确定外部扰动重力场的改进直接积分方法

针对Stokes-Pizzetti积分用于外部扰动重力场计算中从空中趋近地面时存在着不连续和积分奇异的问题,对该式进行了改进。改进式引入地面计算点处的重力异常,得到一个从地面到空中统一适用的公式,并且中和了在地面计算点处的奇异性。类似地,改进了的Stokes公式在用于大地水准面计算时积分的奇异性同样起到了改善作用。     

计算低空扰动引力的模型方法比较

针对不同模型方法在低空扰动引力计算中的适用问题,该文选取我国某山地区域,分析比较球谐位系数模型法、点质量模型法和Stokes积分法在低空不同高度的扰动引力计算精度及效率;并且分析误差来源和个别改进办法。结果表明:点质量模型计算低空扰动引力精度较高,且速度最快;去奇异点的Stokes积分法可以解决低空积分时数值溢出的问题,但精度较低;球谐位系数模型法原理简单,但计算速度最慢。     

一种改进的不适定问题奇异值分解法

综合截断奇异值法和奇异值修正法的特点,提出了一种改进的不适定问题奇异值分解法,先用截断参数将奇异值分为相对较大的奇异值和相对较小的奇异值;再用修正参数对相对较小的奇异值进行修正,以抑制其对观测噪声的放大作用。通过位场延拓中航空重力测量数据向下延拓的仿真实验,验证了改进的奇异值分解法要优于截断奇异值法、奇异值修正法和Tikhonov正则化法。     

Stokes和Hotine积分离散求和的快速算法

提出了一种用于Stokes积分和Hotine积分直接离散求和的快速算法。该算法将积分核表达为计算点纬度、流动点纬度和两点间经度差的函数,充分利用核函数的对称性,相同纬度的所有计算点只需计算一组核函数,计算次数远少于普通离散求和。基于EGM2008地球重力位模型的模拟实验表明,快速算法的计算效率远高于普通算法,有效解决了离散求和计算速度太慢的数值问题,且保留了球面积分的特性,可取代一维FFT用于计算Stokes积分和Hotine积分。     

利用改进的Hotine积分确定地球外部重力场

为解决Hotine积分计算低空扰动引力径向分量时的奇异性问题,本文从Hotine积分公式入手,分析了产生奇异性的原因及其影响;并在此基础上根据分区原理推导出Hotine积分的无奇异公式,本文算法将内区视为扰动重力值相等的微小平面,直接进行数学积分以消除奇异性,最后从理论上阐述了本文算法的优势。数值试验结果表明,相较于传统方法,改进后的Hotine积分在整个积分区域内连续,地表附近扰动引力径向分量的计算结果奇异性消除,而且高度越低,精度越好。此外,经过改化,Hotine积分核函数变为边界面上扰动重力差分形式,这减弱了远区地面数据对计算结果的影响,改进后的Hotine积分对地面数据的需求量相比于传统算法降低了近20倍,而且高度越低,对积分半径的要求越低。本文算法适用于低空外部重力场计算,而且效能较高。     

利用小波理论计算物理大地测量中的奇异积分

利用小波理论讨论了奇异积分的计算问题,用实例说明了一维情况下计算的快速性和准确性,与Ｆｏｕｒｉｅｒ变换法相比,列举了小波理论的优点,肯定了在局部重力场研究中小波理论用于实际的重要性。     

利用小波理论计算物理大地测量中的奇异积分

利用小波理论讨论了奇异积分的计算问题,用实例说明了一维情况下计算的快速性和准确性。与Fourier变换法相比,列举了小波理论的优点,肯定了在局部重力场研究中小波理论用于实际的重要性。     

计算Stokes公式的快速Hartley变换(FHT)技术

本文提出了利用快速Hartley变换(FHT)计算Stokes公式的方法,这一算法最适合于用来计算实序列的积分变换,而快速Fourier变换(FFT)较适合于用来计算复序列的积分变换。计算Stokes公式只涉及实序列问题,用FHT计算Stokes公式比用FFT算法更有效。本文详细地描述了用FHΥ计算Stokes公式的算法,进行了数值计算,与相应的FFT计算结果作了比较。结果表明,两种算法可以得到相同的精度,但是,FHT的计算速度比FFT的计算速度快一倍以上,且所需要的内存空间只是后者的一半。     

非奇变换与地形校正中央区积分

利用非奇变换，将地形校正诸奇异积分转化为一组非奇异积分。理论分析和数值计算都表明，奇异积分非奇异后，可有效地提高地形校正中央区积分的精确度。     

非奇变换与地形校正中央区积分

利用非奇变换，将地形校正诸奇异积分转化为一组非奇异积分。理论分析和数值计算都表明，奇异积分非奇异后，可有效地提高地形校正中央区积分的精确度。     

重力异常向上延拓严密改化模型及向下延拓应用

重力异常向上延拓全球积分模型在航空重力测量数据质量评估和向下延拓迭代计算等领域具有广泛的应用。为了消除积分核函数奇异性影响,需要对该模型进行基于积分恒等式的移去-恢复转换及全球积分域的分区改化处理。在此过程中,传统改化处理方法往往忽略了全球积分过渡到局域积分引起的积分恒等式偏差影响,从而导致不必要的计算模型误差,最终影响向上延拓计算结果的可靠性,甚至影响向下延拓迭代解算结果的稳定性。针对此问题,本文开展了重力异常向上延拓积分模型改化及向下延拓应用分析研究,依据实测数据保障条件和积分恒等式适用条件要求,导出了重力异常向上延拓积分模型的分步改化公式,提出了补偿传统改化模型缺陷的修正公式,并将最终的严密改化模型应用于重力异常向下延拓迭代解算。使用超高阶地球位模型EGM2008作为标准位场开展数值计算检验,分别对重力异常向上延拓分步改化模型的计算精度及在向下延拓迭代解算中的应用效果进行了检核评估,验证了采用严密改化模型的必要性和有效性。     

Construction of Green's function for the Stokes boundary-value problem with ellipsoidal corrections in the boundary condition

Green's function for the boundary-value problem of Stokes's type with ellipsoidal corrections in the boundary condition for anomalous gravity is constructed in a closed form. The `spherical-ellipsoidal' Stokes function describing the effect of two ellipsoidal correcting terms occurring in the boundary condition for anomalous gravity is expressed in O(e <sup>2</sup> <sub>0</sub>)-approximation as a finite sum of elementary functions analytically representing the behaviour of the integration kernel at the singular point ψ=0. We show that the `spherical-ellipsoidal' Stokes function has only a logarithmic singularity in the vicinity of its singular point. The constructed Green function enables us to avoid applying an iterative approach to solve Stokes's boundary-value problem with ellipsoidal correction terms involved in the boundary condition for anomalous gravity. A new Green-function approach is more convenient from the numerical point of view since the solution of the boundary-value problem is determined in one step by computing a Stokes-type integral. The question of the convergence of an iterative scheme recommended so far to solve this boundary-value problem is thus irrelevant. Received: 5 June 1997 / Accepted: 20 February 1998     

有限范围的重力层间改正算法

层间改正是重力归算的一项重要内容,传统的平面层层间改正、球面层层间改正与地形改正的范围不一致,因此均存在远区虚拟地形引入的近似误差,且计算点高度越高,此误差越大。本文提出使用有限范围的层间改正进行重力归算的方法,使其区域范围与地形改正的范围一致。然后给出了有限范围层间改正的简便计算方法,该算法与通过地形改正严密积分法演化来的算法具有较好的一致性。内插试验说明当计算点地形高于1000m时,内插应使用基于有限范围层间改正的重力归算方法。     

应用格林积分直接以地面边值确定外部扰动重力场

以地面为边界的Molodensky问题通常得到的是级数形式的解,高阶项体现了地面边值到某一光滑面上的改正,在应用中不仅遇到计算的复杂性、稳定性问题,也存在对数据密集要求的困难。本文从推求外部扰动重力场的应用出发,将格林公式用于数字地形面,在忽略水平分量的积分影响的情况下,得到以地面重力异常和高程异常差为边值确定外部扰动位的表达式,其核函数分别为距离倒数和Poisson核。该方法不需要对地面数据进行延拓处理,且核函数形式简洁,适于外部扰动重力场的随机计算。     

不同扰动位泛函间的积分变换广义核函数

基于物理大地测量边值问题的解,利用一阶边界算子定义,推导重力异常Δg、单层密度μ、大地水准面高N,垂线偏差ε、扰动重力δg等扰动场元的解。利用球谐函数的正交特性,通过对核函数的算子运算,可以得到上述扰动场元的有关逆变换公式。相对经典物理大地测量公式应用的边界面条件,笔者将含有因子r的对应扰动场元反演关系的公式称为广义积分公式。针对常用的重力异常Δg、大地水准面高N,垂线偏差ε、扰动重力δg计算,重点分析它们之间的变换关系,给出利用某个选定扰动场元计算其他扰动场元的广义积分公式。同时,通过对积分边界面的讨论,分析经典公式与广义积分公式的差异和联系。最后,给出所有外部扰动场元与核函数映射的关系表。     

地形改正与地形直接影响的转化关系

传统的第三边值问题的解算方法有Molodensky算法和Stokes-Helmert算法两种。在Molodensky算法中使用的地形改正和Stokes-Helmert算法中使用的直接影响均由大地水准面外地形产生,因而必然存在关系。本文通过推导给出了直接影响是地形改正、层间改正与压缩地形影响3项之和的结论。在此基础上,给出了直接影响的质量线平面积分算法、质量棱柱平面积分算法和地形改正的球面积分算法。此外本文还推导了布格球冠层间改正算法。通过实验得出,直接影响的质量线平面积分算法和质量棱柱平面积分算法与传统球面积分算法的差异分别为3.81和1.64 m Gal;地形改正球面积分算法与传统质量线、质量棱柱平面积分的差异分别为3.92和1.69 m Gal。该结果说明,本文推导的直接影响与地形改正的关系式是正确有效且实用的。     

局部地形改正快速计算的GPU并行的棱柱法

在重力归算中,局部地形改正在重力勘探、地壳结构分析和大地水准面计算等领域有着重要意义,但严格棱柱体积分公式计算效率低,而快速计算公式则会降低计算精度。本文利用CUDA并行编程平台,提出一种地形格网重新编码和严格棱柱体积分八分量拆解方法,实现了基于CPU+GPU异构并行技术的严格棱柱体积分计算地形改正快速并行算法,克服了GPU各个线程计算任务分配和线程计算超载问题,解决了局部地形改正的高分辨率、高精度严密公式的快速计算难题。通过试验,在显卡型号为Tesla V100的计算机上进行4°×6°范围,积分半径40'和分辨率1'的局部地形改正计算仅需1.5 s;分辨率10″的局部地形改正计算仅需14.6 min;进行分辨率3″的地形改正计算耗时45.7 h,而传统串行算法则难以完成计算。在保证微伽级以上计算精度的条件下,计算加速比最高达到850倍以上,有效缩短了计算耗时,提高了计算效率。本文还依据上述并行算法对全国范围地形改正量进行计算。结果表明,我国地形改正量普遍低于80 mGal（1 Gal=10^-2 m/s²）,平均值1.83 mGal,最大值达到196 mGal。     

一种新的病态问题奇异值修正方法

针对测量平差中的病态最小二乘问题,提出了统一的奇异值修正公式,以此为基础提出一种新的奇异值修正法.所提方法克服了现有方法需要确定奇异值截断阈值或者修正阈值的缺陷,基本没有增加额外的计算量,计算简单快捷精度高. 另外,所提方法普适性强,对方程组系数矩阵的维数和是否满秩没有特殊的要求,可以适用于多种类型平差方程组的求解. 以两个病态方程为例对所提方法进行了数值验证,并将计算结果与最小二乘解和奇异值截断解进行了比较,结果表明,所提方法可以获得精度更高的计算结果.      

全球及局部海洋扰动重力反演的快速解析方法

从经典边值问题理论及球谐函数理论出发,在空域推导获得了由大地水准面高以及垂线偏差计算扰动重力的解析计算公式,为利用卫星测高数据反演海洋扰动重力提供了理论基础。针对全球海洋区域和局部海洋区域的扰动重力反演,在前人已有工作基础上,提出了改进的基于一维FFT的精确快速算法,保证了计算结果与原解析方法完全一致,且计算速度提高约20倍。该算法在提高计算效率的同时避免了由于引入FFT而产生的混叠、边缘效应问题,而且对观测数据的序列长度没有硬性要求,使得应用更加灵活。利用EGM2008地球重力场模型分别生成了2.5'分辨率大地水准面高数据和垂线偏差数据,按照本文提出的改进方法(采用全球积分计算)分别反演获得了全球及局部海洋区域的扰动重力。经比较分析,由大地水准面和垂线偏差分别反演获得的扰动重力其差异在0.8×10^-5 m/s²以内,这说明两种反演方法是基本一致的,但在数据包含系统误差的情况下,由垂线偏差反演扰动重力具有一定优势。