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遥感教程简介-第2部分第1页
This page is devoted to the study from space of the Earth's gravity and what departures (anomalies) from a uniform gravitational field tell us about the distribution of mass (density variations) primarily in the outer region called the lithosphere. The coverage begins with a review of the real and mathematical shapes appropriate to the whole Earth. The Earth's general figure (shape) approaches that of a pole-flattened ellipsoid. A mathematically-defined surface approximating the gravity equipotential is referred to as the geoid. Gravitational variations owing to topography, crustal structure, and rock type differences provide departures - anomalies - which can be measured from orbiting satellites. Information about these variations comes from analyzing the changes in orbital paths. Satellites have also been able to determine the variations in sea surface heights which tend to reproduce the variations in ocean floor topography. Radar and laser altimetry from these satellites can directly measure these height differences. Global geoid and topography maps have resulted from such investigations.
在地球物理学中，特别是专门用于矿产/能源资源勘探的应用分支，有三个主要领域或分支：磁学、重力和地震学。最后一个发现来自太空的机会是有限的，但在这里将被提及，因为它适用于地壳二元体。本页的大部分主题都是关于重力的。
我们假设你对重力的基本概念有一定的了解（很可能来自物理课程）。牛顿提出的基本定律是f=g（m:sub:1`m2 /r:sup:2）=m a，其中两个m是质量（例如地球和你），没有下标的m是任何物体在表面的质量或从上面落下的质量，r是质量中心之间的距离m1 和M 2 ，g是万有引力常数（g=6.6726…x 10-11 米 3 -千克：sup：-1-sec:sup：-2）。我们将不再尝试更多地考虑（物理）基础，而是首先描述一些与测量重力、重力变化（异常）和获取数据的技术有关的主要想法和术语，这些数据可以简化为参考状态（椭球体），以比较E与实际地球条件。
我们首先考虑地球引力，因为它与地球的实际形状和理论形状或图形有关，而地球引力是 大地测量学 .
理想情况下，地球可能是一个完美的球体，由单一物质组成，均匀分布，密度均匀。由牛顿方程确定的单一重力值将占优势。实际地球由三个主要区域组成，这些区域围绕其中心同心（据说所有的质量都集中在这里以计算其重力）：地核（内部为固体；外部为液体的厚地核）；地幔（质量分布和密度有点变化）；岩石圈（由上地幔的一部分和两种类型的地壳-海洋型（成分更均匀）和大陆型（厚度变化，明显不均匀）。由于多种原因，地球真实表面（地形表面）的重力强度因地制宜。这包括不同岩石类型（和密度）、热点源和地幔对流以及结构/地形不规则的影响。
重力通常用加速度单位来测量，如 gals （或在映射中，如 毫伽耳 ）以每秒981.275厘米的标准值（随着更好的测量方法的改进而略有变化）。（在地面上，测量是用基于钟摆的仪器进行的，现在更常见的是用重力仪（弹簧上的重量）。
暂时忽略地表的不规则性，地球的总体形状与球体略有不同。地球椭球是一个 扁椭球体 中心到赤道（半长轴）的平均半径为6378.16…公里，中心到极点（半短轴）为6356.77…公里；这相当于298.25年极地缩短了1部分。除了计算目的外，实际上不存在的椭球体将具有规则、光滑的表面。
由密度变化引起的引力差异引起的偏离椭球面会产生另一个参考面（数学计算的，不是实际的），称为 大地水准面 . 大地水准面被定义为“由未受干扰的（完全平静的）海平面假设的（起伏的）表面，并通过充水（假设的）小的无摩擦水道（运河）在大陆下继续存在。”因此，它非常接近存在高度的变化。ING海平面和通过大陆的海的假设延伸。与之相关的是 海平面等电位 在平均海平面上，重力处处等于其强度的表面。大地水准面显示出与下伏岩体有关的广泛起伏。此图可能有助于预见这一点：
大地水准面数据可以从卫星测量中得到。这是因为卫星在受到产生大地水准面的相同引力的影响时，沿着轨道上下移动。这是根据ERS-2卫星测量数据得出的70公里轨道上大地水准面高度变化图（见下文）。
多年来，重力测量导致了大地水准面的广义模型和区域模型。以下是1984年世界大地测量系统标准版本中粗糙（10°x 10°）大地水准面的彩色表示：
1996年，国家图像和测绘局、NASA Goddard、俄亥俄州大学和德克萨斯州大学利用来自Topex波塞冬、GPS、SLR、Doris和TDRSS的数据，制作了一个更详细、更明确的地球大地水准面模型，显示了全球的地球位势面。改进版增加了球面谐波系数分析和新的自由空气异常修正的信息。
在更高的分辨率下，是美国和墨西哥和加拿大部分地区的大地水准面：
也可以计算海洋表面的大地水准面。这是印度洋部分地区的一个情节（强烈的垂直夸张）。不规则部分是由于海底地形（见下文）。
从上面的插图可以看出，大地水准面在大陆更高，在海洋中相对较低。
重力测量通常参考椭球体，或参考大地水准面上的一些瞳孔。在适当的数据减少后，地面、船舶或空间上的重力测量通常会产生高于（正异常）或低于（负异常）的值，而非分配给等位面的重力势。必须应用几个“修正”。例如，对于海平面以上的重力仪， 自由空气修正 将重力读数调整到平均海平面。典型的调整率是每3米1毫加仑（如果高于海平面，则增加；如果低于海平面，则减去）。另一项修正是为了补偿向极地方向重力的轻微增加（这一范围从赤道的978.04到极地的983.2 cm/sec/sec，仪器将更接近质量中心）。这个 布格改正 消除位于椭球体上方或下方的任何地形块（如山脉）的影响。在进行所有适当的校正后，将观测到的重力读数与基于大地水准面分布的预测或计算读数进行比较。有什么不同的是 布格异常 这主要是由于地壳中的固体土块，或更深，由于不同的岩石类型和岩石密度。
如上所述，大陆重力测量利用了重力仪等野外仪器。许多数据都是为感兴趣的油气勘探地区收集的。可以用低空、慢速飞行的飞机或直升机进行勘测，并用加速度计和梯度仪进行测量。一个困难是飞行线路的精确定位；多卫星全球定位系统（GPS）的发展提高了高精度跟踪飞行线路的能力。采集后的数据必须进行处理，以进行上述适当的校正。从不同的调查中得出的地面/飞机重力异常可以整合到区域地图中，甚至可以按大陆的尺度。以下是欧洲、地中海和北大西洋大部分地区的重力异常图（陆地上的布格重力异常；水面上的自由空气异常）（红色为正异常，最大值为+75毫伽；蓝色为负异常，最小值为-75毫伽）（黑色国家的轮廓线在那里，但却很模糊。D看；要了解您的方位，顶部附近的深蓝色区域是挪威；中心下方的一个类似颜色是阿尔卑斯山以南的波谷：
利用卫星数据制作的澳大利亚重力图（低mgal分辨率），由空中/地面调查及其周围海洋层制作，清楚地说明了近地和星载重力测量系统如何结合起来制作重力图：
现在，关于卫星在确定地球引力场和异常中的作用。两个数字表明情况如何 肉汁 （一个用于获取重力信息的卫星术语，在这里是为了促进简洁性而引入的；不要将其与商业上提供卫星数据的英国公司gravsat的名称混淆）可以复制或近似地从地面和空中获取重力数据。两者都以mgals为单位：顶部是沿着穿过南中国海的卫星轨道测量的重力变化的追踪，与沿着同一条线的船载重力仪的读数相比；下图显示了左侧海洋区域的重力异常图。以及使用来自海洋调查的有限现场数据获得的地图。
总的来说：重力卫星的主要用途和成功之处在于测量海洋和其他大型水体的地形。由于它们的轨道速度高和其他并发症，卫星通常不携带加速度计（响应时间低）来测量沿轨道引力的直接变化。相反，可以根据卫星轨道位置（轨道高度变化）的变化来计算重力变化-这些变化是由瞬时最低点和路径轨迹附近的周围区域的重力变化引起的。跟踪卫星的无线电信号（利用多普勒频移）有助于确定这些变化。一种更直接的方法是利用卫星激光测距（SLR）技术跟踪卫星的路径或定位卫星的位置。另一个主要的方法是从卫星本身，通过雷达测高或激光测高测量表面的变化高度（参照大地水准面使用海平面的高度）。
测量海平面高度变化的原理（在地球海洋上可以变化160米）在这张图中很明显：
海底以上的额外质量的存在会导致引力的偏离，从而使海山周围的水聚成一个隆起或隆起的土堆。如果地面上出现凹陷（如海沟），则由于沟槽空间没有物质（质量）而导致的重力下降将导致地表水凹陷。换句话说，海平面大致反映（再现）海底的地形变化。只需测量发送信号（返回）的卫星与水面之间的距离，就会产生异常N，如下图所示（其中n=h * -H；H * 是该区域到计算大地水准面的距离，h是地面隆起到卫星的信号路径距离）。
这种方法首先在天空实验室进行了试验。随后，雷达高度计在SEASAT（见 page 8-6 ）这次任务的测高数据导致了现在著名的世界海底总地图（第8-6页底部），其结构模式反映在其地形上，由海洋地球物理学家构建。雷达高度计现在从一系列卫星上运行（或早先已经运行），这些卫星包括SEASAT、GEOSAT、TOPEX波塞冬、ERS-1和-2、GEOS3；新系统将在ENVISAT和JASON-1上安装，稍后将发射。雷达干涉测量也用于海况研究（参见 page 8-7 ）激光高度计（发出相干光脉冲）越来越多地被部署在飞机上，并已完成了两次航天飞机飞行任务，目前正在计划中使用GLAS（地球科学激光高度计系统）。激光也在火星飞船上。本图总结了移动平台上激光的应用，该图是为航天飞机激光高度计（SLA）实验开发的：
在本页的其余部分，我们将给出一些海底重力异常的例子，以及卫星测高引起的地形解释。
首先是两张由ERS-1和GEOSAT数据合成的墨西哥湾部分地图，这些数据是GETech项目（利兹大学）该地区研究的一部分。左边的地图是一个显示平均海平面变化的大地水准面基础。右边是同一个区域，现在转换成重力变化（mgals），表明了海底结构的影响。
东部是佛罗里达海岸外的海洋，从ERS-1高度计数据中提取重力异常的测定结果。
这是一张西南太平洋地区的重力异常图，其中一个主要海沟（左图为汤加柯马德海沟）很容易被识别，一系列小海底火山组成了海山。这张地图强调了一个事实，即重力的变化往往会定义地壳与海洋界面的实际地形。
现在，检查一下南极洲周围南大洋的重力图。
已经为大陆和海底绘制了各种全球重力变化图，这是典型的：
同样，仅显示海底重力异常的地图也已发布：
实际海底表面（其地形）的地图与重力图非常相似，因为它们通常使用相同的颜色方案（蓝色表示低，红色表示高）。这些地图几乎与水深图（显示海水覆盖深度的地图）相同。这是西印度洋部分海脊和转换断层系统的地形图：
这是Smith和Sandwell制作的全球陆地和海洋地形图的一部分；它覆盖了一个45×45°的区域，包括中国和东南亚的一部分，以及从日本北部到印度尼西亚向东进入西太平洋的海洋地形。
完整的Smith和Sandwell一级地形图（1995年）在这里复制：
最新的地球物理重力卫星是Grace（重力恢复和气候实验），于2002年3月17日发射。格蕾丝实际上是两颗在同一轨道上相距500公里但220公里的卫星（编队飞行）。每颗卫星的精确位置始终取决于它们与全球定位卫星（GPS）的无线电相互作用。每个GRACE卫星都使用微波信号精确地确定航天器与海面（以及陆地）上各点之间的垂直距离，以获得10的海面高度。3 比以前的系统精确倍。这将生成更详细的大地水准面或平均重力场的图像。第一张全球图像显示了一个显著的特征：
这一特点是在会聚板块边界上对俯冲带有很好的定义。这些是以红色显示的模式。尤其要注意阿留申山脉、印度尼西亚山脉和喜马拉雅印度边界。
2003年7月，格蕾丝团队发布了世界上最精确的（以10倍以上的系数计算）重力图。所代表的大地水准面显示了表明大地水准面的变化（除去200米（650英尺）以下的海流、风和潮汐效应后，其实际高度差）。这表示现在显示厘米级别变化的能力。
Grace将继续获取高灵敏度数据长达5年；将根据数据集构建重力剖面。利用Grace微波测量制作全球重力图。