地球自由核章动及核幔耦合的研究

由于地球自转导致的自由核章动(FCN)及内核自由章动(FICN)等地球简正模是地球内部动力学过程的重要表征,也是认识核幔边界和内外核边界的重要手段,其包含的物理信息可为目前地球深部的研究手段比较匮乏的情况下获得地球深内部结构及物理性质和研究核幔及内外核耦合提供非常重要的约束。本文围绕地球自由核章动利用全球地球动力学计划观测网提供的全球超导重力观测资料和国际VLBI服务组织提供的章动观测资料,采用不同方法研究了自由核章动的本征周期和品质因子等     

地球的正常密度

从地球重力学的水准椭球和麦克劳林-皮蔡奇椭球出发,根据作者近十几年研究发表的参数椭球、纬向密度、准等位条件、似水准椭球等一系列观点和内容,提出"地球正常密度"概念,并求解出"地核椭球-壳幔椭球层"模式的地球正常密度分布.     

利用Clenshaw求和计算大地水准面差距

引入非正规化的球谐函数,使用Clenshaw求和法不需要计算单个球谐函数值而直接计算级数和。将Clenshaw求和算法和标准向前列递推算法在计算时间上进行比较,并对两种方法计算的稳定性进行了数值分析,给出了数值模拟结果。通过数值计算得出了Clenshaw求和计算全球大地水准面差距的适用范围,为实现高精度大地水准面的计算提供借鉴。     

地震周期形变的大地测量研究进展和展望

解析地震周期各阶段(震间、同震和震后)形变响应模型是研究地震从孕育、成核、破裂到震后调整整个过程动力学机制和探究区域壳幔流变属性的基础,在地震预测预报、防震减灾和危险性评定等方面发挥着重要作用。首先针对地震的震间形变、同震形变和震后形变的研究现状及进展进行了综述分析,指出了地震形变主流研究方法和模型的特点、不足和使用范围;然后讨论分析了地震周期形变模拟方法在现今数据快速积累情况下的机遇与挑战;最后对地震周期形变研究未来发展方向进行了展望。     

基于SSA的组合预测模型在建筑物基坑沉降监测中的应用

为了提高单一的BP(Back Propagation)神经网络模型在建筑物基坑沉降数据预测中的精度,本文将奇异谱分析(SSA,Singular Spectrum Analysis)与卡尔曼滤波(KF, Kalman Filter)引入预测模型中,构建基于SSA的KF-BP神经网络预测模型。该组合预测模型首先利用SSA将原始时间序列中的趋势项与周期项提取出来;其次通过KF-BP神经网络模型分别对趋势项与周期项进行预测;最后重构趋势项预测结果与周期项预测结果,得到最终预测结果。将本文提出的基于SSA的组合预测模型应用于建筑物基坑沉降监测数据预测中,结果表明,本文提出的预测模型较BP神经网络模型、KF-BP神经网络模型的整体预测精度更高,预测结果更加稳定。     

云南地区GPS垂向时间序列周期项信号的SSA提取

针对传统的GPS时间序列最小二乘(LS)谐波函数模型方法不能精确提取GPS垂向时间序列的周期项信号问题,该文以云南地区2011年1月—2017年6月连续观测的27个GPS基准站数据为例,使用主成分分析(PCA)获得27个测站的共模误差,然后分别使用奇异谱分析(SSA)和LS方法对PCA滤波前后的测站时间序列进行周期项信号提取.实验结果表明,原始时间序列分别减去SSA、PCA-SSA、LS和PCA-LS提取周期项信号的RMS减少百分比平均为25.66％、17.23％、16.76％、16.76％;原始时间序列与4种方法提取周期项信号的相关系数平均为0.66、0.55、0.54、0.54,说明SSA提取的周期项信号要优于其他3种方法,将SSA应用于云南地区GPS垂向时间序列的周期项信号提取是可行和有效的.     

地球球观认知分析:以谷歌地球上的寻路任务为例

地理空间认知影响人类与空间相关的行为.本文提出了地球空间观(球观)的概念,以地球上不同区域找寻过程作为试验环境,研究被试者在数字地球球体(Google Earth)上如何进行定向、定位和目的地寻找,分析球观模式下对地球球体的空间认知过程.借助眼动仪记录的数据将被试者的读图过程可视化并且进行思维过程分析.结果发现,在地球球体上,结合了即时相对位置判断和方向定位的目的地搜寻过程是被试者球观建立过程的综合表现.     

基于低轨卫星跟踪数据的地球重力场反演

地球重力场是大地测量学、固体地球物理学和海洋学研究中不可缺少的信息源。因此,对地球重力场的研究成为现代大地测量学及其相关地学学科发展中最活跃的领域之一。本世纪,新一代卫星重力探测技术有了重大的进展,CHAMP和CGRACE重力卫星能够以很高的精度恢复重力场的中、长波信息,主要包括精密轨道数据、K波段观测数据以及加速度计数据。基于这类数据可得到高精度的地球重力场模型。在此背景下,本文利用卫星跟踪数据反演重力场模型的理论和方法,提出了改进算法,充分挖掘出卫星跟踪数据中的重力场信息。主要研究内容和创新点如下:(1)在阅读大量文献基础上,阐述了地球重力场理论的研究现状,重点研究了混合边值问题。首先讨论了极区球冠情况下混和边值问题的解法;然后借助于坐标旋转变换将任意球冠下的混和边值问题变换成可解算的极区球冠的情况,并研究了不同坐标系下球谐系数之间的变换关系;利用EGM08重力场模型对建立的求解方法进行模拟计算,结果表明:给出的解算方法能达到亚毫米量级的精度。作为混和边值问题的应用拓展,用于精化局部大地水准面,结果表明:若不顾及边界效应,计算精度至少达到5 cm。因此建立的混和边值问题解法不仅理论上可行,而且能保持足够的计算精度,适用于多种类型重力观测数据的综合处理。(2)基于新思路推导了线性化卫星轨道扰动方程组,该方程组可估算线性化误差。并从数学公式和数值计算上分析了线性化误差的影响,得出结论:舍去项M(t,r_1,ρ)的量级与ρ的二次项相关,舍去项gradT(t,r_2)-gradT(t,r_1)的量级与ρ的一次项有关。(3)基于卫星在地固系的运动公式推导了更加严密的能量守恒方程,通过模拟数据分析改进的地固系能量守恒方程有足够的精度去恢复地球重力场模型。(4)GRACE卫星位差中存在2CPR(two cycles per revolution)误差。利用一个月的GRACE模拟数据分析得出2CPR误差的移除可使3阶以上的重力场系数精度提高1～2个量级以上。     

GEO卫星授时结果周期波动消减方法

针对地球同步轨道(GEO)卫星转发式授时结果存在的周期性波动现象,该文探寻该现象与卫星运动之间的关系,发现授时结果与授时信号传播时延差分结果呈很强的线性相关关系,并利用这一规律,提出时延线性贡献补偿模型。实验结果表明,该模型最多可修正原始授时结果偏差近70%,基本消除周期波动。     

三轴刚性地球自由旋转欧拉角变化数值模拟研究

假定地球是一个三轴刚性体,在Euclid空间中做自由旋转.在设定主惯性矩A小于B小于C的情况下,求解欧拉运动方程,得到数值解.计算结果表明:地球在除了自转和自由进动之外,同时还存在着自由章动.章动角会随着时间做周期性变化.重点讨论的是章动角的变化.     

地球椭球向径和平均曲率半径的积分表达式

引入地球向径积分平均值和地球平均曲率半径积分平均值的概念,借助计算机代数系统推导出了两者的符号表达式,并将它们表示为偏心率e的幂级数形式。将地球向径积分平均值和地球平均曲率半径积分平均值分别与平均球半径、等面积球半径、等距离球半径、等体积球半径这4种常用球体半径进行比较,研究表明地球向径积分平均值与4种常用球体半径间的差异更小。由于地球是一个旋转椭球体,向径与曲率半径是背离的,向径最大时,曲率半径最小, 向径最小时,曲率半径最大,传统思维所认为的曲率半径并不能准确地代表地球半径平均值,因此在一定程度上,地球向径的积分平均值更能代表地球半径平均值。这些研究结果可为地球科学、空间科学、导航定位提供基础理论依据。     

利用卫星引力梯度确定地球重力场的张量不变方法研究

应用张量不变理论对利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的方法进行了研究,对张量不变观测方程的线性化处理、非全张量观测值的数据处理策略以及采用白噪声特性下的梯度观测值恢复地球重力场的精度等进行了数值分析.结果表明,张量不变解实现了不同观测值的联合求解,基于先验重力场模型的线性化方法在实现张量不变观测模型线性化处理的同时,提...     

利用低阶大地水准面异常反演大尺度核幔边界起伏

核幔边界（core-mantle boundary,CMB）是地球内部最重要的物理化学界面之一,地核和地幔通过核幔边界发生多种相互作用,这对地球重力场、地球自转及地磁场等都能产生重要影响。大地水准面异常是地球重力场的重要观测量,反映了地球内部的物质密度异常及界面变化等重要信息。推导了通过大地水准面异常反演核幔边界起伏的公式,利用2~4阶大地水准面异常反演了大尺度核幔边界起伏形态。结果显示,核幔边界起伏的径向幅度达±5 km、与Morelli的地震层析成像结果的幅度接近,但在形态上略有差异。以高为5 km、底边长为1 000 km的棱柱体模型模拟计算了核幔边界密度异常引起的大地水准面异常响应,结果与观测大地水准面异常比较接近。     

无定向点优化布局的多边交会测量精度分析

多边交会系统利于提高激光跟踪仪坐标测量精度,但测量精度易受测站布局和系统参数标定精度的影响。引入球心拟合的无定向点系统参数标定法,避免传统系统参数标定精度受定向点分布的影响,根据无定向点系统参数标定模型推导出多边交会的最佳测站布局——直角正三棱锥,从而保证多边交会测量精度。仿真结果表明,在5 m范围内,球心拟合的无定向点系统参数标定中误差为0.006 4 mm,最佳测站布局下多边交会的点位中误差为0.005 mm。经标准尺长度测量验证和四面体标准器坐标测量验证,优化后多边交会的长度测量中误差为0.003 6 mm,坐标测量中误差为0.005 3 mm。在无定向点系统参数标定和直角三棱锥布局下,激光跟踪仪多边交会能够实现微米级三维坐标测量。     

月球地形特征认识及增强可视化

长期以来人们生活在地球上,已形成了基于地球的习惯式视觉感受与空间认识,对其他星体地貌与现象的认知和识别成为新的挑战。基于月球与地球地形地貌上的差异性认知,研究地球认知转移的月球地形地貌的增强可视化,能够让人们更加直观地认识月球地形地貌。对比分析月球与地球的地形在地貌类型、地表色彩体系和地形起伏的异同性,建立基于地球认知转移的月球地形增强可视化的认知基础;构建月球与地球地形可视化要求的相似性和差异性,对撞击坑、月海、月陆、月溪等月球的典型地貌和区域地形进行了晕渲参数调整,分析月球地形在不同参数下的晕渲效果,实现月球地形增强晕渲可视化;揭示了月球地形可视化既要借鉴地球可视的认知转移（如暗色-低地形,亮色-高地形）,又要打破地球特定思维造成的可视化误解（如白色-雪线、绿-植被）,制作符合月球自身特征的可视化体系。     

利用多源数据构建PWV混合模型

高精度和高时空分辨率的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)信息对于极端天气研究具有重要作用。传统的单一水汽探测技术获取的PWV因其系统设计的局限性存在精度差、时空分辨率低等缺陷。针对该问题,提出了一种基于多源数据的混合模型——全球温度气压湿度(global pressure and temperature 2 wet, GPT2w) +球谐函数（spherical harmonic function,SHF）+多项式拟合（polynomial fitting,PF),简称GSP模型。该模型通过GPT2w计算PWV的初始值,利用SHF拟合PWV的偏差序列,利用PF对模型偏差进行校正,并引入Bartlett检验确定GSP模型中多源数据的最优权值。选取2014年中国云南省26个全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)测站和37个欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting, ECMWF)气候再分析数据集(ECMWF reanalysis-interim, ERA-Interim)格网点(1°×1°)的数据为例,建立GSP模型并进行验证,发现GSP模型较传统PF模型的精度提升率为15%~18%。以ECMWF第5代气候再分析数据集(ECMWF reanalysis v5, ERA5)提供的PWV格网数据(0.25°×0.25°)为参考,GSP模型的平均均方根误差和偏差分别为1.64 mm、－0.25 mm。上述结果表明GSP模型具有较高的精度,对于极端天气预警具有重要作用。     

一种面向DEM多尺度表达的傅里叶能量谱模型

针对数字高程模型（digital elevation model,DEM）数据的多尺度表达问题,根据DEM格网数据在能量谱密度中“低频-高能-大尺度”的对应关系,在化简中关联地形语义特征,构建了DEM数据的多尺度表达模型。实验结果表明,该模型可以实时动态派生不同尺度下的DEM数据,通过等高线放样观察发现,该模型派生的DEM数据满足地形表达、空间认知和制图综合中的“保留主要地形特征、舍弃次要地形特征”的基本原则。与常用的DEM化简方法进行高程值统计以及坡形变化的定量对比分析,结果表明该方法在统计意义与结构意义上都具有较好的效果。     

BDS-3和Galileo组合的RTK定位性能分析

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）已全面建成并向全球用户提供可靠的定位、导航和授时（positioning, navigation and timing, PNT）服务。为了实现与其他全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）的兼容性和互操作性,BDS-3在BDS-2的基础上调制了B1C和B2a两个新信号,与伽利略系统（Galileo）的E1和E5a实现了频率的复用。系统间偏差（inter-system bias, ISB）对于实现不同GNSS之间的融合处理至关重要,为此提出了基于单差模型的ISB估计与应用算法,并对BDS-3与Galileo重叠频率之间的ISB进行了分析。基于可跟踪BDS-3新信号的几类接收机,揭示了BDS-3和Galileo之间的ISB的特性,在此基础上分析了BDS-3和Galileo组合的实时动态（real-time kinematic, RTK）定位性能。结果表明,基于相同类型的接收机B1C-E1和B2a-E5a之间是不存在ISB...     

利用三维加速度点质量模型法解算华北地区陆地水储量变化

三维加速度点质量模型法为反演陆地水储量变化提供了新的途径,采用三维加速度点质量模型法计算了中国华北地区2003—2014年的水储量变化。为了检验反演结果,采用球谐系数法以及德克萨斯大学空间研究中心(Center for Space Research,University of Texas at Austin,CSR)发布的RL06 Mascon模型进行对比分析。研究结果表明,两种方法反演结果均反映出华北地区陆地水储量长期处于亏损趋势,但不同方法计算的亏损速度有一定的差别,三维加速度点质量模型法采用CSR提供的RL06数据反演的华北地区陆地水储量亏损速度为-3.09$\mathrm{c}\mathrm{m}/\mathrm{a}$,而球谐系数法反演结果为-2.60$\mathrm{c}\mathrm{m}/\mathrm{a}$;三维加速度点质量模型法特征点的反演结果与Mascon法相关系数更高,而球谐系数法与三维加速度点质量模型法结果之间的差异主要是由条带噪声约束平滑策略不一致导致的。     

融合图像和时空信息的社交媒体用户活动分类方法

社交媒体签到数据中蕴含着大量的用户活动信息。理解社交媒体用户的活动和行为类型,对探索人类的移动性和行为模式等有着重要意义。提出了一种针对新浪微博（简称为微博）的用户活动分类方法,结合图像表达和时空数据分类技术,识别微博签到数据所代表的用户活动类型。首先,根据兴趣点属性信息将微博签到数据所代表的用户活动分为餐饮、生活服务、校园、户外、娱乐、出行6大类;然后,基于卷积神经网络和K近邻分类方法,融合签到数据中的图像场景信息与时空信息,对微博用户的活动行为进行分类。实验结果表明,所提方法能够显著提高微博用户活动类型识别的准确性,为精确探索人类行为活动提供更加有效的数据支持。