云南及周邊地區(qū)高精度水平速度場模型的建立及精度分析

趙政權(quán)

云南及周邊地區(qū)高精度水平速度場模型的建立及精度分析

趙政權(quán)

（云南國土資源職業(yè)學(xué)院 國土空間信息學(xué)院，昆明 652501）

針對云南及其周邊地區(qū)地殼運動變化劇烈的問題，對中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）觀測數(shù)據(jù)進行處理分析，基于歐拉矢量構(gòu)建云南及周邊地區(qū)（坐標(biāo)為21°N ~33°N，98°E ~112°E）高精度水平速度場模型，并對模型進行精度評估及結(jié)果可視化輸出。實驗結(jié)果表明：云南及周邊地區(qū)整體具有西北向東南運動的趨勢。整體測站平均速度為：東（）方向為11.31 mm/a、北（）方向為-24.86 mm/a。對該模型精度表明分析表明：、方向的內(nèi)外符合速度殘差絕對值為0.3~0.6 mm/a，中誤差為0.5~0.9 mm/a，其最大值為2.802 mm/a，內(nèi)外符合精度保持在同一精度水平，基于歐拉矢量法建立云南及其周邊地區(qū)水平速度場模型的精度，在、方向的精度能達到1 mm/a，對模型結(jié)果進行可視化輸出（空間分辨率為1°×1°），可以更加直觀、高效地看出速度場的空間分布特征。

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) ；速度場；歐拉矢量；板塊運動

0 引言

地殼運動是由于地球內(nèi)部原因引起的組成地球物質(zhì)的機械運動，是導(dǎo)致發(fā)生地震、火山爆發(fā)等重大災(zāi)難的根本原因，同時，地殼運動引起的站點坐標(biāo)變化，對現(xiàn)代毫米級大地測量技術(shù)產(chǎn)生巨大的影響[1]。

20世紀(jì)80年代，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）迅速興起并快速發(fā)展，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）也正式組網(wǎng)，以及地基GNSS基準(zhǔn)站的加密和升級，大規(guī)模GNSS組網(wǎng)也迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)，同時也為研究地球動力學(xué)、地殼運動提供了新的方法手段和技術(shù)支撐[2-3]。GNSS觀測具備全天候、連續(xù)性、大面積、全覆蓋和實時性的特點。目前在地震、火山噴發(fā)、冰川移動、山體滑坡、城市地表沉降監(jiān)測和滑坡形變監(jiān)測等領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果[4]。隨著對地殼運動研究的深入，人們相繼提出了各種建立地殼運動速度場模型的有效方法。文獻[5]基于全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）觀測數(shù)據(jù)，采用多面函數(shù)擬合法，建立了中國地殼平面運動速度場模型，得到了覆蓋范圍廣、分布均勻、實用價值高的中國地殼平面運動整體速度場圖像；文獻[6]提出基于局域歐拉矢量法，建立2000國家大地坐標(biāo)系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）速度場模型的理論，并通過實驗給出了局部區(qū)域點的模型；文獻[7-10]建立了中國大陸水平運動速度場模型，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：歐亞板塊的相對運動模型，僅能描述大陸的部分運動趨勢；中國大陸整體板塊相對運動模型，能夠較好地展現(xiàn)大陸整體運動趨勢。文獻[11]對比分析了全局歐拉矢量法、局域歐拉矢量法、格網(wǎng)平均值法和塊體歐拉矢量法在中國大陸的適用范圍和精度；文獻[12]構(gòu)建了福建省高精度水平速度場模型，實驗結(jié)果表明，福建省及周邊區(qū)域地殼整體呈現(xiàn)由西北至東南方向的運動趨勢，整體平均速度為東（）方向32.8 mm/a，北（）方向-11.7 mm/a。各個地區(qū)之間速度場之間存在差異性，而目前對云南地區(qū)高精度水平速度場模型相關(guān)研究較少，為了能對云南及其周邊地區(qū)地殼運動進行定量分析，需要建立云南及其周邊地區(qū)速度場運動模型。

我國云南省地處亞歐板塊和印度洋板塊的交界地帶，板塊間相互擠壓，地殼運動較活躍，是我國地震頻發(fā)地區(qū)之一。中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（The Crustal Movement Observation Network of China, CMONOC）是一個服務(wù)于大地測量學(xué)、地震學(xué)、地球物理學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)，能夠提供氣象預(yù)報、地震監(jiān)測的職能，已經(jīng)應(yīng)用到科學(xué)理論和應(yīng)用研究、社會防災(zāi)減災(zāi)和國民經(jīng)濟的建設(shè)中[13]。針對云南省地區(qū)板塊運動活躍、地震頻發(fā)的特點，本文以CMONOC觀測數(shù)據(jù)為研究對象，構(gòu)建云南省區(qū)域高精度速度場模型，為云南地區(qū)地殼運動、地震監(jiān)測、抗災(zāi)減災(zāi)提供理論參考。

1 歐拉矢量法數(shù)學(xué)模型

歐拉矢量法是將地球假象為一個正球體，地球各個板塊在一定程度上是連續(xù)的，并保持剛性不變。隨著地球的運動，其表面積保持一定量不變，即板塊在運動過程中，擴張生長與擠壓消亡的面積相等，此時用歐拉矢量來描述地殼運動的特征信息。

式（3）即為板塊運動的歐拉矢量模型，用歐拉矢量方法建立的地殼運動模型不僅可以描述地殼中板塊的運動，也可以用來描述板塊間的相對運動。

2 數(shù)據(jù)來源及解算策略

為建立云南及其周邊地區(qū)高精度速度場模型，采用2015—2019年CMONOC均勻分布在云南及其周邊地區(qū)的36個基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)，站點分布如圖1所示。

圖1 站點分布

本次實驗選取國內(nèi)5個國際GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）站（CHAN 站、BJFS 站、SHAO 站、WUHN 站、TWTF 站）進行基準(zhǔn)約束。采用加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）10.7軟件進行實驗數(shù)據(jù)處理[14-15]，基線解算參數(shù)配置如表1所示。

表1 基線解算參數(shù)配置

由表1可以看出，本次實驗過程中基線處理模式選擇松組合模式，對電離層和對流層延遲分別采用去電離層組合和模型（薩斯塔莫寧模型+全球映射函數(shù)）進行改正，同時考慮到潮汐改正、相位纏繞、相對論效應(yīng)，其目的是使解算結(jié)果更加可靠、穩(wěn)定。

通過參數(shù)配置進行基線解算和網(wǎng)平差，解算得到云南及周邊地區(qū)基準(zhǔn)站在國際地球參考框架2014下的坐標(biāo)和速度，在獲取基準(zhǔn)站實測速度值的基礎(chǔ)上，隨機選取了31個基準(zhǔn)站站建立云南及其周邊高精度速度場模型，剩下5個基準(zhǔn)站作為檢核點用于檢驗?zāi)Ｐ偷木取?/p>

3 案例分析

本文通過C語言程序構(gòu)建了基于歐拉矢量的歐亞板塊相對運動的云南及其周邊地區(qū)的高精度水平速度場模型，并基于格姆特（GMT）語言對模型計算結(jié)果進行可視化輸出（分辨率為1°×1°）[16]，可更加直觀地看出云南及周邊地區(qū)水平運動速度場運動趨勢，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 速度場模型可視化輸出

由圖2可知，建立的水平速度場模型顯示，云南及周邊地區(qū)整體具有西北向東南運動的趨勢，整體測站平均速度為：方向為11.31 mm/a、方向為-24.86 mm/a。采用內(nèi)符合精度及外符合精度的方式，來評估建立的云南地區(qū)水平速度場模型的精度，模型的內(nèi)符合精度以速度模型殘差的均方根誤差表示，模型的外符合精度以檢核基準(zhǔn)站模型值與實際值的偏差表示，對建立的云南及其周邊地區(qū)高精度水平速度場模型5個檢核點的內(nèi)外符合精度進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)外符合精度統(tǒng)計分析表 單位：mm/a

由表2可知，、方向的內(nèi)外符合速度殘差絕對值為0.3~0.6 mm/a，中誤差為0.5~0.9 mm/a，分量最大值為2.802 mm/a，總體來看，內(nèi)符合精度與外符合精度保持在同一精度水平上，基于歐拉矢量建立云南及其周邊地區(qū)水平速度場模型的精度在、方向能達到1 mm/a的精度。

4 結(jié)束語

本文采用2015—2019年CMONOC和IGS觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建并評估了云南及其周邊地區(qū)（范圍為21°N ~33°N，98°E ~112°E）高精度水平運動速度場模型。實驗結(jié)果表明：構(gòu)建的水平速度場模型顯示，云南及其周邊地區(qū)整體運動方向呈西北向東南運動的趨勢，、方向速度分別為11.31、-24.86 mm/a。對模型進行精度評估表明：、方向的內(nèi)外符合速度殘差絕對值為0.3~0.6 mm/a，中誤差為0.5~0.9 mm/a，分量最大值為2.802 mm/a；對構(gòu)建模型進行格網(wǎng)劃分并進行可視化輸出，可以更加直觀、高效、簡潔地看出速度場運動趨勢及空間分布特征。

[1]姚宜斌, 楊元喜, 孫和平, 等. 大地測量學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 測繪學(xué)報, 2020, 49(10): 1243-1251.

[2]程鵬飛, 成英燕. 基于GNSS的CGCS2000數(shù)據(jù)處理技術(shù)綜述[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2018, 43(12): 2071-2078.

[3]王伶俐, 洪敏, 張勇, 等. 云南地區(qū)GNSS應(yīng)變場時空演化與地震事件關(guān)聯(lián)分析[J]. 中國地震, 2020, 36(1): 91-104.

[4]張楠, 許文俊, 王靜, 等. 南北地震帶北段近年地殼水平運動[J]. 地震地磁觀測與研究, 2018, 39(4): 58-77.

[5]劉經(jīng)南, 施闖, 姚宜斌, 等. 多面函數(shù)擬合法及其在建立中國地殼平面運動速度場模型中的應(yīng)用研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2001, 25(6): 500-503, 508.

[6]吳富梅, 劉光明, 魏子卿. 利用局域歐拉矢量法建立CGCS2000速度場模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2012, 37(4): 432-435.

[7]王虎, 任營營, 連麗珍, 等. 大規(guī)模GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理一體化方案與中國大陸水平格網(wǎng)速度場模型構(gòu)建研究[J].大地測量與地球動力學(xué), 2020, 40(9): 881-887, 897.

[8]任營營, 王虎, 王解先, 等. 基于K-Means++的省內(nèi)子塊體劃分及中國大陸水平相對運動速度場模型的建立與分析[J]. 地球物理學(xué)報, 2020, 63(7): 2516-2533.

[9]于亮, 朱璇, 陳永祥, 等. 基于CMONOC建立和評估中國大陸地殼運動速度場模型[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2017, 37(7): 704-708, 714.

[10]趙齊樂, 郭向欣, 李敏, 等. 應(yīng)用PANDA軟件計算中國大陸水平運動速度場[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2016, 36(4): 338-342.

[11]魏子卿, 劉光明, 吳富梅. 2000中國大地坐標(biāo)系: 中國大陸速度場[J]. 測繪學(xué)報, 2011, 40(4): 403-410.

[12]杜仲進. 福建省高精度水平速度場模型構(gòu)建與評估[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2020, 8(5): 57-62, 75.

[13]馬下平, 趙立都. 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS基準(zhǔn)站地殼運動速度場分析[J]. 測繪科學(xué), 2018, 43(8): 1-6.

[14]CETIN S, AYDIN C, DOGAN U. Comparing GPS positioning errors derived from GAMIT/GLOBK and Bernese GNSS software packages: a case study in CORS-TR in Turkey[J]. Survey Review, 2019, 51(369): 533-543.

[15]ZHOU Changjie, MAO Jiuchang, WANG Hongyao, et al. Site selection and data processing of GNSS receiver calibration networks based on TEQC and GAMIT[J]. Global Geology, 2019, 22(2): 121-127.

[16]舒穎, 賀小星, 花向紅, 等. VB環(huán)境下交互式GMT地學(xué)繪圖軟件的設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 測繪工程, 2017, 26(2): 57-61.

Establishment and accuracy analysis of high precision horizontal velocity field model in Yunnan and its surrounding areas

ZHAO Zhengquan

（School of National Spatial Information, Yunnan Land and Resources Vocational College, Kunming 652501,China）

In view of the severe changes of crustal movement in Yunnan and its surrounding areas, this paper analyzed the Crustal Movement Observation Network of China (CMONOC). Based on the Euler vector, a high precision horizontal velocity field model in Yunnan and its surrounding areas (21°N-33°N, 98°E-112°E) is constructed, and the accuracy evaluation and visual output of the model are carried out. The experimental results show that: Yunnan and its surrounding areas have a northwest southeast movement trend, the overall station average velocity is 11.31 mm/a indirection and -24.86 mm/a indirection. The accuracy of the model shows that the absolute value of internal and external coincidence velocity residuals inanddirections is in the range of 0.3-0.6 and 0.5-0.9 mm/a, the mean square error is in the range of 0.5-0.9 mm/a, and the maximum component value is 2.802 mm/a. the accuracy of the horizontal velocity field model of Yunnan and its surrounding areas based on Euler vector method can reach the accuracy of 1 mm/a inanddirections. The visual output of the model results (spatial resolution of 1 ° × 1 °) can be more intuitive and efficient the spatial distribution characteristics of the field.

Crustal Movement Observation Network of China; velocity field; Euler vector; plate motion models

P228

A

2095-4999(2021)02-0114-04

趙政權(quán).云南及周邊地區(qū)高精度水平速度場模型的建立及精度分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2021,9(2): 114-117.（ZHAO Zhengquan.Establishment and accuracy analysis of high precision horizontal velocity field model in Yunnan and its surrounding areas[J].Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 114-117.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210218.

2020-12-17

云南省地礦局科技創(chuàng)新基金資助項目（2017JJ04）。

趙政權(quán)（1985—），男，甘肅武都人，碩士，講師，研究方向為精密工程測量與數(shù)據(jù)處理、大地測量理論與數(shù)據(jù)處理。