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GNSS高精度垂向分量探寻区域地表形变机制及地球深部构造运动信号

2020-12-02阅读(187)

GNSS高精度垂向分量探寻区域地表形变机制及地球深部构造运动信号

论文摘要

GNSS（Global Navigation Satellite System）测站坐标垂向分量的时间序列蕴含了从浅层地表到地球深部的各种形变信息。然而,受限于GNSS的技术特点以及各种误差因素,垂向分量的精度通常比水平分量方向要低2-5倍,极大限制了垂向分量的应用研究领域。近年来,随着GNSS数据分析经验的累积及各误差因素改正模型精度的提高,目前GNSS垂向分量精度可达3 mm,为研究地表以及地球深部形变机制提供直接的大地测量观测数据支撑。本文选取中国上海浦东围海造陆区域以及美国北加州MTJ（the Mendocino Triple Junction）区域作为研究对象,利用区域内的GNSS持续及流动观测站的监测数据,在高精度的区域坐标参考框架基础下,通过削弱系统误差、时间序列非线性项、共模误差等影响之后,获得GNSS高精度垂向分量及速度场。在此基础上,主要进行了如下研究工作:1、针对上海浦东围海造陆区域,在原有持续GNSS测站的基础上,增加布设了8个流动站。利用区域内高密度的GNSS测站联合全球分布的高精度ITRF台站建立高精度、高稳定性的区域坐标框。基于高精度区域坐标参考框架,解算得到测站坐标垂向分量时间序列,并利用时间序列分析工具有效分离已知地球物理机制导致的地表形变信号,提取预期的区域地表形变机制信号。通过对时间序列的分析,发现该区域的地表形变主要由人工冲填土自重固结沉降机制所致,且区域滤波可导致该机制引起的垂向信号被当做共模误差消除。结合GNSS实测的垂向形变信号和冲填土自重固结沉降机制,建立了区域沉降模型,可以分区块预测不同填土区域的沉降趋势。该研究工作表明,利用区域GNSS高精度垂向分量可以反演该区域地表的形变机制,在监测以及预测围海造陆区域的地表沉降方面具有广泛的应用前景。2、美国北加州MTJ区域是地球深部构造运动研究的热点区域,MTJ南部的板片窗是研究该区域地壳与上地幔动力学耦合机制的极佳天然实验室。MCC（Mendocino Crustal Conveyor）模型提出了区域地表形变的公认机制,即MTJ南部板片窗内北美板块基础与涌入的地幔热流物质之间的粘滞动力学耦合是该区域快速地表形变的主要策动力。然而,该模型以往未能获得空间大地测量观测验证。本研究工作利用PBO（the Plate Boundary Observatory network）监测网GNSS测站的垂向时间序列,获得了MTJ区域内高精度垂向速度场。创新性地提出利用投影的方式,通过模拟板片窗内地幔热流物质的流动,实现了三维GNSS垂向速度场与二维MCC模型预测速度曲线的对比。投影结果表明,当GNSS垂向速度场投影方向与MCC模型剖面线呈约41°45°夹角时,两者非常吻合,从而为验证MCC模型提供了直接的空间大地测量观测数据支撑,成功实现了利用GNSS技术探寻地球深部地幔热流物质上涌动力学粘滞耦合的构造运动信号。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1. 研究背景及意义
  •   1.2. 国内外研究进展
  •     1.2.1. GNSS高精度垂向分量解算相关理论及方法
  •     1.2.2. GNSS垂向分量在地形变应用研究领域研究进展
  •     1.2.3. 典型研究区域的地表形变及形变机制研究进展
  •   1.3. 论文的主要研究内容及关键问题
  •   1.4. 论文的组织结构
  • 第2章 GNSS高精度垂向分量解算的基本理论与方法
  •   2.1. GNSS高精度垂向分量解算策略
  •   2.2. 高精度区域坐标参考框架的建立方法
  •     2.2.1. 全球参考框架及其局限性
  •     2.2.2. 区域坐标参考框架的建立方法及理论
  •   2.3. 系统误差改正
  •     2.3.1. 与卫星有关的误差
  •     2.3.2. 与传播路径有关的误差
  •     2.3.3. 与接收机有关的误差
  •     2.3.4. 测站位移修正
  •   2.4. GNSS坐标时间序列分析及信号提取
  •     2.4.1. 时间序列分析模型
  •     2.4.2. 异常信号探测分析
  •     2.4.3. 地表物质负荷导致的季节性信号
  •     2.4.4. 长期信号提取及噪声模型
  •   2.5. 共模误差消除理论及方法
  •     2.5.1. 区域叠加滤波
  •     2.5.2. 主分量分析
  •   2.6. 本章小结
  • 第3章 区域地表形变机制研究
  •   3.1. 研究区域概况及地表形变监测
  •     3.1.1. 自然地理概况
  •     3.1.2. 围海造陆工程概况
  •     3.1.3. 区域地表形变监测
  •   3.2. 研究区GNSS垂向地表形变信号分离及提取
  •     3.2.1. 利用SHCOR建立高精度区域坐标参考框架
  •     3.2.2. 研究区域流动站垂向地表形变信号分离及提取
  •   3.3. 基于Gibson大形变固结理论计算冲填土最终固结沉降
  •     3.3.1. Gibson大形变固结理论
  •     3.3.2. 分层计算研究区域不同填土厚度的最终固结沉降
  •   3.4. 冲填土自重固结沉降与时间的关系函数及参数拟合
  •     3.4.1. 回归分析理论及LM算法
  •     3.4.2. 区域滤波对拟合参数的影响
  •   3.5. 建立区域地表沉降模型分区块预测地表沉降趋势
  •     3.5.1. 建立区域地表沉降模型
  •     3.5.2. 分区块预测研究区域地表沉降趋势
  •   3.6. 本章小结
  • 第4章 地球深部构造运动信号探寻
  •   4.1. 研究区域概况及区域GNSS监测网
  •     4.1.1. 自然地理概况
  •     4.1.2. 板片窗形成
  •     4.1.3. GNSS监测网及监测数据
  •   4.2. 研究区域GNSS高精度速度场解算
  •     4.2.1. 解算策略
  •     4.2.2. 时间序列分析扣除非线性项影响
  •     4.2.3. 主分量分析消除区域共模误差
  •     4.2.4. GNSS高精度水平及垂向速度场
  •   4.3. MTJ区域地表形变机制—MCC模型
  •     4.3.1. MCC模型原理
  •     4.3.2. MCC模型预测地表形变
  •     4.3.3. MCC模型的空间延伸
  •     4.3.4. MCC模型验证
  •   4.4. GNSS高精度垂向速度场探寻地球深部构造运动信号
  •     4.4.1. 三维GNSS高精度垂向速度场验证二维MCC模型
  •     4.4.2. GNSS技术约束板片窗内地幔热流物质流向
  •   4.5. 本章小结
  • 第5章 总结与展望
  •   5.1. 全文总结
  •   5.2. 主要创新
  •   5.3. 研究展望
  • 参考文献
  • 代表论文及参与项目
  •   代表论文
  •   参与项目
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 彭宇

    导师: 董大南

    关键词: 模型,板片窗,地表形变,时间序列分析,冲填土固结沉降,地球深部构造运动信号,粘滞动力学耦合

    来源: 华东师范大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 自然地理学和测绘学,地质学

    单位: 华东师范大学

    基金: 国家重点研发计划项目《金砖国家城市公共安全的地理大数据应用研究》(项目批准号:2017YFE0100700,项目负责人:刘敏),国家自然科学基金项目《集成3D地图和GNSS的城市高密度区域高精度定位研究》(项目批准号:41771475,项目负责人:陈雯),华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室主任基金《基于3D地图的GNSS定位增强》(项目批准号:KLGIS2017C01,项目负责人:陈雯)

    分类号: P228.4;P542

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