大地测量反演模型准外部检验的进一步探讨

给出了大地测量反演模型准外部检验的基本理论,提出了观测数据的划分方法和反演模型准外部质量控制的标准,实现了在进行反演之前对反演模型的事先检验。     

基于力学模式的大地测量反演理论及应用

本文的研究工作主要集中在大地测量反演的模型建立、求解方法及应用的相关问题的探讨.首先,在综合分析大地测量反演理论与应用现状的基础上,明确了大地测量反演的定义并对反演方法作了分类,提出了深化大地测量反演研究的若干观点. 根据有代表性的准则函数推演出大地测量反演参数可辨识条件,给出其适用范围;概括典型的大地测量力学模型,讨论了其反演参数可辨识性问题.尝试性地提出大地测量反演的模型辨识这样的一个新课题,并初步探讨了大地测量反演模型辨识的定义、原则和方法,基本描绘了现代大地测量反演研究的系统化、模型化和智能化的架构. 探讨了适合于大地测量反演区域变形的位移数据处理方案:①基于相似变换的"特定基准"确定;②基于一种线性模型的"异常位移"定位;③局部构造有限元的处理.方案体现了一种用"拟准检定法"进行"异常位移"定位的新思想.研究了正法反演结果的几种定性检验方案和统计假设检验定量检验方法,引入一种基于概率距离的定量评价新方法. 比较了约束和非约束的各种局部最优化方法(如单纯形法、模式搜索法、鲍威尔法、变量轮换法、混合罚函数法、复合形法等)和全局搜索算法(如蒙特卡罗、遗传算法),通过反演试验,探讨了不同最优化算法在大地测量反演中的有效性.探索了遗传算法在大地测量反演应用研究中的参数设置和算法的实施步骤,反演实例得到了较好的结果. 初步研究了利用包括大地测量位移在内的2种以上的观测物理量进行联合反演的模型和实施步骤,特别提出在联合反演中引入相对权比,并将它作为待反演参数,同其他反演参数一同反演求解的理论和方法.模拟算例结果显示出这种方法具有优越性和合理性. 在阐述了中国大陆及邻域板块边界构造作用力和构造应力场反演研究现状的基础上,本文利用自己开发编制的大地测量反演程序和中国地壳观测网络GPS观测资料和主应力方向数据进行了中国大陆及邻域边界力位移反演和川滇地区边界力的联合反演研究.反演结果表明:①形成现今中国大陆内部位移场和构造应力场的主要力源仍是来自印度板块和欧亚板块的陆-陆碰撞;②太平洋板块和菲律宾海板块作用力虽然比印度板块作用力小,但仍是影响中国大陆东部的重要因素;③日本海弧后盆地现在继续着引张活动,这可能与洋壳后撤所形成的对大陆的拖曳有关;④来自北部的力承载着中国大陆北向运动作用,表现出相当大的阻力;⑤嫩江断裂和西拉木伦河断裂等似有活动迹象,活动方式不能确定;⑥南北构造带在现今构造运动中起着明显的削减作用.     

水稻冠层氮素含量光谱反演的随机森林算法及区域应用

利用地面实测数据构建高精度的水稻冠层氮素含量光谱反演点模型并将其进行尺度转换,实现了水稻冠层氮素含量准实时、大区域监测。以氮素光谱敏感指数作为输入变量,冠层氮素含量数据为输出变量,利用随机森林算法构建水稻冠层氮素含量高光谱反演模型,并用苏州市水稻农田验证区数据,检验模型的普适性和有效性;利用准同步的Hyperion数据,采用对输入、输出变量进行线性变换的简单尺度转换方法实现了点模型的区域应用。结果表明:基于随机森林算法的水稻冠层氮素含量高光谱反演模型可解释、所需样本少、不会过拟合、精度高(模型在实验区的预测精度为R2=0.82,验证区检验精度为R2=0.73)且具有普适性;点模型基于高光谱遥感卫星影像和尺度转换进行区域应用,精度较高(R2=0.81)。     

顾及海底地形非线性项的最小二乘配置反演方法

针对目前常用的反演海底地形方法主要考虑海底地形和卫星测高重力数据线性趋势项而忽略非线性项影响现状,提出了顾及海底地形非线性项的最小二乘配置反演方法.选择日本海某海域作为目标海区,利用卫星测高重力异常和重力异常垂直梯度数据作为输入源进行了方法试算并构建了相应的海深模型,然后以实际船测海深作为外部检核参考,评估了反演模型效能,同时分析了反演模型频谱特征.目标海区试验结果表明:相较于本文仅仅考虑海底地形和重力数据线性趋势项采用最小二乘方法建立的海深模型,基于最小二乘配置方法,利用相同重力异常和重力异常垂直梯度数据获得的目标海区反演海深模型检核精度最低分别提高了大约2.5倍和3.5倍,相对精度最高分别提升了9.76％ 和13.07％,极大地提升了海底地形建模质量;采用本文方法建立的海底地形模型在研究海域表现良好,反演模型与S&S V18.1、ETOPO1、GEBCO和BAT_VGG模型在研究海域相关系数均达到了0.95以上;在研究海区本文模型检核精度与S&S V18.1相当,远远优于ETOPO1等海深模型;本文模型可有效改善船测海深相关波段信息(本文反演波段范围为15～160 km),其中重力异常垂直梯度构建的海深模型相比重力异常为输入源建立的海深模型改善船测海深相关波段信息更为明显,验证了本文方法的可行性和有效性.     

形变反演模型的非线性平差

阐述了反演问题参数估计的质量要求，将反演理论中的分辨率和精度与平差中的良好统计性质作了对比分析，为使反演参数得到良好估计，提出平差处理对策。针对反演问题经常是非线性模型，提出了非线性平差的几种方法，最后给出参数筛选的原则和相应的统计检验方法。     

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE（gravity recovery and climate experiment）时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS（global land data assimilation）水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。     

多光谱卫星图像反演云空湿度场方法的改进

利用1998年6～8月GMS图像和分析区内近70个台站的地面和探空资料,在过去工作的基础上,通过引入地面实测湿度场相关资料作新的分析参量,建立了各标准等压面相对湿度统计分析新模型,改进了应用多光谱卫星图像反演三维湿度场的方法.通过比较和检验,证实新模型可有效改进大气湿度场的反演精度,特别是低层湿度场的反演精度.     

GNSS垂直位移反演区域地表质量变化的模拟分析

连续密集的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)地表形变监测为反演精细的区域地表质量变化提供了有效技术手段.针对格林函数方法反演区域地表质量变化的病态问题,给出了一种改进的正则化拉普拉斯约束矩阵,讨论了广义交叉检验(generalized cross-vali...     

FY-3B 微波成像仪海表面温度和风速统计反演算法

基于同步的TAO (Tropical Atmosphere Ocean project) 浮标实测数据和FY-3B 微波成像仪(MWRI) 亮温数据,建立了FY-3B MWRI 海表面温度SST(Sea Surface Temperature) 和海面风速SSW(Sea Surface Wind) 统计反演算法,并利用实测数据进行了检验.根据检验结果,FY-3B MWRI 全通道亮温的SST 反演模型均方根误差为0.81 ℃,相关系数为0.77; SSW 反演模型均方根误差为0.91 m/s ,相关系数为0.78 .     

附加空间约束的径向点质量模型方法反演区域地表质量变化

径向点质量模型反演方法本质上是空间扰动重力的向下延拓,属于病态问题,通常采用正则化方法求解。针对该问题,对径向点质量模型方法进行改进,提出附加空间约束的径向点质量模型方法,引入符合实际的空间约束条件,建立空间约束条件的虚拟观测方程,并采用赫尔默特方差分量估计确定原始观测方程和虚拟观测方程的合理权比,使反演结果更加稳定。以南美大陆区域为研究区域进行陆地水储量变化反演,试验结果表明：增加空间约束后,法方程组条件数明显减小、病态程度降低,反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS模型结果整体相一致,验证了方法的正确性,说明该方法可有效应用于区域地表质量变化反演,为利用卫星重力监测地表质量变化提供了一种新途径。     

基于三次样条的大地测量半线性反演方法

大地测量反演中的大部分问题都是非线性问题,如何解算和评价非线性反演问题是大地测量反演研究的重点和难点。本文给出了大地测量半线性反演的基本理论,针对实际的观测数据采样并非等距均匀,提出了基于三次样条的大地测量半线性反演方法,该方法综合了当前非线性反演受初始模型受制约较小和线性反演理论具有完善评价体系的优点。     

活断层形变数据反演

本文主要讨论了利用形变数据反演断层运动位错模型参数的贝叶斯方法。利用现代大地测量方法,尤其是空间大地测量方法获得的地壳形变数据,可以用来反演活动断层的位错模型参数,并且利用反演得到的结果,确定断层运动的闭锁区。作为应用,给出了运用地表观测站观测到的速度值反演圣安德烈斯断层运动位错模型参数的结果,并且据此预测了沿圣安德烈斯断层未来最可能发生地震的断层分段。     

动态大地测量反演理论及其苦干应用

本文从固体力学基本方程出发，提出了动态大地测量反问题。运用有限元法和正则化方法建立了动态大地测量反演的基本理论，研究了动态大地测量反问题的解和性质，提出了动态大地测量反演的正则化方法。最后给出了利用动态大地测量数据反演岩石弹性模量、区域边界力和断层滑动量的一般方法。     

大地测量反演线弹性构造应力场

本文基于地表大地测量位移观测值，提出用大地测量监测资料反演线弹性构造应力场方法。讨论了大地测量监测点分布式、观测随机误差以及岩体介质参数对边界力系数反演值的影响，为实际应用大地测量资料反演线弹性构造应力场提供了参考依据。     

动态大地测量反演及其在地震非均匀破裂研究中的应用

本文从固体力学基本方程出发,提出了一类反问题,将其定义为动态大地测量反问题,运用有限元法和正则化方法研究了动态大地测量反问题的解和性质,提出了动态大地测量反演的正则化方法;最后,讨论了动态大地测量反演在地震非均匀破裂研究中的应用,利用大地测量资料反演获得了唐山地震的非均匀破裂图像。     

利用组合算法反演球体分层模型的断层参数

随着空间大地测量观测精度的提高,大地测量反演模型也更加精确细化,对反演算法也提出了更高的要求。针对球体分层位错模型断层参数反演问题,从反演参数的敏感性与相关性两个方面入手,分析了遗传算法在反演中的缺陷,提出了迭代最小二乘算法与遗传算法相结合的组合算法,利用模拟数据反演验证了算法的有效性。在遗传算法的断层参数反演中,断层的深度和滑距往往难以得到良好的结果,主要原因首先是上深度与下深度之间以及深度与滑距之间具有很强的相关性,其次是深度和滑距的敏感性相对来说也比较低。组合算法在各种倾角的断层上都取得了理想的反演结果,具有实用性。     

大地测量反演中参数可辨识性问题

大地测量反演是进行大地测量物理解释研究的重要手段。在反演中，参数选择及求解（参数辨识）的正确性必须确保。本文根据有代表性的准则函数推演出大地测量反演参数可辨识条件，给出其适用范围；在概括了典型的大地测量力学模型基础上，讨论了其反演参数可辨识性问题；利用有限元数值反演算例验证了参数可辨识性的结论。表明：大地测量反演参数可辨识条件及其可辨识性的结论，体现了确定大地测量反演参数（种类和个数）理论上的必要性。     

大地测量和地震数据联合反演地震震源破裂过程研究进展

综述了近10多年来大地测量和地震数据联合反演地震震源破裂过程的研究成果及最新进展,特别是大地测量和地震数据联合反演地震震源破裂过程的模型、算法及典型震例。展望了利用GPSI、nSAR和地震波数据联合反演震源破裂过程中顾及先验信息、附有不等式约束时反演模型的建立方法,以及相对权比的确定、全局优化方法的应用等问题。