基于矩谐分析的航空重力向下延拓

提出基于矩谐分析的航空重力向下延拓方法,以重力扰动作为基本观测值,给出基于矩谐分析的向下延拓模型和算法。利用EGM2008重力位模型设计模拟数值试验,对比研究矩谐分析、直接法和基于广义岭估计的逆泊松积分法,分别采用这3种方法将飞行高度处含高斯白噪声的2.5′×2.5′重力扰动向下延拓至大地水准面,与真实值作外部检验。数值比较结果表明:矩谐分析在延拓精度、稳定性和边界效应等方面都要优于直接法和基于广义岭估计的逆泊松积分法,能取得良好的向下延拓效果。     

航空重力向下延拓的最小二乘配置Tikhonov正则化法

基于最小二乘配置法向下延拓航空重力的过程中,由于协方差矩阵严重病态,影响延拓结果的稳定性和精度。针对这一问题,提出了航空重力向下延拓的最小二乘配置Tikhonov正则化法。基于全球协方差函数模型建立航空重力数据与地面重力数据的协方差关系,引入基于广义交叉验证法,选择正则化参数的Tikhonov正则化法改善协方差矩阵的病态性,抑制观测噪声对延拓结果的放大影响。基于EGM2008重力场模型,设计了山区、丘陵和海域3种不同地形区域的航空重力数据向下延拓的仿真实验,实验结果验证了该方法的有效性。     

航空重力向下延拓的多参数正则化方法

为了克服航空重力向下延拓解算的病态性影响,介绍了一种多参数正则化方法,以均方误差最小为目标函数,设计了选取正则化参数的迭代算法,并比较了基于L曲线法、广义交叉核实(generalized cross-validation,GCV)方法选取正则化参数的Tikhonov正则化方法,同时给出了均方误差意义下多参数正则化解优于最小二乘估计的条件。基于EGM2008地球重力场模型进行了仿真试验,计算结果表明,多参数正则化方法能够保证向下延拓结果的可靠性和稳定性,并优于现有的Tikhonov正则化方法,验证了多参数方法在航空重力向下延拓中的可行性。     

基于广义补偿最小二乘法的航空重力向下延拓

航空重力向下延拓是病态问题,而广义补偿最小二乘法可以很好地克服病态性。研究了基于广义补偿最小二乘法的逆Poisson积分的航空重力向下延拓模型,并设计实验方案,将EGM2008地球位模型计算的重力异常作为仿真实验的数据,分别用最小二乘、Tikhonov正则化、广义补偿最小二乘3种方法求解,对其精度及仿真效果进行比较。结果表明,广义补偿最小二乘方法精度高,对仿真效果有显著提高。     

航空重力数据向下延拓的波数域迭代Tikhonov正则化方法

航空重力数据向下延拓是重力场数据联合处理的重要步骤。研究了Tikhonov正则化方法以及迭代Tikhonov正则化方法在航空重力数据向下延拓中的应用,指出Tikhonov正则化方法在利用GCV法或L曲线法选取正则化参数时存在的不足以及空间域迭代法迭代不收敛的问题。波数域Tikhonov迭代正则化法的引入,有效解决了上述问题。算例结果表明,波数域迭代法迭代过程收敛,且计算精度高、速度快,值得广泛应用于航空重力数据的向下延拓。     

向下延拓航空重力数据的Tikhonov双参数正则化法

为了避免正则化参数对向下延拓过程可靠成分的修正影响,提出了Tikhonov双参数正则化法。引进截断参数,将法矩阵的奇异值分为相对较大的奇异值（可靠部分）和相对较小的奇异值（不可靠部分）;引进正则化参数,只对法矩阵的小奇异值进行修正,以抑制高频误差对向下延拓解的影响。采用改进的广义交互确认法（GCV）确定截断参数和正则化参数。基于EGM2008重力场模型仿真了一组航空重力数据,验证了该方法对航空重力数据向下延拓过程的有效性。     

综合半参数核估计与正则化方法的航空重力向下延拓模型分析

在航空重力向下延拓过程中,将重力数据中的系统误差和离散化造成的模型误差用非参数分量表达。在无外部数据的情况下,建立基于半参数核估计方法的重力向下延拓模型,为了改善泊松积分离散后的设计矩阵的病态影响,引入正则化方法,提出了综合半参数核估计和正则化方法的逆泊松积分延拓方法。基于EGM2008(earth gravity model 2008)模型计算了某地空中重力异常,采用线性项和周期项系统误差进行仿真实验,以及美国某地实测重力异常数据,验证了本文方法在改善病态性和分离系统误差方面的有效性。结果表明,本文方法在无外部数据时,能有效地分离系统误差并具有较高的精度。     

航空重力数据向下延拓的迭代Tikhonov正则化法

根据观测面和延拓面测量数据的Poisson积分平面近似关系,结合快速傅立叶变换算法,将向下延拓转换到频率域进行计算,并采用迭代Tikhonov正则化方法,克服计算的不稳定性,提高计算结果的精度,实现了航空重力测量数据的向下延拓。最后采用模拟航空重力测量数据验证了该算法的有效性,取得了较好的延拓结果。     

大地测量与地球物理中病态性问题的正则化迭代解法

大地测量与地球物理中需要求解的大规模超定线性方程组常常具有病态性,在使用共轭梯度法求解时必须克服病态性的危害影响,本文对此进行了研究,利用正则化思想改进共轭梯度解法,提出了基于条件数控制的正则化迭代解法。首先通过构造干扰源向量,推导了与法方程同解且病态性大为减弱的新的解算方程,然后用共轭梯度迭代法对新方程求解,最后通过航空重力向下延拓等数值试验验证了新解法的有效性,并且将其与LS、CG、Tikhonov等方法比较,结果表明新方法的精度最高。     

航空重力向下延拓分组修正的正则化解法

在航空重力向下延拓中,针对病态性对解算结果各个部分影响的不同进行分组修正,提出了分组修正的正则化解法。利用信噪比评估病态性影响,得到将参数分组的方式;依分组修正思想构造正则化矩阵;通过极小化均方误差选取正则化参数。基于EGM2008重力场模型仿真一组航空重力数据,验证了该方法对航空重力数据向下延拓过程的有效性,并与另外3种方法作比较。结果表明,新方法具有更高的精度。     

航空重力向下延拓的误差影响分析

本文从分析航空重力向下延拓过程中偶然误差和系统误差的变化特性入手,进而提出处理办法。首先,利用试验说明移去恢复法局限性,同时表明需处理系统误差和偶然误差的必要性。然后,采用理论推演和数值模拟计算分别估计了系统误差和偶然误差影响,试验结果发现:系统误差影响和偶然误差影响均与数据格网间隔、向下延拓高度呈线性关系,当格网化间隔较小和延拓高度较高时系统误差影响和偶然误差影响较大。最后,提出使用半参数模型和正则化算法的两步法估计系统误差和减弱偶然误差影响,试验结果说明两步法处理向下延拓各类误差影响优于仅用半参数模型或正则化算法的结果,在试验数据的偶然误差标准差为2×10~(-5) m/s~2、恒值系统误差3×10~(-5) m/s~2和变值系统误差标准差约1.3×10~(-5) m/s~2时,以及向下延拓高度6.3 km和格网间隔6′的条件下,两步法向下延拓结果的精度可达2.3×10~(-5) m/s~2。     

Effect of the SRTM global DEM on the determination of a high-resolution geoid model: a case study in Iran

Any errors in digital elevation models (DEMs) will introduce errors directly in gravity anomalies and geoid models when used in interpolating Bouguer gravity anomalies. Errors are also propagated into the geoid model by the topographic and downward continuation (DWC) corrections in the application of Stokes’s formula. The effects of these errors are assessed by the evaluation of the absolute accuracy of nine independent DEMs for the Iran region. It is shown that the improvement in using the high-resolution Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data versus previously available DEMs in gridding of gravity anomalies, terrain corrections and DWC effects for the geoid model are significant. Based on the Iranian GPS/levelling network data, we estimate the absolute vertical accuracy of the SRTM in Iran to be 6.5 m, which is much better than the estimated global accuracy of the SRTM (say 16 m). Hence, this DEM has a comparable accuracy to a current photogrammetric high-resolution DEM of Iran under development. We also found very large differences between the GLOBE and SRTM models on the range of −750 to 550 m. This difference causes an error in the range of −160 to 140 mGal in interpolating surface gravity anomalies and −60 to 60 mGal in simple Bouguer anomaly correction terms. In the view of geoid heights, we found large differences between the use of GLOBE and SRTM DEMs, in the range of −1.1 to 1 m for the study area. The terrain correction of the geoid model at selected GPS/levelling points only differs by 3 cm for these two DEMs.     

Downward continuation and geoid determination based on band-limited airborne gravity data

 The downward continuation of the harmonic disturbing gravity potential, derived at flight level from discrete observations of airborne gravity by the spherical Hotine integral, to the geoid is discussed. The initial-boundary-value approach, based on both the direct and inverse solution to Dirichlet's problem of potential theory, is used. Evaluation of the discretized Fredholm integral equation of the first kind and its inverse is numerically tested using synthetic airborne gravity data. Characteristics of the synthetic gravity data correspond to typical airborne data used for geoid determination today and in the foreseeable future: discrete gravity observations at a mean flight height of 2 to 6 km above mean sea level with minimum spatial resolution of 2.5 arcmin and a noise level of 1.5 mGal. Numerical results for both approaches are presented and discussed. The direct approach can successfully be used for the downward continuation of airborne potential without any numerical instabilities associated with the inverse approach. In addition to these two-step approaches, a one-step procedure is also discussed. This procedure is based on a direct relationship between gravity disturbances at flight level and the disturbing gravity potential at sea level. This procedure provided the best results in terms of accuracy, stability and numerical efficiency. As a general result, numerically stable downward continuation of airborne gravity data can be seen as another advantage of airborne gravimetry in the field of geoid determination. Received: 6 June 2001 / Accepted: 3 January 2002     

基于改进高斯-牛顿法的位场向下延拓

本文针对位场向下延拓的不适定问题,在分析最优化算法中高斯-牛顿法基本原理及滤波函数滤波特性的基础之上,提出基于正则参数指数递增计算方法和残差最小步长准则的改进高斯-牛顿法。基于理论重力模型和航磁实测数据的对比实验表明,改进后得到的自适应迭代法具有相对较高的位场向下延拓精度和很好的收敛性。     

利用GOCE卫星轨道数据恢复地球重力场模型方法的分析

欧空局早期公布的时域法和空域法解算的GOCE模型均采用能量守恒法处理轨道数据, 但恢复的长波重力场信号精度较低, 而且GOCE卫星在两极存在数据空白, 利用其观测数据恢复重力场模型是一个不适定问题, 导致解算的模型带谐项精度较低, 需进行正则化处理。本文分析了基于轨道数据恢复重力场模型的方法用于处理GOCE数据的精度, 对最优正则化方法和参数的选择进行研究。利用GOCE卫星2009-11-01—2010-01-31共92 d的精密轨道数据, 采用不依赖先验信息的能量守恒法、短弧积分法和平均加速度法恢复GOCE重力场模型, 利用Tikhonov正则化技术处理病态问题。结果表明, 平均加速度法恢复模型的精度最高, 能量守恒法的精度最低, 短弧积分法的精度稍差于平均加速度法。未来联合处理轨道和梯度数据时, 建议采用平均加速度法或短弧积分法处理轨道数据, 并且轨道数据可有效恢复120阶次左右的模型。Kaula正则化和SOT处理GOCE病态问题的效果最好, 并且两者对应的最优正则化参数基本一致, 但利用正则化技术不能完全抑制极空白问题的影响, 需要联合GRACE等其他数据才能获得理想的结果。     

浅谈大地测量中的病态问题

在大地测量中,病态问题是广泛存在的.为了解决这一问题,国内外的许多专家学者都致力于病态问题的研究,提出了处理病态问题的方法,主要有岭估计、广义岭估计、主成分估计法、Tikhonov正则化方法、SVD奇异值分解法以及虚拟观测方法等.本文主要对这些方法的基本原理进行了简单的概括,并对病态问题的发展做了简要论述.     

Least squares collocation and regularization

Certain geodetic problems such as the downward continuation of gravity information from satellite or aerial altitudes to the surface of the earth or the inverse Stokes problem are improperly posed in the sense that the best approximate solution does not continuously depend on the given observations. In order to obtain a stable solution a technique of regularization is discussed which can be shown to be identical to the method of least squares collocation. The characteristic features of regularization are analysed transferring the problem through a singular value decomposition into the spectral domain which allows an easy interpretation as a special method of filtering. In practical applications the stability depends not only on the observational errors including the computer round-off but in the same way on the number of observations and their distribution. The regularized solution should achieve a proper trade-off between sufficient smoothness and highest possible resolution with a limit defined through the internal accuracy of the computer.