地壳运动背景场及其监测网数据处理理论与方法研究

论文摘要

近三十年空间大地测量技术的发展，开辟了监测和研究地壳运动和全球构造变化的新途径。本文主要利用GPS等空间大地测量手段的直接和间接观测资料，对形变分析背景场的定义、性质以及其建立方法进行了研究，并建立了全球主要板块和中国大陆内部块体的运动模型。针对采用几何观测量进行形变分析时存在的秩亏和计算结果物理意义缺失等问题，讨论了在观测数据处理过程中如何顾及地球物理模型预报信息的方法，提出了将抗差估计与滤波融合方法；在引入自适应滤波时，提出了适合地壳形变分析的自适应因子的联合确定方法，从而不仅解决了监测网平差中存在的秩亏问题，而且提高了处理结果的精度。 研究成果和内容具体包括： 1、进一步明确了全球背景场和区域背景场的概念，提出了区域几何背景场和区域物理背景场的概念；根据相似变换筛选后的IGS站运动速度，初步建立了全球板块运动模型ITRF2000VEL。基于已有和新建立的几何、物理背景场，比较和分析了中国地壳运动网络工程基准站在不同背景场下的运动情况，指出了背景场的合理选择对于形变分析研究的重要性。 2、深入研究了系统误差和粗差对GPS基线网平差的影响，建立了基于粗差探测和系统误差模型补偿的自由网平差模型；处理了中国地壳运动观测网络工程基准站4年的观测数据，对得到的坐标序列的变化和精度进行了分析；提出了利用多期GPS观测资料进行形变计算的改进的间接法，合理地定义了不同历元、不同手段观测资料之间的权矩阵。 3、较完善地建立了用于形变分析计算的最小二乘配置模型。在建立模型时区分趋势和信号，明确了模型参数的意义。针对最小二乘配置中的瓶颈问题即协方差函数的确定，结合抗差估计，提出了引入地球物理模型计算值做中心化，同时分区、按方向确定协方差函数的新方法，建立了中国大陆内部块体的抗差协方差函数模型。利用最小二乘配置方法构造了中国大陆内部主要块体的运动模型，计算了中国大陆的运动图象，初步解决了形变分析中观测资料缺乏以及分布不均匀的问题。 4、提出了抗差估计结合统计量检验建立板块运动模型和应变模型的方法。系统研究了抗差估计方法在地壳形变和应变分析中的应用，建立了用于形变和应变分析的抗差估计模型，改进了板块运动模型的建立方法。利用统计量检验得到的IGS数据，建立了理论更为完善的全球板块运动模型Ro-ITRF2000VEL。建立了中国大陆应变分析的南北、东西方向线应变、面膨胀率以及最大剪切应变模型，简要分析了中国大陆的应变特征。 5、提出了同时顾及地球物理模型预报值信息以及统计信息的抗差融合滤波方法。系统讨论了GPS观测量和地球物理模型预报信息的融合处理方法，对于融合处理中二者的地位不确定问题，提出了地球物理模型抗差权的确定方法。定义了有偏融合基准的概念。比较了融合滤波、抗差融合滤波以及基于方差分量的抗差融合滤波对不同情况数据的处理结果。从而一方面解决了数据处理的秩亏问题，另一方面也使几何观测量求得的形变量具有

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• §1.1 现代地壳运动研究的意义
• §1.2 现代地壳运动研究的方法和技术手段
• §1.3 国内外研究现状及存在问题
• 1.3.1 地质、地球物理学界在地壳运动方面的研究进展
• 1.3.2 大地测量学界在研究地壳运动方面的进展
• 1.3.3 我国对板块运动研究的情况
• §1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 地壳运动背景场
• §2.1 概述
• §2.2 地球参考框架的发展和现状
• §2.3 国际地球参考框架（ITRF）的建立
• §2.4 基于ITRF的全球框架背景场
• 2.4.1 引入ITRF全球框架背景场的意义
• 2.4.2 ITRF背景下点位形变的计算方法
• §2.5 区域背景场
• 2.5.1 区域物理背景场
• 2.5.2 区域几何背景场
• §2.6 基于ITRF2000的区域几何背景场的建立
• 2.6.1 欧亚板块区域几何背景场的建立
• 2.6.2 全球主要板块区域几何背景场的建立
• 2.6.3 网络工程基准站相对于ITRF2000VEL的速度场
• §2.7 本章小结
• 第3章 GPS基线网数据处理方法研究
• §3.1 概述
• §3.2 GPS自由网平差及其基准
• §3.3 GPS网数据处理中系统误差分析
• 3.3.1 卫星星历的系统误差
• 3.3.2 全球板块运动和局部形变引起的系统误差
• 3.3.3 基线解算起算点误差引起的系统误差
• 3.3.4 基线解算软件的差异
• 3.3.5 基线解算的策略不同引起的系统误差
• 3.3.6 GPS野外观测环境的差异
• 3.3.7 接收机的系统误差
• 3.3.8 系统误差的补偿方法
• §3.4 粗差探测及显著性检验
• 3.4.1 平差模型的整体检验
• 3.4.2 粗差探测
• 3.4.3 显著性检验
• §3.5 中国地壳运动观测网络工程数据处理结果
• §3.6 多期基线向量平差求解速度场的直接解法
• §3.7 多期基线向量平差求解速度场的间接解法
• 3.7.1 改进的间接法原理
• 3.7.2 数值试验
• 3.7.3 结果分析
• §3.8 本章小结
• 第4章 最小二乘配置在形变分析和反演中的应用
• §4.1 概述
• §4.2 最小二乘配置方法简介
• §4.3 形变分析的最小二乘配置模型的建立
• §4.4 协方差函数的抗差拟合
• 4.4.1 观测值中数抗差估计方法
• 4.4.2 计算信号的初始方差—协方差
• 4.4.3 协方差函数拟合
• §4.5 中国大陆整体水平运动的协方差函数模型的建立
• 4.5.1 与倾向参数相关的运动基准的选择
• 4.5.2 协方差函数模型的建立
• §4.6 算例与分析
• §4.7 最小二乘配置计算结果分析
• §4.8 本章小结
• 第5章 形变、应变模型的抗差估计
• §5.1 概述
• §5.2 粗差对位移及应变参数估值的影响
• 5.2.1 空间直角坐标系下的三维应变
• 5.2.2 粗差对位移和应变的影响
• §5.3 板块运动和应变模型的建立
• 5.3.1 板块运动模型的建立
• 5.3.2 应变参数的求解模型
• 5.3.3 测站坐标和空间直角坐标下点位位移的关系
• §5.4 板块运动参数和应变参数抗差估计方法
• 5.4.1 抗差估计的原理
• 5.4.2 抗差M估计
• 5.4.3 绝对值和最小值方法（The Least Absolute Sum Method）
• 5.4.4 Danish方法
• §5.5 方差传播和显著性检验
• §5.6 板块运动参数的抗差估计算例分析
• 5.6.1 采用全部观测数据计算结果比较
• 5.6.2 异常点检验计算结果
• 5.6.3 观测值含有粗差的计算结果
• §5.7 应变参数抗差计算与分析
• §5.8 本章小结
• 第6章 顾及几何信息和地球物理模型的地壳形变分析
• §6.1 概述
• §6.2 函数模型和随机模型
• §6.3 顾及先验信息的加权秩亏网平差解法
• §6.4 最优线性估计（Best Linear Estimation）
• §6.5 顾及先验信息的滤波解法
• 6.5.1 滤波计算原理
• 6.5.2 基准问题
• 6.5.3 数值验算
• §6.6 地球物理模型的抗差权
• §6.7 本章小结
• 第7章 抗差自适应形变分析
• §7.1 概述
• §7.2 自适应滤波原理及其精度估计
• 7.2.1 自适应滤波解原理
• 7.2.2 自适应滤波精度估计
• §7.3 地壳运动和形变参数的抗差自适应滤波解法
• 7.3.1 M—LS抗差自适应滤波
• 7.3.2 LS—M抗差自适应滤波
• 7.3.3 M—M抗差自适应滤波
• §7.4 统计量构造方法和多因子滤波原理
• 7.4.1 几种统计量的构造方法
• 7.4.2 多自适应因子滤波
• §7.5 地壳形变分析中自适应因子确定的方法
• 7.5.1 根据不同的运动方向确定自适应因子
• 7.5.2 自适应因子的分块确定方法
• §7.6 抗差自适应形变计算分析
• 7.6.1 秩亏网平差、拟稳平差和自适应滤波结果比较
• 7.6.2 不同滤波方法计算结果比较
• 7.6.3 自适应因子
• §7.7 本章小结
• 第8章 结论与展望
• §8.1 主要工作总结和结论
• §8.2 展望与建议
• 参考文献
• 附录
• 作者简历 攻读博士期间所完成的主要工作
• 致谢