由于平面和高程为两个不同参考系,所以在实际测量工作中,平面控制测量和高程控制测量就需要分开来测。

全球大地测量观测系统(GGOS)作为全球大地测量坐标框架建设和地球变化监测的重要基础设施,得到世界各国高度重视。经过18年的建设和发展,该观测系统已成为国际大地测量协会(IAG)“旗舰”品牌,在地质灾害防治、自然资源监测、气候变化研究、台风飓风预报、海平面变化监测、全球风险管理、海洋预测预警和空间天气研究等领域发挥着越来越重要的作用。

在此期间,基于全球大地测量观测系统,国际大地测量协会组织其下属的国际GNSS服务组织、国际重力场服务组织等十多家机构,综合利用各种大地测量观测资料,在全球地心坐标框架维持、地球自转和定向服务、重力场和大地水准面研究、导航定位服务以及海平面变化监测等方面,为全球提供全方位的大地测量数据和产品服务。

随着我国北斗卫星导航定位系统的广泛应用,过去8年来,由我国主导基于北斗的全球GNSS监测评估系统(iGMAS),得到全球广泛认可。中国测绘科学研究院、武汉大学、上海天文台等13家高校和科研机构,充分利用北斗数据,对北斗导航卫星系统运行状况和主要性能指标进行监测和评估,生成高精度精密星历和卫星钟差、地球定向参数等产品,为北斗卫星导航定位系统的稳定运行、推动北斗国家坐标基准建设和各种应用作出了重要贡献。

陆海基准建设,无缝衔接需求迫切

今年6月底,在北京召开的国际大地测量协会(IAG)2021科学大会上,国际大地测量协会主席祖赫·阿尔塔米米(Zuheir Altamimi)科研团队预发布了最新研发的国际地球参考框架(ITRF 2020),成为目前权威的地心坐标基准。地心坐标基准可以简单理解为描述地球及外部空间任意一点三维位置的坐标系统。

由于坐标基准点的位置随地球运动不断发生变化,国际地球参考框架(ITRF)也一直不断更新,以确保其可用性和精确性。如今,这一基准已迭代了12次之多。该基准成为世界各国建立国家地心坐标系的基础,也是美国GPS、中国北斗等全球卫星导航定位系统精化导航定位参考框架的基础。

我国的2000 国家大地坐标系是以国际地球参考框架(ITRF97)为基准建立的,是国家法定坐标基准。我国自然资源调查监测、国土空间规划和其他各行业高精度位置服务都需要该坐标基准来控制。

2000 国家大地坐标系框架转换软件,是中国测绘科学研究院近年来的创新科技成果之一。该软件是国内历史参心坐标系框架、国际ITRF框架与 2000 国家大地坐标系框架间地理信息成果的转换软件,已在自然资源部相关单位以及全国31个省(区、市)得到应用。

“眼下,需要将全国可用的GNSS卫星导航定位基准站纳入2000 国家大地坐标系统,特别是要将北斗卫星数据融合进去,并实现坐标框架的持续更新和维护,确保国家坐标基准自主、安全、可控。”国际欧亚科学院院士、中国测绘科学研究院大地测量与地球动力学研究所所长党亚民说。

在2020年珠峰高程测量中,由于中尼两国高程基准不同,国际上也没有统一的高程测量基准,导致没有统一的高程起算点。据专家介绍,通过这次测量,我国首次在珠峰地区建立了国际高程参考框架,联合航空和地面重力等数据,建立了珠峰区域高精度重力大地水准面模型,为确定珠峰高程提供了高精度起算基准,取得历史性突破,得到国际大地测量协会的高度认可。

建立国家级厘米级精度重力大地水准面,以数字高程基准取代传统水准测量模式维持国家高程基准是国际主流趋势。目前,国际大地测量协会也在积极推动建立全球统一的高程基准,已完成国际高程参考系统理论和技术研究。一些国家和地区已取得实质性进展,初步实现统一的高程参考框架。

我国2001年发布国家似大地水准面模型CQG2000,至今未更新。其精度与分辨率目前仅能满足1:5万国家基本比例尺测图需要。此外,全国大部分省份和主要城市已经完成了省市级似大地水准面精化,并在本地区提供高程基准服务。但由于各省市似大地水准面模型相对独立,并且与国家高程基准存在系统性偏差,跨省市拼接存在一定误差,跨区域工程建设及应用受到了制约。因此,业界专家认为,我国有必要建设新一代国家数字高程基准并进行定期更新。

陆海无缝垂直基准体系建设是建设海洋强国的“法宝”,越来越受到世界海洋强国的重视。该基准是海岸带自然资源管理、海洋资源开发利用和海洋防灾减灾等应用的重要基础设施,它综合利用卫星测高技术和验潮站观测资料,可以实现陆地高程基准与海洋深度基准的无缝转换。目前,欧美等一些国家已建成了较为完善的陆海垂直基准。近10年来,我国广东、江苏、上海和天津等部分沿海省市根据自己的实际需求,开展了局部垂直基准构建和工程化应用。我国尚未在国家层面建立陆海无缝垂直基准体系和基准服务系统,这也制约了从陆地向海域延伸的地理信息数据产品生产及应用服务。

补齐基准短板,拓宽服务领域

业界专家认为,我国大地测量产品的标准化程度、应用服务能力,与国际先进水平还存在一定差距。目前我国大地测量数据产品的服务对象主要面向机构,很少直接向社会大众提供服务。在服务过程中,也出现了管理资料的单位不会使用数据产品,会使用的单位或有需求的单位却拿不到数据的现象。在服务社会公众方面,目前我国还缺乏国家级测绘基准产品综合服务平台,类似国际大地测量协会这样的公益性组织、多样化大地测量产品和增值服务能力仍远远不足。

近年来,中国测绘科学研究院持续开展技术攻关,特别是在大地测量领域,除了在2020珠峰高程测量中发挥引领作用外,在2000国家大地坐标系的建立、维持和应用推广,国家北斗分析中心建设与运维,地球重力场和垂直基准理论和技术研究,海岛礁测绘、海洋大地测量基准体系建设以及卫星导航与定位理论和技术研究等方面取得了丰硕成果。

该院院长燕琴表示,未来将通过建立我国新一代地心参考框架、国家陆海统一无缝垂直基准体系、国家测绘基准综合应用服务平台、中国大地测量观测系统,更好地服务自然资源调查监测、地质灾害监测等,为全社会提供公益性测绘基准、高精度导航定位,实现测绘地理信息安全可控高质量发展。