并址技術在監測地殼垂直運動方面的應用

田風勛，陳 卓，孫建軍，田 亮

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054）

并址技術在監測地殼垂直運動方面的應用

田風勛1，陳 卓1，孫建軍1，田 亮2

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054）

并址技術是指在同一測站并置GPS、SLR、VLBI等不同空間定位技術的手段。利用全球分布的31個并址站近10 a連續觀測數據對地殼垂直運動進行監測，結果表明運用不同技術手段對相同地理位置地殼運動監測的結果存在相似性，同時也存在一定程度的差異。針對這種現象，進行了系統分析與探討。

并址站；地殼運動；空間定位技術；周年振幅

多種空間技術并址于同一測站，從而實現同等條件下不同技術并行觀測，已隨空間技術的成熟得到廣泛應用。例如，建立國際地球參考框架的臺站中就有數十個并址站，這些測站為不同空間技術之間的系統歸算、聯合平差、基準轉換等提供了便利條件，同時并址技術依托不同空間技術觀測的原理差異，實現了相互間改正系統誤差提高觀測精度的目的。田亮[1]等基于全球并址技術臺站對GPS自身系統性誤差進行了分析，發現GPS測站監測結果中包含自身系統性誤差干擾。孫付平[2]等依托并址站對GPS、VLBI和SLR技術確定的地心坐標精度進行了分析比較。本文根據搜集的全球并址站觀測數據，分析了臺站所處大陸板塊垂直運動的情況，并對不同技術的處理結果進行了比較。

1 并址站概況

本文從全球并址站中選取了31個觀測時間較長，數據質量較高的測站作為研究對象，這些并址站同時并置了GPS、SLR、VLBI三種觀測技術。并址站處理數據可從ITRF[3]官方網站下載；觀測區間為2000～2009年，時間長度不等；選取的31個并址站基本覆蓋了全球各主要大陸板塊，能夠有效代表全球地殼運動的基本情況，分布如圖1、2所示。

圖1 GPS與SLR并址站概略位置分布

圖2 GPS與VLBI并址站概略位置分布

2 地殼運動監測基本原理

監測地殼運動主要依靠分布于地殼表面的臺站實時觀測數據，通過對地球表面臺站長期連續觀測時間序列進行處理，可監測臺站所處的板塊運動特征，主要包括板塊水平運動、板塊之間匯聚或擴張、板塊垂向周期運動和地殼壓縮或膨脹等。水平方向運動多為百萬年尺度運動，短周期內以線性運動為主。垂直方向運動較為復雜，本文主要對垂直方向運動進行研究，監測手段主要采用快速傅里葉變換方法[4]提取測站不同技術手段運動周期。其變換原理為：

設點數為N=2L，L為整數，如果不滿足該條件，補零。將序列X（n）按照n的奇偶分成兩組：

將N點傅里葉變換定義式分解為2個長度分別為N/2的傅里葉變換：

3 算例與分析

3.1 算例

利用快速傅里葉變換技術對上述并址站GPS、SLR、VLBI三種手段觀測數據進行處理，提取臺站坐標變化的主要趨勢。臺站坐標變化反映了臺站所處的地殼板塊運動的現勢性，在一定程度上反映了板塊的活躍程度。由于并址站數量較多，在此以上海并址站為例，展示經數據處理后的坐標垂直變化情況（圖3）。

由圖3不難看出，上海并址站提取的臺站變化主要趨勢中，3種空間技術的走勢極為相似，周期近似為1 a，即上海站所處的板塊垂直運動短期內主要表現為以1 a為周期的波動，利用3種空間技術監測這種波動趨勢的結果具有一致性，但是波動量級有一定區別，為了驗證這種量級區別是否是個別現象，下面將所有參與實驗的并址站監測波動量級進行統計，如圖4所示。

圖3 3種技術坐標變化主要趨勢

圖4 所有并址站3種技術監測波動振幅統計

通過對所有并址站不同技術觀測數據進行處理和統計發現，GPS、SLR、VLBI三種空間技術監測得到的同一地殼形變量級有一定區別，其中SLR與GPS并址的臺站中，SLR技術監測量級整體大于GPS監測量級；VLBI與GPS并址的臺站中，VLBI技術監測量級整體大于GPS量級；而VLBI與SLR水平分量量級相似，穩定在5 mm左右，垂直分量量級穩定在10 mm左右。實驗測站中有4個并址站為三技術并址，即同一臺站包含了GPS、SLR、VLBI三種技術，4個測站監測的地殼垂直形變波動量化情況如表1。

3.2 分析與探討

從所有并址站的振幅統計結果來看，SLR、VLBI和GPS技術統計的臺站主要是非線性變化振幅不同，SLR與VLBI技術統計的波動規律在垂直方向上絕大部分都高于GPS技術監測的振幅。因此SLR、VLBI技術可作為分離GPS技術系統誤差的有益參考[5]。

表1 并址站監測地殼垂直形變振幅與相位比較

絕大部分并址站3種技術監測的波動規律周期在52～60周之間，也就是說周期在1 a左右，規律較為明顯[6]，說明地殼短周期垂直運動以周年運動為主。

Simeiz、Hartebeesthoek、Tidbinbilla、ShangHai四個臺站同時包含3種空間技術，統計結果顯示，3種技術對地殼垂直形變變化趨勢的監測結果具有較好的一致性，振幅相差較大。同時有一個現象值得重視：位于北半球的Simeiz和ShangHai并址站垂直形變隨時間變化趨勢具有相似性，初始相位在0°左右；南半球Hartebeesthoek和Tidbinbilla并址站二者相位變化具有相似性，初始相位在180°左右，即南北半球之間并址站監測結果相位變化差距約為180°，二者呈反向趨勢。通過查閱相關資料文獻可知，目前臺站垂直方向的這種趨勢變化引起機制尚無定論，與氣壓變化、熱脹冷縮、冰后回彈、潮汐負荷等因素皆有關聯[7-8]，這種反向趨勢是否驗證了垂直形變以季節性因素影響更多值得探討，需要更多的南北半球臺站數據進行驗證。

4 結 語

過去人們單純依靠某種技術監測地殼形變，往往包含該技術本身的系統性因素，結果容易產生系統性偏差。目前，監測地殼形變的空間技術日益增多且成熟，并址技術的推廣使得監測結果越來越穩定。依托并址技術能夠較好地發揮各種監測手段的優勢，彌補不足。本文簡要分析了并址站監測數據的初始結果，發現并址技術能夠監測臺站的形變規律，為形變機制研究提供客觀依據；同時能夠發現不同監測技術本身的系統影響，有利于剔除系統性誤差，還原地殼形變本身的機制影響。因此隨著并址技術的推廣，未來多技術包括3種技術、4種技術并址測量將成為一種趨勢，對于地殼運動的監測也將更加精細化。

[1] 田亮,孫付平,喬亞明,等. GPS技術周年系統性誤差的檢測與分析[J].測繪科學,2013,38(3):47-49

[2] 孫付平,田亮,門葆紅,等.GPS測站周年運動與溫度變化的相關性研究[J].測繪學報,2012,41(5):723-728

[3] 成英燕.ITRF2008框架簡介[J].大地測量與地球動力學,2012,32(1):47-50

[4] 田亮,孫付平,李楚陽.基于GPS測站坐標殘差序列的ARMA建模方法研究[J].大地測量與地球動力學,2012,32(2):124-127

[5] 田亮,段金梅,王強,等. 基于全球并置站的GPS周年系統性誤差分析[J].大地測量與地球動力學,2013,33(1):78-80

[6] 閆昊明,陳武,朱耀仲,等. 溫度變化對我國GPS臺站垂直位移的影響[J].地球物理學報,2010,53(4):825-832

[7] 周江存,孫和平. 高精度GPS觀測中的負荷效應[J].地球科學進展,2007,22(10):1 036-1 040

[8] 張詩玉,鐘敏,唐詩華.我國GPS基準站地殼垂直形變的大氣負荷效應[J].武漢大學學報(信息科學版),2006,31(12): 1 090-1 093

P228

B

1672-4623（2016）07-0069-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.021

田風勛，從事大地測量數據處理與工程測量工作。

2015-08-31。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41374027）；國家高技術研究發展計劃資助項目（2013AA122501）。