并址技術(shù)在監(jiān)測(cè)地殼垂直運(yùn)動(dòng)方面的應(yīng)用

田風(fēng)勛，陳 卓，孫建軍，田 亮

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710054）

并址技術(shù)在監(jiān)測(cè)地殼垂直運(yùn)動(dòng)方面的應(yīng)用

田風(fēng)勛1，陳 卓1，孫建軍1，田 亮2

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710054）

并址技術(shù)是指在同一測(cè)站并置GPS、SLR、VLBI等不同空間定位技術(shù)的手段。利用全球分布的31個(gè)并址站近10 a連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地殼垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明運(yùn)用不同技術(shù)手段對(duì)相同地理位置地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果存在相似性，同時(shí)也存在一定程度的差異。針對(duì)這種現(xiàn)象，進(jìn)行了系統(tǒng)分析與探討。

并址站；地殼運(yùn)動(dòng)；空間定位技術(shù)；周年振幅

多種空間技術(shù)并址于同一測(cè)站，從而實(shí)現(xiàn)同等條件下不同技術(shù)并行觀測(cè)，已隨空間技術(shù)的成熟得到廣泛應(yīng)用。例如，建立國(guó)際地球參考框架的臺(tái)站中就有數(shù)十個(gè)并址站，這些測(cè)站為不同空間技術(shù)之間的系統(tǒng)歸算、聯(lián)合平差、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等提供了便利條件，同時(shí)并址技術(shù)依托不同空間技術(shù)觀測(cè)的原理差異，實(shí)現(xiàn)了相互間改正系統(tǒng)誤差提高觀測(cè)精度的目的。田亮[1]等基于全球并址技術(shù)臺(tái)站對(duì)GPS自身系統(tǒng)性誤差進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)GPS測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果中包含自身系統(tǒng)性誤差干擾。孫付平[2]等依托并址站對(duì)GPS、VLBI和SLR技術(shù)確定的地心坐標(biāo)精度進(jìn)行了分析比較。本文根據(jù)搜集的全球并址站觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了臺(tái)站所處大陸板塊垂直運(yùn)動(dòng)的情況，并對(duì)不同技術(shù)的處理結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 并址站概況

本文從全球并址站中選取了31個(gè)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的測(cè)站作為研究對(duì)象，這些并址站同時(shí)并置了GPS、SLR、VLBI三種觀測(cè)技術(shù)。并址站處理數(shù)據(jù)可從ITRF[3]官方網(wǎng)站下載；觀測(cè)區(qū)間為2000～2009年，時(shí)間長(zhǎng)度不等；選取的31個(gè)并址站基本覆蓋了全球各主要大陸板塊，能夠有效代表全球地殼運(yùn)動(dòng)的基本情況，分布如圖1、2所示。

圖1 GPS與SLR并址站概略位置分布

圖2 GPS與VLBI并址站概略位置分布

2 地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)基本原理

監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)主要依靠分布于地殼表面的臺(tái)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)地球表面臺(tái)站長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)時(shí)間序列進(jìn)行處理，可監(jiān)測(cè)臺(tái)站所處的板塊運(yùn)動(dòng)特征，主要包括板塊水平運(yùn)動(dòng)、板塊之間匯聚或擴(kuò)張、板塊垂向周期運(yùn)動(dòng)和地殼壓縮或膨脹等。水平方向運(yùn)動(dòng)多為百萬(wàn)年尺度運(yùn)動(dòng)，短周期內(nèi)以線性運(yùn)動(dòng)為主。垂直方向運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，本文主要對(duì)垂直方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，監(jiān)測(cè)手段主要采用快速傅里葉變換方法[4]提取測(cè)站不同技術(shù)手段運(yùn)動(dòng)周期。其變換原理為：

設(shè)點(diǎn)數(shù)為N=2L，L為整數(shù)，如果不滿足該條件，補(bǔ)零。將序列X（n）按照n的奇偶分成兩組：

將N點(diǎn)傅里葉變換定義式分解為2個(gè)長(zhǎng)度分別為N/2的傅里葉變換：

3 算例與分析

3.1 算例

利用快速傅里葉變換技術(shù)對(duì)上述并址站GPS、SLR、VLBI三種手段觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取臺(tái)站坐標(biāo)變化的主要趨勢(shì)。臺(tái)站坐標(biāo)變化反映了臺(tái)站所處的地殼板塊運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)勢(shì)性，在一定程度上反映了板塊的活躍程度。由于并址站數(shù)量較多，在此以上海并址站為例，展示經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的坐標(biāo)垂直變化情況（圖3）。

由圖3不難看出，上海并址站提取的臺(tái)站變化主要趨勢(shì)中，3種空間技術(shù)的走勢(shì)極為相似，周期近似為1 a，即上海站所處的板塊垂直運(yùn)動(dòng)短期內(nèi)主要表現(xiàn)為以1 a為周期的波動(dòng)，利用3種空間技術(shù)監(jiān)測(cè)這種波動(dòng)趨勢(shì)的結(jié)果具有一致性，但是波動(dòng)量級(jí)有一定區(qū)別，為了驗(yàn)證這種量級(jí)區(qū)別是否是個(gè)別現(xiàn)象，下面將所有參與實(shí)驗(yàn)的并址站監(jiān)測(cè)波動(dòng)量級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

圖3 3種技術(shù)坐標(biāo)變化主要趨勢(shì)

圖4 所有并址站3種技術(shù)監(jiān)測(cè)波動(dòng)振幅統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)所有并址站不同技術(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，GPS、SLR、VLBI三種空間技術(shù)監(jiān)測(cè)得到的同一地殼形變量級(jí)有一定區(qū)別，其中SLR與GPS并址的臺(tái)站中，SLR技術(shù)監(jiān)測(cè)量級(jí)整體大于GPS監(jiān)測(cè)量級(jí)；VLBI與GPS并址的臺(tái)站中，VLBI技術(shù)監(jiān)測(cè)量級(jí)整體大于GPS量級(jí)；而VLBI與SLR水平分量量級(jí)相似，穩(wěn)定在5 mm左右，垂直分量量級(jí)穩(wěn)定在10 mm左右。實(shí)驗(yàn)測(cè)站中有4個(gè)并址站為三技術(shù)并址，即同一臺(tái)站包含了GPS、SLR、VLBI三種技術(shù)，4個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)的地殼垂直形變波動(dòng)量化情況如表1。

3.2 分析與探討

從所有并址站的振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，SLR、VLBI和GPS技術(shù)統(tǒng)計(jì)的臺(tái)站主要是非線性變化振幅不同，SLR與VLBI技術(shù)統(tǒng)計(jì)的波動(dòng)規(guī)律在垂直方向上絕大部分都高于GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)的振幅。因此SLR、VLBI技術(shù)可作為分離GPS技術(shù)系統(tǒng)誤差的有益參考[5]。

表1 并址站監(jiān)測(cè)地殼垂直形變振幅與相位比較

絕大部分并址站3種技術(shù)監(jiān)測(cè)的波動(dòng)規(guī)律周期在52～60周之間，也就是說周期在1 a左右，規(guī)律較為明顯[6]，說明地殼短周期垂直運(yùn)動(dòng)以周年運(yùn)動(dòng)為主。

Simeiz、Hartebeesthoek、Tidbinbilla、ShangHai四個(gè)臺(tái)站同時(shí)包含3種空間技術(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，3種技術(shù)對(duì)地殼垂直形變變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，振幅相差較大。同時(shí)有一個(gè)現(xiàn)象值得重視：位于北半球的Simeiz和ShangHai并址站垂直形變隨時(shí)間變化趨勢(shì)具有相似性，初始相位在0°左右；南半球Hartebeesthoek和Tidbinbilla并址站二者相位變化具有相似性，初始相位在180°左右，即南北半球之間并址站監(jiān)測(cè)結(jié)果相位變化差距約為180°，二者呈反向趨勢(shì)。通過查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)可知，目前臺(tái)站垂直方向的這種趨勢(shì)變化引起機(jī)制尚無(wú)定論，與氣壓變化、熱脹冷縮、冰后回彈、潮汐負(fù)荷等因素皆有關(guān)聯(lián)[7-8]，這種反向趨勢(shì)是否驗(yàn)證了垂直形變以季節(jié)性因素影響更多值得探討，需要更多的南北半球臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

過去人們單純依靠某種技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼形變，往往包含該技術(shù)本身的系統(tǒng)性因素，結(jié)果容易產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。目前，監(jiān)測(cè)地殼形變的空間技術(shù)日益增多且成熟，并址技術(shù)的推廣使得監(jiān)測(cè)結(jié)果越來(lái)越穩(wěn)定。依托并址技術(shù)能夠較好地發(fā)揮各種監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)不足。本文簡(jiǎn)要分析了并址站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的初始結(jié)果，發(fā)現(xiàn)并址技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)臺(tái)站的形變規(guī)律，為形變機(jī)制研究提供客觀依據(jù)；同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)技術(shù)本身的系統(tǒng)影響，有利于剔除系統(tǒng)性誤差，還原地殼形變本身的機(jī)制影響。因此隨著并址技術(shù)的推廣，未來(lái)多技術(shù)包括3種技術(shù)、4種技術(shù)并址測(cè)量將成為一種趨勢(shì)，對(duì)于地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)也將更加精細(xì)化。

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[4] 田亮,孫付平,李楚陽(yáng).基于GPS測(cè)站坐標(biāo)殘差序列的ARMA建模方法研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(2):124-127

[5] 田亮,段金梅,王強(qiáng),等. 基于全球并置站的GPS周年系統(tǒng)性誤差分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2013,33(1):78-80

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[7] 周江存,孫和平. 高精度GPS觀測(cè)中的負(fù)荷效應(yīng)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(10):1 036-1 040

[8] 張?jiān)娪?鐘敏,唐詩(shī)華.我國(guó)GPS基準(zhǔn)站地殼垂直形變的大氣負(fù)荷效應(yīng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2006,31(12): 1 090-1 093

P228

B

1672-4623（2016）07-0069-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.021

田風(fēng)勛，從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理與工程測(cè)量工作。

2015-08-31。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41374027）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA122501）。