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一、臺灣重力測量簡介

依據國土測繪法規定,測量基準包括大地基準、高程基準、深度基準及重力基準,基本測量包含測量基準之測量及基本控制測量。重力測量為國家基本測量工作之一,主管機關為內政部。為此內政部地政司及本中心自 92 年起陸續建立臺灣之重力基準點及重力控制網,並實施船載、空載及測高衛星重力測量,以健全臺灣本島及周遭海域之重力資料,供各界使用。

二、國家重力基準站及臺灣重力基準與系統簡介

【一】國家重力基準站

測量基準為國土測繪的基本準據,亦為各項建設之基礎,其包含大地基準、高程基準及重力基準等,內政部自 82 年起陸續以先進測量儀器建立大地及高程等測量基準。在重力基準方面,早期仍是以設於臺北松山機場的國際重力基準點作為我國之基準參考,但隨著重力測量廣泛之應用及精度要求的提升,內政部自 92 年開始規劃「國家重力基準站」,經歷多次的選址勘查及國內外專家學者的會勘,於 93 年經國防部同意,在原國軍新竹市十八尖山戰備坑道中設立基準站,於 95 年正式啟用。期間亦陸續添購絕對重力儀FG-5、相對重力儀EG及超導重力儀SG供後續國家重力網控制點建置之用。

依據基本測量實施規則第 8 條規定,中央主管機關應選定重力基準站及絕對重力點作為重力基準,並將其測量成果作為訂定重力系統之依據。新竹市十八尖山重力基準站應用 SG 超導重力儀提供連續性之重力微小變化作為國家重力參考基準,並整合國內外機構成立國際標準級「大地及地動監測實驗室(LOGG)」,為國內災害監測、資源探勘、環境變遷、計量標準及衛星定軌等研究開啟重要里程碑。有關國家重力基準站大地及地動監測實驗室(LOGG)相關內容,請詳閱網站http://www.logg.org.tw/ 

  • 超導重力儀 超導重力儀
  • 超導重力儀控制器 超導重力儀控制器

【二】臺灣重力基準與重力系統之訂定

重力基準包括新竹重力基準站(HS)及其雙絕對重力點,一為新竹主點(點號:HS01)位於站內,一為新竹副點(點號:HS02)位於鄰近之國家度量衡標準實驗室。使用經國際重力比對(如International Comparison of Absolute Gravimeters, ICAG)驗證之絕對重力儀,進行長期觀測分析,並將其測量成果作為訂定重力系統之依據。

基本控制測量之重力值計算,應依據重力基準之測量成果化算,並視精度需要進行環境改正。由內政部於98年12月25日以台(98)內地字第0980229432號公告發布重力基準及重力系統之成果,並命名為二ΟΟ九重力系統(Gravity System 2009,簡稱GS2009),其基準數據如下:

絕對重力點 點位面重力值 準確度
新竹主點(HS01) 978901.91毫伽 0.01毫伽
新竹副點(HS02) 978913.96毫伽 0.01毫伽

內政部98年12月25日台(98)內地字第0980229432號公告

三、重力資料觀測

【一】陸地重力測量

(一) 設備

近幾年來,辦理陸地重力測量所使用的儀器,大致上以 Graviton EG 及 Scintrex CG-5。

  • 超導重力儀Graviton EG
  • 陸地重力測量儀器 scintrex CG-5 Scintrex CG-5

(二) 資料分布與計畫

陸測重力資料從 69 年起陸續由中央研究院地球科學研究所、中國測量工程學會、內政部等單位持續建置,至 92 年止共累積近 4,000 筆重力資料,範圍涵蓋臺灣本島西部平原地區及東部線狀狹長地帶。為求強化臺灣地區重力點之分布密度,內政部另於 93 年委託民間公司辦理「一、二等重力測量工作」,施測約 4,500 點之高精度地面重力值,以供我國重力控制網布設工作之用。關於臺灣山區部分,陸測重力資料仍屬欠缺,因此本中心於 100 年至 101 年間辦理花東及山區重力測量工作,範圍涵蓋花蓮、臺東及全臺灣山區。

  • 陸測重力點位分布圖(左)69~92年、(右)93~95年陸測重力點位分布圖(左)69~92年、(右)93~95年
  • 花東及山區重力點位分布圖(左)100年、(右)101年花東及山區重力點位分布圖(左)100年、(右)101年

歷年陸測重力測量成果一覽表

時間 儀器 重力資料測量 平均精度
(mGal)
參考文獻 來源
69~79年 LCR-G 603 N/A Yen et al. (1990)
Yen et al. (1995)
中央研究院地球科學研究所
I.75~77年
II.86~88年
LCR-G I.276
II.747
N/A (黃金維等,1998) 中國測量工程學會
89~90年 LCR-G 1020 0.070 (陳春盛,2003) 內政部,一等二級水準點重力資料
90~92年 LCR-G 1092 0.070 (陳春盛,2003) 內政部,一等二級水準點重力資料
95~97年 SCINTREX CG-5 2157 0.025 95年度一等水準點上重力測量檢測工作 內政部國土測繪中心
93~95年 Graviton EG / CG-5 4356 0.039   內政部,臺灣一、二等重力點重力資料
100年 Graviton EG 271 0.042 100年度花東及山區重力 內政部國土測繪中心
101年 Graviton EG 390 0.044 101年度花東及山區重力 內政部國土測繪中心

(三) 重力測量成果公告

102年臺灣地區重力網重力測量成果業經內政部103年3月13日台內地字第1030108069號公告,並刊登行政院公報,成果說明如附件。 為建立國家重力網,本中心配合內政部自92年開始執行「國家基本測量發展計畫」,將其列為重要工作項目,規劃辦理國家重力基準站、絕對重力測量、陸地一、二等重力測量、船載重力測量、空載重力測量等相關工作。 本次公告成果包括絕對重力點17點、一等重力點683點、二等重力點6,084點,共計6,784點,其點位分布範圍涵蓋臺、澎、金、馬。

內政部103年3月13日台內地字第1030108069號公告

102年臺灣地區重力網重力測量成果說明

【二】船載重力測量

(一) 設備

辦理船載重力測量所使用的船載重力儀ZLS DYNAMIC METERS(此儀器為內政部提供使用),並置於船艙內部如下所示:

  • ZLS DYNAMIC METERSZLS DYNAMIC METERS
  • 重力儀置船艙內與碼頭高程幾何關圖重力儀置船艙內與碼頭高程幾何關圖

(二) 資料分布與計畫

85年以前台灣海域計有4千餘筆船載重力測量資料(National Geophysical Data Center),由於海洋重力測量資料,可提供作為國家高精度基本測量、海洋資源開發、海面與海底工程設計與施工、船艦精密導航以及海底地殼活動與海洋潮汐研究等多方面運用,為極重要且珍貴之大地測量觀測資料。因此本中心於95年至97年間辦理基隆、小琉球、綠島、蘭嶼及澎湖海域方圓50公里之船載重力測量工作。惟臺灣沿岸與海洋交接處,重力資料仍屬缺乏,本中心即規劃於100至102年辦理臺灣本島近岸船載重力測量作業,100及101年已分別完成西南及西北地區近岸海域,102年辦理臺灣東部地區近岸海域船載重力測量工作,完成臺灣本島環島近岸海上重力測量。

  • 85年以前之船載重力異常圖(Hsu et al., 1998)85年以前之船載重力異常圖(Hsu et al., 1998)
  • 船載重力異常圖(左上)基隆(中上)澎湖(右上)
                小琉球(左下)綠島(右下)蘭嶼船載重力異常圖(左上)基隆(中上)澎湖(右上) 小琉球(左下)綠島(右下)蘭嶼

近岸船載重力測量之重力異常圖(左)100年、(中)101年、(右)102年

近岸船載重力測量之重力異常圖(左)100年、(中)101年、(右)102年

歷年船載重力測量成果一覽表

船載重力資料區域 時間 儀器 重力資料數量 濾波罩窗半徑 交叉點分析精度
(mGal)
參考文獻 備註
臺灣環海 85年之前 R/Vl’ Atalante KSS30 4084 N/A 11.2 Hsu et al. (1998) 本組資料包含NGDC重力資料
臺灣本島東部及東北部沿海海域 93~94 L&R S130 1600及2450海哩測線 N/A 3.5 93年度計畫 內政部
基隆沿海海域 95年 L&R S130 1760 120~150 seconds 1.895 93年度計畫 內政部國土測繪中心
小琉球沿海海域 95年 L&R S130 1923 120~150 seconds 1.944 95年度計畫 內政部國土測繪中心
綠島沿海海域 96年
~97年
L&R S130 1737 120~150 seconds 0.653 96年度計畫 內政部國土測繪中心
蘭嶼沿海海域 96年
~97年
ZLS Dynamic Gravimeter 1939 120~150 seconds 1.593 96年度計畫 內政部國土測繪中心
澎湖沿海海域 97年 ZLS Dynamic Gravimeter 1906 120~150 seconds 0.882 97年度計畫 內政部國土測繪中心
臺灣本島西南部沿岸 100年 ZLS Dynamic Gravimeter 2329 120seconds 1.336 100年度計畫 內政部國土測繪中心
臺灣本島西北部沿岸 101年 ZLS Dynamic Gravimeter 2947 120seconds 2.359 101年度計畫 內政部國土測繪中心
臺灣東部近岸 102年 ZLS Dynamic Gravimeter 2259 120seconds 2.044 102年度計畫 內政部國土測繪中心

【三】空載重力測量

(一) 設備

辦理空載重力測量所使用的飛機及空載重力儀L&R Air-Sea Gravity System II。

  • 空載重力儀作業飛機空載重力儀作業飛機
  • 空載重力儀L&R Air-Sea Gravity System II空載重力儀L&R Air-Sea Gravity System II

(二) 資料分布與計畫

為求強化臺灣地區重力點之分布密度,內政部於93年委託學術界辦理航高16,000英呎空載重力測量工作,以求快速補強山區之重力測量成果。
內政部於95年與97年各推行了5,000英呎的低航高空載重力測量工作,加強建置海洋重力測量資料範圍分別涵蓋臺灣東部海面及西部海面及東沙群島。

  • 93年空載重力航線圖93年空載重力航線圖
  • 95年空載重力航線圖95年空載重力航線圖
  • 97年空載重力航線圖97年空載重力航線圖

 

歷年空載重力測量成果一覽表

時間 儀器 濾波罩窗半徑 交叉點分析精度(mGal) 來源 備註
93~94年 L&R S130 150~180 seconds 2.792 空載重力測量工作 航高:5156公尺
95~97年 L&R S130 150~180 seconds 2.675 臺灣東部海域空載重力測量工作 航高:1620公尺
97~98年 L&R S130 150~180 seconds 2.573 西部及東沙海域空載重力測量工作 航高:1620公尺

【四】測高重力測量

(一) 設備

測高衛星利用多測高數據反演測高海洋重力異常示意圖
(圖片轉載自NASA JPL)
測高衛星利用多測高數據反演測高海洋重力異常示意圖
(圖片轉載自NASA JPL)

測高數據使用Inverse Vening Meinesz formula (IVM) (Hwang, 1998)搭配去除回復法(remove-compute-restore procedure)來進行2’× 2’測高海洋重力異常的計算,如下圖:

測高海洋重力異常
測高海洋重力異常

衛星資料名稱 資料類型 資料篩選 來源
Geosat/ERM 重複週期 取平均 國外網站
ERS-1/35d 重複週期 取平均 國外網站
ERS-2/35d 重複週期 取平均 國外網站
T/P 重複週期 取平均 國外網站
retracked-Geosat/GM 非重複週期 Retracker標準偏差,門檻值為0.2 國外網站
retracked-ERS-1/GM 非重複週期 Retracker標準偏差,門檻值為0.2 國外網站

四、大地起伏模式說明與建立

大地水準面(Geoid)為地球實際重力場之等位面,亦是高程測量之基準、傳統水準測量之起算面。經水準測量所得之高程為正高參考於大地水準面,由GPS系統所求得之橢球高其高程系統參考於旋轉橢球體,兩者高程間之差異則稱為大地起伏一般以N表示。若能得到精確之大地起伏N值,則可進行橢球高與正高間之轉換,結合重力測量、GPS測量、水準測量、數值地形模型(DTM)及高解析度全球重力位球諧展開模式則可求解出高精度大地起伏模式。

內政部於86年擬定「國家基本測量控制點建立及應用計畫」,並奉行政院核定自88年起至91年止,分四年在臺灣本島施測2,065個一等水準點,並於一等水準點上加測衛星定位測量及重力測量後,臺灣本島陸地上之重力值觀測及重力成果建置才具初步之基礎。隨著陸測、船載、空載、衛星測高等重力資料之蒐集與更新,大地起伏模式也獲得了更好的成果。

內政部及本中心近年來積極推動臺灣地區重力測量工作,克服臺灣特殊之地理環境,辦理陸地重力測量、空載重力測量、船載重力測量,建立完整之重力網,並搭配高精度及高解析度數值地形模型(Digital Terrain Model, DTM)、一等水準點之GPS及水準測量資料修正,完成103年臺灣地區大地起伏模型,以提供各界於橢球高與正高轉換媒介。有關內政部103年臺灣地區大地起伏模型詳細訊息如下:

1.內政部103年臺灣地區大地起伏模型成果業經內政部103年6月4日台內地字第1030178307號公告在案,並刊登行政院公報,成果說明如附檔,如有需求,可洽本中心申請。

2.大地起伏模型分為重力法大地起伏模型及混合法大地起伏模型。本次公告成果-臺灣地區大地起伏模型(TWHYGEO2014)是採用混合法大地起伏模型,適用範圍為北緯21度至26度,東經119度至123度所形成之矩形範圍。

3.申請方式:依內政部控制測量成果供應要點規定,填具前開要點附表一申請表(申請成果項目勾選9,臺灣地區大地起伏計算程式)以郵寄本中心或以傳真方式辦理,本中心承辦單位:控制測量課,傳真電話:04-22593050。
內政部103年6月4日台內地字第1030178307號公告
103年臺灣地區大地起伏模型成果說明
內政部基本控制測量成果供應要點
內政部基本測量成果申請表(PDF格式ODT格式)

臺灣大地起伏模型
臺灣大區大地起伏模型

五、發展臺灣高程現代化作業

高程參考系統現代化,簡稱高程現代化(Height Modernization),係推動以重力為基礎之高程參考系統。具體而言,即是透過全球定位系統(GPS)與全球導航衛星系統(GNSS)技術結合大地水準面模式以決定橫跨整個國家、對應相同高程基準的高程測量或觀測方式。

辦理高程現代化作業,藉由增加重力資料之密度與精度,精進現有大地起伏模式。本中心正綜合其他先進國家及專家意見,朝下列方向努力,期能更精進現有之大地起伏模式,達成臺灣地區高程現代化之目標。
(一)、山區陸測重力資料蒐集。
(二)、GPS/Leveling資料蒐集。
(三)、e-GPS站正高資料蒐集。
(四)、臺灣大地起伏模型精度分析。

六、重力測量之應用

舉凡人造衛星之發射及軌道計算、海洋資源之開發及地球科學之研究及應用、天然資源之探勘及開採、正高系統之建立、大地水準面之計算等,均需有精確詳實之重力資料以資應用。

正因為重力係反映地球形狀、地殼運動的重要資訊,故以重力異常推求大地水準面(Geoid)為大地測量中最重要課題;為了得到上述資訊,必須針對全球重力進行量測,除利用高精度之絕對重力測量、相對重力測量技術進行地面測量,再配合先進衛星、飛機、船舶載具測量技術,全面進行地球重力量測工作。

(臺灣重力測量記事)