趙政權(quán)

云南及周邊地區(qū)高精度水平速度場(chǎng)模型的建立及精度分析

趙政權(quán)

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

針對(duì)云南及其周邊地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)變化劇烈的問(wèn)題，對(duì)中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎng)模型，并對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)估及結(jié)果可視化輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：云南及周邊地區(qū)整體具有西北向東南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。整體測(cè)站平均速度為：東（）方向?yàn)?1.31 mm/a、北（）方向?yàn)?24.86 mm/a。對(duì)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(duì)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(chǎng)模型的精度，在、方向的精度能達(dá)到1 mm/a，對(duì)模型結(jié)果進(jìn)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(chǎng)的空間分布特征。

中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) ；速度場(chǎng)；歐拉矢量；板塊運(yùn)動(dòng)

0 引言

地殼運(yùn)動(dòng)是由于地球內(nèi)部原因引起的組成地球物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(shí)，地殼運(yùn)動(dòng)引起的站點(diǎn)坐標(biāo)變化，對(duì)現(xiàn)代毫米級(jí)大地測(cè)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(guó)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(jí)，大規(guī)模GNSS組網(wǎng)也迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，同時(shí)也為研究地球動(dòng)力學(xué)、地殼運(yùn)動(dòng)提供了新的方法手段和技術(shù)支撐[2-3]。GNSS觀測(cè)具備全天候、連續(xù)性、大面積、全覆蓋和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。目前在地震、火山噴發(fā)、冰川移動(dòng)、山體滑坡、城市地表沉降監(jiān)測(cè)和滑坡形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果[4]。隨著對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)研究的深入，人們相繼提出了各種建立地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)模型的有效方法。文獻(xiàn)[5]基于全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用多面函數(shù)擬合法，建立了中國(guó)地殼平面運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)模型，得到了覆蓋范圍廣、分布均勻、實(shí)用價(jià)值高的中國(guó)地殼平面運(yùn)動(dòng)整體速度場(chǎng)圖像；文獻(xiàn)[6]提出基于局域歐拉矢量法，建立2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）速度場(chǎng)模型的理論，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了局部區(qū)域點(diǎn)的模型；文獻(xiàn)[7-10]建立了中國(guó)大陸水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)模型，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：歐亞板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，僅能描述大陸的部分運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；中國(guó)大陸整體板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，能夠較好地展現(xiàn)大陸整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。文獻(xiàn)[11]對(duì)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(guó)大陸的適用范圍和精度；文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了福建省高精度水平速度場(chǎng)模型，實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，整體平均速度為東（）方向32.8 mm/a，北（）方向-11.7 mm/a。各個(gè)地區(qū)之間速度場(chǎng)之間存在差異性，而目前對(duì)云南地區(qū)高精度水平速度場(chǎng)模型相關(guān)研究較少，為了能對(duì)云南及其周邊地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析，需要建立云南及其周邊地區(qū)速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模型。

我國(guó)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(yùn)動(dòng)較活躍，是我國(guó)地震頻發(fā)地區(qū)之一。中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（The Crustal Movement Observation Network of China, CMONOC）是一個(gè)服務(wù)于大地測(cè)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(bào)、地震監(jiān)測(cè)的職能，已經(jīng)應(yīng)用到科學(xué)理論和應(yīng)用研究、社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中[13]。針對(duì)云南省地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)活躍、地震頻發(fā)的特點(diǎn)，本文以CMONOC觀測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，構(gòu)建云南省區(qū)域高精度速度場(chǎng)模型，為云南地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)、地震監(jiān)測(cè)、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(gè)正球體，地球各個(gè)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(yùn)動(dòng)，其表面積保持一定量不變，即板塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，擴(kuò)張生長(zhǎng)與擠壓消亡的面積相等，此時(shí)用歐拉矢量來(lái)描述地殼運(yùn)動(dòng)的特征信息。

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

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及解算策略

為建立云南及其周邊地區(qū)高精度速度場(chǎng)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(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 站點(diǎn)分布

本次實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)5個(gè)國(guó)際GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）站（CHAN 站、BJFS 站、SHAO 站、WUHN 站、TWTF 站）進(jìn)行基準(zhǔn)約束。采用加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）10.7軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中基線處理模式選擇松組合模式，對(duì)電離層和對(duì)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(jìn)行改正，同時(shí)考慮到潮汐改正、相位纏繞、相對(duì)論效應(yīng)，其目的是使解算結(jié)果更加可靠、穩(wěn)定。

通過(guò)參數(shù)配置進(jìn)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(guó)際地球參考框架2014下的坐標(biāo)和速度，在獲取基準(zhǔn)站實(shí)測(cè)速度值的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取了31個(gè)基準(zhǔn)站站建立云南及其周邊高精度速度場(chǎng)模型，剩下5個(gè)基準(zhǔn)站作為檢核點(diǎn)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木取?/p>

3 案例分析

本文通過(guò)C語(yǔ)言程序構(gòu)建了基于歐拉矢量的歐亞板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的云南及其周邊地區(qū)的高精度水平速度場(chǎng)模型，并基于格姆特（GMT）語(yǔ)言對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 速度場(chǎng)模型可視化輸出

由圖2可知，建立的水平速度場(chǎng)模型顯示，云南及周邊地區(qū)整體具有西北向東南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，整體測(cè)站平均速度為：方向?yàn)?1.31 mm/a、方向?yàn)?24.86 mm/a。采用內(nèi)符合精度及外符合精度的方式，來(lái)評(píng)估建立的云南地區(qū)水平速度場(chǎng)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(shí)際值的偏差表示，對(duì)建立的云南及其周邊地區(qū)高精度水平速度場(chǎng)模型5個(gè)檢核點(diǎn)的內(nèi)外符合精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)外符合精度統(tǒng)計(jì)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(duì)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(lái)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(chǎng)模型的精度在、方向能達(dá)到1 mm/a的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用2015—2019年CMONOC和IGS觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建并評(píng)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(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：構(gòu)建的水平速度場(chǎng)模型顯示，云南及其周邊地區(qū)整體運(yùn)動(dòng)方向呈西北向東南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，、方向速度分別為11.31、-24.86 mm/a。對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)估表明：、方向的內(nèi)外符合速度殘差絕對(duì)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(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行格網(wǎng)劃分并進(jìn)行可視化輸出，可以更加直觀、高效、簡(jiǎn)潔地看出速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及空間分布特征。

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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(chǎng)模型的建立及精度分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),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(xiàng)目（2017JJ04）。

趙政權(quán)（1985—），男，甘肅武都人，碩士，講師，研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量與數(shù)據(jù)處理、大地測(cè)量理論與數(shù)據(jù)處理。