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地球物理大地测量
科学计算软件

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地球物理大地测量科学计算软件

副标题

地球潮汐负荷影响与形变监测计算系统 ETideLoad4.0，用于地球物理大地测量监测科学计算，主要由大地测量全要素各类固体地球潮汐影响计算，地面大地测量非潮汐时间序列处理分析，高分负荷形变场及时变重力场逼近计算，CORS/InSAR协同监测与地面稳定性估计，以及大地测量数据编辑计算与可视化五大子系统有机构成。

重力场及大地水准面精化系统PALGrav4.0，用于地面、海洋及近地空间重力场数据处理，大地水准面外部各类场元多种性质地形影响精密计算，各类重力场积分正反算与解析延拓，稳态大地水准面精化，以及区域高程基准优化与应用计算等工作。PALGrav科学目标是高精度局部重力场逼近和1cm水平稳态大地水准面精化。

用户可根据工程或研究需要，设计技术方案和操作流程，灵活组织有关功能模块，开展地球物理大地测量计算分析工作。软件适合大地测量、地球物理、测绘科学、环境灾害、水文气象、卫星动力学、地震与地球动力学等高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员。

两套科学计算软件系统，都在Visual studio 2017 x64集成环境中，采用QT C++(界面)、Intel Fortran(核心功能模块)和mathGL C++(数据可视化)代码级混合编程技术研发。ETideLoad4.0包含50多个win64程序和600多个功能模块；PALGrav4.0包含40多个win64程序和近400个功能模块。

为方便自学、教学与技术培训，绝大多数程序配有完整计算样例，每个样例目录包括程序操作流程文件、输入输出样例数据文件和程序界面系列截图。完成全部样例练习后(ETideLoad4.0约5个工作日/PALGrav4.0约3个工作日)，基本具备独立使用软件系统的能力。

多种监测技术协同与多源异构数据深度融合原则

副标题

（1）构造科学一致的地球物理模型、严格统一的数值标准和解析相容的大地测量与地球动力学算法，统一时空监测基准和参考历元，创建空天地海多种大地测量技术协同监测的数理基础环境。

（2）同类型多源异构大地测量监测量时序，通过基本大地测量约束或联合测量平差方法(按需要附加监测基准参数)，逐历元实现深度融合。

（3）不同类型多种监测量时序，通过物理大地测量、固体地球物理或环境地质动力学约束(按需要附加动力学参数)，实现解析深度融合。

（4）通过重构多种监测技术、多源异构数据之间的大地测量与地球动力学时空关联，同步提高时空监测分辨率，拓展时空监测范围，非富监测要素类型，揭示监测对象的地球物理结构和动力学特征。

典型应用

副标题

地面形变场及稳定性变化无缝连续监测

2015至2016年，利用三峡地区及周边26座CORS站、8座重力台站和1座地倾斜台站（点位分布如图）数据，结合河流水文站、气象站的日平均，以及多种卫星测高、资源三号卫星遥感和GRACE卫星重力等观测数据，采用负荷动力学同化方法，综合确定了2010年1月至2015年6月三峡地区2ʹ×2ʹ地面垂直形变（图1）、地面重力（图2）、地倾斜（图3）、地下水（图4）及地面稳定性月变化量格网时序。

结果显示：（1）地面垂直形变监测精度5mm，地面重力变化监测精度10μGal。多种大地测量综合的地表动力环境多要素监测方法可行。（2）三峡地区地面垂直形变年变化幅度36mm，大地水准面年变化幅度28mm，地面重力年变化幅度117μGal。（3）长江截流后整个库区的地下水变化量达到每平米增大近0.5m³，影响范围由长江中心线向两边地区扩展超过150km。

CORS网地质灾害监测预警能力评估

2017至2018年，利用浙江省丽水温州及周边38座CORS站2015年至2017年GNSS连续观测数据，结合39座气象站日平均大气压数据，采用已知负荷移去恢复法，计算了2015年1月至2017年12月丽水温州地区1ʹ×1ʹ地面垂直形变、地面重力及地面稳定性月变化量格网时间序列。通过定量跟踪地面稳定性变化（如图），评估CORS站网地质灾害前兆捕获能力。

图7_3.png 图7_4.png 图8_1.png 图8_2.png

结果显示：（1）CORS网具备地面稳定性降低的时间与地点、持续作用时间与空间影响分布的连续定量跟踪监测能力，具备地质灾害灾变过程追踪与前兆捕获能力。（2）地质灾害发生前，CORS网通过连续监测地面垂直形变、地面重力和地倾斜变化，能提前检测到稳定性降低信号，从而捕获灾害前兆。（3）丽水温州地区CORS站网的地质灾害前兆提前捕获率可达92.5%。

海岸带重力场及大地水准面精化

　　2011年，针对海岸带大地水准面精化技术难题，提出了较为完整的复杂多源重力场数据融合技术方案，并综合高度不同、交叉混叠、精度差异、分布不均的地面、航空、船载、卫星重力场及多种卫星测高数据（图1），精化了海岸带地区陆海统一重力场，进而基于Stokes边值问题解法，采用局部地形影响与参考重力场组合移去恢复技术，精密确定2.5′×2.5′我国陆海统一的地面扰动重力（图2）、地面垂线偏差、重力似大地水准面（图3）和海面地形（图4）数字模型，使得我国海岸带重力大地水准面首次达到厘米级精度水平。

　　经国家测绘产品质量检验测试中心采用280余个GNSS水准点检核，陆海重力似大地水准面中误差3.9cm。

　　自然资源部大地测量数据处理中心用沿海12省市2010年之前的GNSS水准成果，对海岸带陆海重力似大地水准面进行外部检核，统计结果如表。

（1）天津、上海的地面在2010年之前的一段时间内存在数厘米下沉，境内GNSS水准残差高程异常均值小于总体均值（-0.12m）。

（2）其余省市平均值最大互差不超过3cm，这说明沿海省市重力似大地水准面在厘米级精度水平上是解析无缝的。

（3）中国国家1985高程基准传到海南岛后，在1cm精度水平上无明显差异。

地面沉降与高程基准监测维护

✍2016年，在山东省开展CORS网、重力卫星与水准网联合的垂直基准监测维护示范工作。

✍2017年，在陕西汉中地区联合CORS网和重力卫星开展区域时变重力场与地下水储量变化无缝连续监测。

✍2018年，在天津市开展多源多种大地测量综合的地面沉降与区域高程基准稳定性监测。

✍2019年，在浙江省台州市开展时序InSAR与CORS站网联合的地面沉降监测。

20200612 20200611

结果显示：

（1）CORS站不仅能以毫米级精度直接连续监测地面垂直形变，而且与GRACE卫星跟踪卫星监测全球重力场变化原理一样，能以更高时空分辨率、更敏感地监测区域重力场的微小变化。综合地面和卫星多种大地测量，能有效提高地表动力环境多要素监测水平。

（2）在海岸带附近和城市路面，InSAR监测量受地表非形变信息严重干扰，与CORS网时空监测基准统一后，可修复大气延迟误差，补偿负荷潮垂直形变影响，提高地面非线性时变监测能力（图4）。

20200611

学术与技术交流

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基于GNSS水准和重力场误差特性的大地水准面精度评估方法

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