时空地统计学方法研究及进展

随着理论技术的不断发展,对环境因子仅进行空间估计和量化已不再满足精准农业等地理分支学科的精度要求,因此人们在传统地统计方法的基础上衍生出时空地统计学。该方法将时间域和空间域紧密联系起来,运用时空插值和随机模拟,更客观全面地描述地物的区域性时空分布。本文首先阐明了时空地统计学的主要概念及历史应用领域,随后介绍了当前主流的时空地统计方法及其各自的精度与适用领域,最后总结了时空地统计方法研究的不足和方向。     

高精度曲面模型解算改进的Gauss-Seidel法

为了降低HASM的时间复杂度,采用一种改进Gauss-Seidel(GS)算法(MGS)解算HASM方程组。首先,从理论上分析了MGS算法收敛速度快于GS算法,然后以高斯合成曲面作为研究对象,用四组模拟试验表明,相同的网格数、达到相同的计算精度,MGS算法计算时间小于GS算法,且两种算法时间差与模拟区域网格数呈二次线性相关;固定网格数,使用相同的内迭代或者外迭代次数,MGS算法精度高于GS算法,但增加内迭代或者外迭代次数,GS算法同样收敛;MGS算法计算时间与网格数呈线性相关。MGS算法能够有效解决HASM模拟大区域的计算时间瓶颈,提高HASM运算速度。以甘肃省董志塬某测区SRTM3作为研究对象,基于MGS的HASM用于模拟DEM表明,HASM精度要高于传统的插值方法。     

欧洲绝对重力仪比对观测（ECGS′07）

介绍了2007年11月在欧洲卢森堡Walferdange举办的第二次绝对重力比对观测的概况及结果.有20台绝对重力仪参加了比对观测,在ECGS共15个测点上的比测结果标准偏差小于2.1×10^-8m·s^-2.文章简述了数据处理方法以及结果分析,中国地震局地震研究所引进的FG5/232绝对重力仪参加了本次比对,为在中国大陆建立绝对重力基准提供了重要经验.     

基于集合经验模态分解法的重力极潮提取与研究

重力极潮,即极移引起的重力变化,是地球由于惯性离心力变化导致地球形变的综合反映,其观测和研究有助于了解地球在长周期频段的响应,约束地球形变、地球内部构造和物理参数.区别于以往研究,本文采用了集合经验模态分解方法（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）从全球5个超导重力仪台站连续重力观测资料中提取重力极潮、消除仪器漂移及极潮频段以外的大部分噪声信号,该方法所用的基函数是基于自身信号获得的;在此基础上,利用最小二乘匹配法分离极潮中的周年项和Chandler项,估算Chandler周期的极潮潮汐因子.结果表明,基于EEMD得到的极潮潮汐因子与前人基于其他消除仪器漂移方法（数学模型或小波分析）得到的结果相符合,精度相当,但由于这种方法是自适应的,因此本文结果更能反映实际物理过程.

     

利用Excel实现快速整理CG-5型重力仪静态试验数据和计算漂移常量DRIFT

重力仪静态试验是重力勘探工作开始之前对仪器性能检查的必要环节,由于原理简单,其数据整理常不被人们重视,没有系统的方法,但整理的计算过程却又繁琐复杂,初学者在面对大量数据和多重目标时或顾此失彼,或重复计算,往往要耗费较多的工作时间.Excel电子表格具有强大的数学计算、图形显示功能,且应用广泛,易于操作,可系统整理CG-5型重力仪静态试验的原始观测记录,快速获取静态试验数据表、零点位移曲线及其拟合直线图等直观要素,同时计算得到静态零点位移曲线与直线偏差、平均零点位移率等结果参数,Excel的散点图趋势线功能也改进了静态零点位移校正参数漂移常量DRIFT的计算方法与准确度.这种静态试验数据的整理方法具有快速、准确和直观的优点.     

相关性分析在GT航空重力仪零漂改正中的应用

航空重力仪测量传感器和地面重力仪测量单元类似,往往存在零点漂移现象,通常把这种漂移视为线性关系,用前、后校数据做零漂改正处理。但是航空重力仪结构复杂,造成传感器漂移的因素很多,最为关键的因素是环境温度变化带来的扰动,实际又无法避开航空重力仪在温差剧烈变化的夏、冬两季作业。笔者以航空重力仪静态数据为例,首先进行固体潮改正并使用最小二乘法做线性零漂改正,其次使用线性相关分析方法,获得了静态数据和仪器温控温度之间具有很强的相关性特征,最后建立线性回归方程计算得到最终改正后的重力静态数据,精度有了很大的提高。这种相关性分析方法对深入理解传感器零漂改正处理方法和应用于动态测量数据中的零漂改正预研究具有实际意义。     

利用超导重力数据探测Slichter模三重分裂信号

本文基于2004苏门答腊地震后全球地球动力学计划观测网中9台超导重力仪13200 h的连续重力观测数据,联合利用整体经验模态分解(EEMD)、最优序列估计(OSE)、积谱密度分析(PSA)和自回归估计(AR)方法,探测地球固态内核平动振荡模态(Slichter模)的三重分裂信号.利用EEMD提取常规预处理后的重力残差中包含目标频段的本征模态函数(IMFs)作为最终的重力残差之后,将每个台站的重力残差平均分成无重叠的3个子数据块,再应用OSE和PSA方法获取Slichter模三重分裂谱线的积谱密度,并采用AR方法估计各积谱中弱共振信号的中心频率及其误差.结果表明,结合OSE和PSA方法探测到三个清晰的谱峰,周期分别为5.8307±7.1×10-4 h、5.2161±8.1×10-4 h和4.7536±5.2×10-4 h,分别对应Slichter模三重分裂谱线m=-1、m=0和m=+1,且三个谱峰的周期与Crossley(1992)、Rochester和Peng(1993)、Peng(1997)和Rogister(2003)基于PREM地球模型给出的Slichter模理论周期非常接近,也与Ding和Shen(2013)建议的"可能的观测结果"较为接近.参考现有的理论和观测结果,本文认为这三个信号可能是Slichter模三重分裂谱线.     

武汉九峰站地下水变化对重力场观测的影响

本文从地下水渗透过程的物理机制出发,采用一维水动力学模拟,利用井水位和降雨数据模拟计算了武汉九峰站附近的土壤含水率变化,在此基础上估计了地下水变化导致的重力效应.其峰对峰变化幅度达到15.94μGal,说明当利用精密重力观测研究长周期效应时实施台站地下水改正的必要性;频域分析表明,地下水重力效应在周年频段上的振幅最大,说明地下水变化对重力的最大影响来自季节性变化.对比模拟计算的地下水重力效应和经过潮汐、大气、极移等改正后的高精度超导重力残差（峰对峰变化幅度为12.73μGal）,发现两者在时域和频域均具有良好的一致性,说明超导重力残差信号主要来源于局部地区地下水的变化,同时也验证了本文使用的水动力学模拟方法的正确性.     

激光干涉绝对重力仪参考棱镜隔振系统仿真

在激光干涉绝对重力仪中,参考棱镜在背景振动和系统自振的作用下呈现复杂的振动模式,严重影响了整机的测量准确度.针对此问题,本文基于磁悬浮原理设计了参考棱镜的反馈式两级振动隔离系统,建立了系统的动力学模型,在不同的反馈方式下推导了相应的传递函数,进行了Matlab仿真分析以确定最优的反馈方式.系统仿真结果表明绝对速度反馈方式的隔振效果可达100 dB,与自主研发的Age-110型激光干涉绝对重力仪的联合测试结果表明,该隔振系统可将Age-110的测量精度再提高1.5倍.

     

重力梯度同步观测方法

为了克服传统陆地重力梯度测量方法的不足,提出了利用两台或多台具有电子读数的相对重力仪测量重力梯度的同步观测方法和相应的数据处理模型,该方法无需进行固体潮改正和零漂改正而直接求解重力差,垂直重力梯度实验结果验证了该方法的有效性。