顾及共性误差的南极半岛地区连续GPS站坐标时间序列分析

共性误差是区域连续GPS网络中存在的一种与时空相关的主要误差源.对区域网络使用空间滤波能够有效减小这种误差并改善坐标时间序列的精度.本文使用GAMIT/GLOBK 10.5软件解算南极半岛区域11个GPS测站2010—2014的数据,各测站独立估计的单天解组成坐标时间序列.利用堆栈法(stacking)、主分量分析法(principal component analysis,简称PCA)和Karhunen-Loeve展开法(KLE)对其进行空间滤波,在利用PCA和KLE方法进行空间滤波时,使用前两个主分量作为共有模式分量.结果表明:三种方法均能有效提取南极半岛区域共性误差,PCA方法的滤波效果明显优于stacking方法,略微优于KLE方法;空间滤波能够有效减小残差时间序列的振幅、功率和RMS;对坐标时间序列进行空间滤波能够有效降低其线性项和周期项误差,从而提高线性项和周期项估计的精度.共性误差的谱分析结果显示在U方向上存在9.4天、13.7天等短周期的信号,推测共性误差组成成分中可能含有与海潮相关的误差源.     

南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

基于带状混合矩阵ICA实现地震盲反褶积

基于对地震反褶积本质上是一个盲过程的认识,引入高阶统计学盲源分离技术——独立分量分析（ICA）实现地震盲反褶积.在无噪声假设条件下,利用地震记录时间延迟矩阵和地震子波带状褶积矩阵,将地震褶积模型转化为一般线性混合ICA模型,采用FastICA算法,将带状性质作为先验信息,实现所谓带状ICA算法（B\|ICA）,得到个数与子波算子长度相等的多个估计反射系数序列和估计子波序列,最后利用褶积模型提供的附加信息从中优选出最佳的反射系数序列及相应的地震子波.模型数据和实际二维地震道数值算例表明：对于统计性反褶积,在不对反射系数作高斯白噪假设,不对子波作最小相位假设的所谓“全盲”条件下,基于ICA方法（反射系数非高斯分布,地震子波非最小相位）可以较好解决地震盲反褶积问题,是基于二阶统计特性的地震信号统计性反褶积方法的提升,具有可行性和应用前景.     

基于GPS连续运行基准站的中国区域共模误差研究

共模误差是GPS台站位置时间序列中的主要误差源之一,分离和消除共模误差可以探测到原先淹没在噪音中的微弱信号。本文对中国260个卫星导航定位基准站2011～2018年的数据进行处理,获得了位置时间序列,采用主成分分析（PCA）方法对其扣除构造运动等形变信号后的残差序列进行区域共模误差分析。结果表明,PCA方法有效地提取了中国区域共模误差,经过滤波后时间序列的信噪比明显提高,第一主分量空间分布均一,第二主分量空间分布呈现明显的梯度变化,表明第二主分量不是少数台站的局部效应,是对第一主分量的补充和修正,中国区域的共模误差分析不能忽略二阶分量。对振幅调制的影响进行了对比分析,发现顾及振幅调制的共模误差不仅明显减弱了年周期的特征,还显著降低了闪烁噪声,表明由于参数过于简化而未被估计的“信号”会演变成共模误差,未被正确模型化的“信号”会影响区域滤波的准确性。     

基于多通道奇异谱分析的GNSS坐标时间序列共模误差的提取

共模误差是区域连续GNSS网中存在的一种与时空相关的主要误差源.为了有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度,本文提出了利用多通道奇异谱分析（Multi-channel Singular Spectrum Analysis,MSSA）提取共模误差的新思路,并利用实验区域18个测站9年（2002年到2010年）的GPS坐标时间序列进行实验,分析了共模误差对时间序列的影响和测站噪声特性的影响,并对共模误差序列进行周期探测,结果显示：通过MSSA能够有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度.     

基于独立分量分析的多次波盲分离方法研究

独立分量分析是一种以高阶统计量为基础的信号处理方法,它以分离非高斯混合信号为目标,建立起各个分量的统计独立性判据.在传统方法中,多次波压制技术是基于二阶统计量,求得最优解得基本前提是一次波和多次波正交.本文将ICA应用于多次波问题,在对地震数据基本构成作了分析的基础上,建立起多次波盲分离的ICA模型,并对其假设条件和固有不确定问题进行了详细的研究分析,然后给出了基于负熵的快速ICA算法并加以改进,最后进行仿真实验.试验结果表明,该方法能有效地压制地震资料中的多次波信息,较好的恢复一次波信息.     

基于Contourlet变换和ICA的多时相遥感图像变化检测

为了提高多时相遥感图像变化检测的精确度和运算效率,本文提出了一种基于Contourlet变换和独立分量分析(ICA-Independent component analysis)的变化检测算法.利用Contourlet变换多尺度、多方向性和各向异性等性质,对图像数据进行多尺度分解,再对分解后的数据进行独立分量分析,利用改进的基于牛顿迭代的固定点ICA算法分离出互相独立的数据分量,然后将分离后的数据分量转变成图像分量,最终对变化图像分量经阈值分割实现变化检测.实验结果表明,与现有的基于PCA、基于ICA、基于小波变换与ICA三种变化检测算法相比,本文算法能有效地分离出变化信息,减少了计算的复杂性,得到的变化图像具有更高的精确度,且对背景有较强的稳健性.     

应用平滑先验信息方法移除GRACE数据中相关误差

由于GRACE卫星数据解算的时变重力场模型中高阶位系数存在误差,这些误差在重力异常图中表现为南北向的条带噪声,在应用GRACE时变重力场数据时必须进行滤波.本文在空间域引入了一种有效消除GRACE时变重力场条带噪声的平滑先验信息方法,并将其与目前常用的高斯滤波和去相关误差等滤波方法分别应用于合成的质量变化趋势数字模型,检测不同滤波方法消除条带噪声的能力及其对真实信号的影响.滤波结果显示,与目前常用的高斯滤波和去相关误差滤波器相比,本文滤波方法在有效移除条带噪声的同时,具有有效信号幅度衰减小、有效信号形变小以及保存了更多的短波长细节信息等优势;此外,统计结果显示,本文滤波结果在信号最大值、最小值以及残差均方根等方面均与模拟真实信号最为接近.相比300km高斯平滑和组合滤波结果,有效信号振幅的极小值和极大值分别提高了约18%和6%,残差均方根分别降低了25%和33%.说明本文滤波方法移除GRACE相关误差的同时,在保留有效信号方面具有明显的优势.     

利用独立分量分析进行火山灰云遥感检测

火山灰云不但引起全球气候和环境系统的重大变化,而且还会威胁航空安全。热红外遥感技术为检测火山灰云提供了新手段,但是遥感数据自身的冗余和波段相关性大大降低了火山灰云的检测精度。独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)能够实现遥感数据的去相关和消除冗余,在火山灰云检测中具有一定的潜力。通过探索火山灰云的物理、化学性质,文中以2010年4月19日冰岛艾雅法拉(Eyjafjallajokull)火山灰云MODIS图像为数据源,在对MODIS数据进行主成分分析处理的基础上,利用ICA进行火山灰云检测。结果表明:ICA能够较好地从MODIS图像中获取火山灰云信息,所得结果与美国地质调查局标准光谱数据库和火山灰云SO2浓度分布具有较好的一致性,取得了较好的检测效果。     

基于非线性运动分析的CGCS2000下我国CORS站运动特征

CGCS2000(中国地心坐标系统2000)下CORS(全球导航卫星系统连续运行参考站)站的非线性运动主要受到地壳非构造形变信息、框架点公共误差信息和观测误差信息的组合影响,分析我国CORS站坐标时间序列中包含的非线性运动信息是维护CGCS2000坐标框架精确性、可靠性的基础.本文研究方法首先采用国际卫星对地观测数据及相关地球物理模型,计算了由质量负荷效应造成的地壳非构造形变, 并以此修正了这些非构造形变对国家CORS站坐标时间序列的影响.其次采用主成分空间滤波算法(PCA)提取质量负荷改正后的CGCS2000坐标框架公共误差(Common Mode Errors, CME)的时空特性.最后采用最大似然法定量估计了负荷改正和滤波后的国家CORS网坐标时间序列的噪声特性,采用加权最小二乘法评定了考虑不同噪声影响的CGCS2000框架下的国家CORS网年速度估值和实际精度.     

云南境内陆态网络GNSS观测资料数据处理与初步结果

利用GAMIT/GLOBK软件对云南境内陆态网络GNSS观测资料,包括27个GNSS基准站自2011年至今的连续观测资料,以及170多个GNSS区域站2009、2011、2013年3期区域复测资料进行了处理,基线处理的重复性在水平方向优于1.79mm+1.1×10?9×S,在垂直方向优于5.99mm+1.46×10?9×S(S为基线长度,以mm为单位),计算得到了基线及点位时间序列和欧亚框架下的测站运动速度场。初步分析了坐标时间序列的变化规律,并利用刚体运动模型反演了云南地区各活动块体的现今地壳运动,初步结果表明云南地块运动方向逐渐由SSE向SSW变化,运动幅度由西向东、由北向南逐渐减弱,菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减。该初步结果可为后期GNSS数据的进一步运用提供参考。     

陆态网络GNSS连续站分区解算方案的对比分析

针对陆态网络GNSS连续站分区设计了三种方案,其中方案1(区域方案)将测站按区域划分为6个子网,每个子网包含55个测站;方案2(大网方案)分为3个测站全国分布的子网,每个子网包含100 个测站;方案3(小网方案)分为8个测站全国分布的子网,每个子网包含55个测站。按照上述三种方案分别处理了陆态网络2010年第110天至2013年第103天的观测数据,从测站时间序列、点位水平速度场、两点间基线长度三个方面对比分析了三种方案解算结果之间的差异。结果表明,不同的方案解算结果存在差异但差异量值较小。综合.上述分析结果和计算耗时等因素,讨论了陆态网络GNSS连续站分区方案的选取。     

微信企业号在福建GNSS台网运维管理中的应用

福建省地震局GNSS连续观测台网中61个基准站多为无人值守台站,将微信企业号引入台站系统运维管理,实现对台站设备运行状态检测,并实时推送检测结果,及时进行故障排查,提升GNSS台网运行率;实现每日9时对前一日观测数据的完整性统计,并群发统计结果,提醒工作人员进行补数处理;实现台站故障类型统计,为各台站整顿及改善工作提供资料。实际运行结果表明,该系统运行可靠,有效提高了GNSS连续观测台网的工作效率,保证了各基准站的实时高效运行。     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用“中国大陆构造环境监测网络”在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group）的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明：滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

基于GNSS时空数据的瞬态无震蠕滑信息检测

利用分布活动断层带的GNSS位移时空序列,基于卡尔曼滤波和主成分分析,研究了一套集GNSS时空噪声处理与断层瞬态无震蠕滑信息时空分布检测于一体的方法.基于一阶高斯马尔科夫理论表述了瞬时蠕滑信息与时空噪声的运动状态方程,通过卡尔曼滤波提高了时间域信噪比;根据断层形变高空间相关性的特点,通过主成分时空分析,提高了空间域信噪比.模拟试验结果表明,当断层滑移引起的地表位移大小至少与噪声水平相当时,均可检测得到断层瞬态无震蠕滑时空分布及其滑移特征.以Cascadia慢滑移事件为例,清晰地检测到了两次无震蠕滑信息,分析其蠕滑特征与相关研究结果吻合.通过对滇西2011—2013年陆态网GNSS连续站数据的处理,分析发现了期间有微弱的震后余滑信息,主要表现在澜沧江断裂、红河断裂和小江断裂的南段.其时空分布特征与2011年3月24日的缅甸MW7.2级地震相对应.因此,得出了2011—2013年期间云南地区的断层活动可能与缅甸地震带有着密切的关系的结论.     

Impact of regional reference frame definition on geodynamic interpretations

Ten years (1997–2006) of weekly GNSS solutions of 205 globally distributed stations have been used to investigate the impact of the reference frame definition on the estimated station velocities. For that purpose, weekly regional solutions (covering the European region) and global solutions have been, respectively, stacked to obtain regional and global velocity fields. In both cases, the estimated long-term solutions (station positions and velocities) were tied to the ITRF2005 under minimal constraints using a selected set of reference stations. Several sets of global and regional reference stations were tested to evaluate first the impact of the reference frame definition on the global and regional velocity fields and later the impact on the derived geodynamic interpretations.Results confirm that the regional velocity fields show systematic effects with respect to the global velocity field with differences reaching up to 1.3 mm/year in the horizontal and 2.9 mm/year in the vertical depending on the geographical extent of the network and the chosen set of regional reference stations.In addition, the estimations of the Euler pole for Western Europe differ significantly when considering a global or a regional strategy. After removing the rigid block rotation, the residual velocity fields show differences which can reach up to 0.8 mm/year in horizontal component.In Northern Europe, the vertical ground motion is dominated by the Glacial Isostatic Adjustment (GIA). A proper modeling of this effect requires sub-mm/year precision for the vertical velocities for latitudes below 56°. We demonstrate that a profile of vertical velocities shows significant discrepancies according to the reference frame definition strategy. In the case of regional solutions, the vertical modeling does not predict any subsidence around 52° as predicted by the global solution and previous studies.In summary, we evidence the limitation of regional networks to reconstruct absolute velocity fields and conclude that when geodynamics require the highest precisions for the GNSS-based velocities, a global reference frame definition is more reliable.     

GNSS影像及其时空特征初探

地壳垂向形变在连续空间和时间域内呈现显著特征,探求其时空变化特征有助于理解地球物理过程,为研究地球内部相互作用机制提供支持.本文使用美国西部地区PBO与中国大陆CMONOC两个GNSS网测站的坐标时间序列,通过基于中位数并顾及年际差异的非参数方法(MIDAS方法)估计测站的速度与不确定性;建立空间结构函数(SSF)并确定区域内各测站间的相对关系;以此为基础,构建顾及空间结构的滤波器(MSF)以剔除粗差,增强区域共性;最后,基于MSF与图像处理技术对速度场进行空间加密,生成了研究区域空间内连续的地壳垂向形变图,即区域GNSS影像.随后,针对两个研究区域,分别利用MSF验证实验与棋盘格检测验证了GNSS成像方法的合理性及生成GNSS影像的可靠性;并通过对比使用顾及空间结构滤波前后的各测站速度与不确定性生成的GNSS影像,验证了顾及空间结构的滤波方法在GNSS影像生成中的必要性,并分析了其中存在过度平滑与规则圆弧状突变边缘的问题,讨论了可能的解决方案.最终,将两区域GNSS影像结果与已有的大地测量学及地球动力学结果进行了对比,发现美国西部地区的GNSS影像正确反映出了海岸山脉以峰值速度为2mm·a~(-1),内华达山脉以峰值速度为3mm·a~(-1),以及赫布根湖地区以峰值速度为1.5mm·a~(-1)隆升;洛杉矶地区(峰值速度为-2.5mm·a~(-1)),维多利亚河及其河谷地区(速度为-1.5mm·a~(-1)),以及蛇河平原东部、蒙大拿州西南部(速度为-1mm·a~(-1)左右)的沉降运动;中国大陆的GNSS影像同样反映出喜马拉雅山脉与青藏高原南部(速度呈现为1.0mm·a~(-1)),华北地块与天山地块(速度为1.5mm·a~(-1)与0.3～0.6mm·a~(-1))等典型区域的隆升;长江下游地区以苏锡常地区(速度为-2.1mm·a~(-1))为中心,向外速度逐渐减小的沉降运动,以及华南地区(速度呈现为-0.6～-1.5mm·a~(-1))、东北地区(速度呈现为-0.6～-1.5mm·a~(-1))、塔里木盆地(速度呈现为-1.2mm·a~(-1))等区域的沉降运动.因此,本文认为GNSS影像具有合理性与正确性,有助于地壳垂向形变的整体时空分布特征研究.     

高噪声背景下GNSS垂向分量应用探讨

通过对部分GNSS连续站和全国多期GNSS区域站垂向复测资料的分析, 对如何提取和利用GNSS垂向分量在高噪声背景下的有用信息进行了分析研究; 结合地壳运动和地震孕育发生的机理, 进一步讨论了GNSS垂向分量应用于地壳运动与强震预测的可能性。 结果显示, GNSS垂向分量升降分布格局往往与大地构造格局和大地震孕育发生的区域密切相关, 在机理上存在内在的联系。 这些异常升降变化在精细的数据处理中通过某些要素的改正有可能被减弱或消除, 但这种要素的异常也很可能与大地震的孕育过程相关。 这一认识对地形变研究和大地震预测具有参考价值。     

地球模型对季节性负荷形变计算的影响——以川滇地区为例

利用川滇地区的GNSS和GRACE数据,结合不同地球模型和负荷理论,研究了地球模型对地表季节性负荷形变计算的影响,该工作对于选取合适的地球模型开展负荷形变研究具有一定的参考价值.研究表明:①川滇地区GNSS观测的地壳垂向季节性形变振幅为20 mm左右,GRACE反演的垂向形变与GNSS的结果相位一致,振幅存在差异.②区...     

云南GNSS时间序列共模分量提取分析

针对共模分量的精确获取问题,以2011—2018年云南31个GNSS连续站垂向时间序列为基础,选用区域叠加法和主成分分析法,提取得到共模分量的主要成分,对比分析了这两种方法的效果。结果表明:(1)由于云南垂向非线性运动空间一致性较好(测站间相关系数平均值为0.88),两种方法得到的共模分量较为一致;(2)两种方法提取得到的共模分量与全球水文负荷和大气负荷模型给出的位移时间序列接近(相关系数均为0.9),说明共模分量的主要成分为地表负荷变化引发的地壳垂向非构造运动;(3)共模分量不能用周期模型完全表示,还包含了年际间的运动差异等信息;(4)两种方法的空间滤波效果非常接近(WRMS减速比平均值都为0.70),测站的空间滤波效果与测站间相关系数呈显著的正相关。由于区域叠加法对测站数据完整率要求相对较低,因此建议当测站较少或者数据缺失较多时,采用区域叠加法;在测站较多且数据完整率较高时,建议采用主成分分析法。