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重力场及大地水准面精化系统PALGrav4.0

PALGrav4.0是在Visual studio 2017 x64集成环境中,采用QT C++(界面)、Intel Fortran(功能模块)和mathGL C++(数据可视化)代码级混合编程技术开发的window 64位程序包。

为方便自学、教学与技术培训,大多PALGrav4.0程序配有完整计算样例,存放在C:\PALGrav4.0\ examples目录下,样例文件由程序操作流程(文件processinf.txt)、输入输出数据和界面截图构成。样例的目录名与可执行程序名相同。

使用PALGrav4.0程序前,建议按照processinf.txt流程信息,由样例输入输出数据文件,对照截图,完整操作一遍样例。完成全部样例练习约需3个工作日。

用户可根据工程和研究需要,制定技术方案,设计个性化作业流程,灵活组织PALGrav4.0有关程序及功能模块,完成多源重力场数据处理融合,局部重力场逼近与大地水准面精化,以及高程基准应用服务等计算分析工作。

PALGrav4.0程序包下载
PALGrav4.0_win64cn.exe
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PALGrav4.0样例说明.pdf
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PALGrav4.0数据格式.pdf
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ETideLoad3.0(Win64)
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固体潮与负荷形变场精化系统.chm
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固体潮与负荷形变场精化系统.pdf
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PALGrav3.0(Win64)
PALGrav3.0.exe
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重力场及大地水准面精化系统.pdf
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重力场及大地水准面精化系统.chm
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ETideLoad典型作业流程
负荷形变场与时变重力场计算

 目的:由区域高分大气压、地表水和海平面变化数据,结合全球大气压、海平面和土壤水变化格网模型,计算高精度区域负荷形变场与重力场变化格网模型。

方法:由区域高分辨率地表环境负荷数据,采用基于全球负荷形变场球谐系数模型的移去恢复法,计算区域非潮汐负荷形变场及时变重力场。

(1)将全球大气压格网转换成地面等效水高格网,由“格网陆地海洋数据分离”,消除全球土壤水和海平面变化格网在海岸线附近的矛盾。

(2)将全球大气压、海平面和土壤水等效水高变化格网模型相加,得到全球等效水高变化格网模型。

(3)利用“全球等效水高格网规格化球谐分析”,由全球等效水高变化格网模型生成全球等效水高规格化球谐系数模型。

(4)整合区域大气压、地表水和局部海平面变化数据,生成区域高分辨率等效水高变化格网模型。

(5)利用“等效水高球谐综合负荷形变场计算”,由全球等效水高规格化球谐系数模型,计算与区域等效水高变化格网规格相同的等效水高模型值。

(6)移去模型值:利用“两格网文件的加权运算”,从区域等效水高变化格网中移去等效水高模型值,得到区域剩余等效水高格网模型。

(7)利用“区域格林函数积分负荷形变场计算”,由区域剩余等效水高格网模型,确定区域剩余负荷影响格网模型。

(8)利用“等效水高球谐综合负荷形变场计算”,计算与区域剩余负荷影响规格相同的全球负荷影响模型值。

(9)恢复模型值:利用“两格网文件的加权运算”,将区域剩余负荷影响格网与全球负荷影响模型值格网相加,得到区域高精度非潮汐负荷影响格网模型,包括各种类型的负荷形变场与重力场变化格网模型。

地球卫星潮汐与非潮汐摄动影响计算

目的:充分利用与综合各种数据资源,精确计算全部类型潮汐与非潮汐地球动力学影响导致的卫星轨道摄动,以期全面提升大地测量卫星的地球重力场、地球变化监测和卫星动力学定轨水平。

(1)利用“卫星轨道摄动潮汐影响计算”,逐一选择潮汐影响类型,分别计算卫星重力位、摄动力的固体潮、海潮负荷、大气潮负荷、地球极移和海潮极潮影响。

(2)构造卫星轨道面大地高格网模型,并依据卫星运行时间,构建全球非潮汐海平面、大陆水和大气压(月/半月)变化格网模型时间序列。

(3)利用“全球等效水高格网规格化球谐分析”,由全球非潮汐海平面、大陆水和大气压(月/半月)变化格网模型时间序列,生成相应的非潮汐负荷规格化球谐系数模型时间序列。

(4)利用“球谐系数模型加权运算”,将全球非潮汐海平面、大陆水和大气压球谐系数模型相加,生成全球非潮汐负荷球谐系数模型时间序列。

(5)利用“地球外部空间非潮汐负荷影响计算”,由卫星轨道面大地高格网模型和全球非潮汐负荷球谐系数模型,选择大地坐标格式,分别计算卫星轨道面上摄动位和摄动力三分量非潮汐负荷影响格网时间序列。

(6)利用“格网时序插值任意时刻点值”,由卫星星历文件和卫星轨道面上非潮汐负荷影响格网时序,按经纬度坐标和时间,内插卫星轨道在实际时刻的非潮汐负荷影响。

CORS网大地高变化负荷形变场精化

目的:基于CORS网站点大地高变化时序,结合大气、地表水及海平面变化等观测资料,通过精化负荷垂直形变、大地水准面、地面重力及地倾斜变化格网时序,实现区域非潮汐负荷形变场及时变重力场的连续监测。

方法:基于全球和区域地表负荷模型的移去恢复法。

(1)计算全球负荷垂直形变场及重力场月变化模型值,以及区域剩余负荷垂直形变场与重力场月变化模型值。

(2)利用“非潮汐时序分析与处理”有关程序,从CORS站天解(或周解)时间中移去线性变化,构造CORS站大地高月变化(非线性变化)时序。

(3)利用“4等效水高球谐综合负荷形变场计算”,从CORS站大地高月变化时间序列中,移去全球负荷影响(大地高月变化、负荷垂直形变)模型值。

(4)继续利用“等效水高球谐综合负荷形变场计算”,选择计算负荷影响类型为“等效水高值”,从区域等效水高变化格网中,移去全球负荷等效水高模型值,生成区域剩余等效水高变化格网模型时间序列。

(5)利用“区域格林函数积分负荷形变场计算”,由区域剩余等效水高变化格网模型时间序列,从CORS站大地高月变化时间序列中,再移去区域剩余负荷影响(大地高月变化)模型值,生成CORS站剩余大地高月变化时序。

(6)利用“站点大地测量参数负荷形变场精化”,由CORS站网各站点剩余大地高月变化时间序列,生成区域剩余等效水高月变化时序。

(7)利用“区域格林函数积分负荷形变场计算”,由区域剩余等效水高月变化格网模型时序,生成区域剩余地面大地高、大地水准面、地面重力与地倾斜月变化精化值格网时序。

(8)将地面大地高、大地水准面、地面重力与地倾斜变化格网时间序列的全球负荷影响模型值、区域剩余负荷影响模型值和区域剩余负荷影响精化值相加,得到区域地面大地高、大地水准面、地面重力与地倾斜月变化格网时间序列。

CORS时序InSAR地面沉降综合监测

目的:通过InSAR监测量野值探测,极浅地表自身变化分离,InSAR监测量CORS网时空监测基准统一,以及InSAR监测量时序分析与时变信号重构等,优化整合CORS网非线性时变信号全天候连续监测能力和时变信号无误差累积优势,与InSAR高精度地面垂直变化空间差异性的高分辨率监测能力,实现统一时空监测基准中高时空分辨率垂直形变(地面沉降)的高精度监测。

技术方案:

(1)依据地面沉降空间高相关特点,由InSAR监测量构造平滑的参考格网,以分离InSAR野值、粗差和突变等非沉降信息信号,分离SAR多路径效应和复杂粗糙地表环境干扰。

(2)依据沉降量与动力源/作用点距离或距离平方近似反比的空间性质,对每期InSAR监测量进行高斯滤波,使其二阶可微,以分离极浅地表层非沉降信号,抑制大气延迟短波扰动及地表自身变化。

(3)利用InSAR监测量与CORS网地面沉降量中长波成分的差异,将InSAR监测量时序统一到CORS网监测基准,以控制InSAR监测量随时间的误差累积,补偿或校正大气延迟与潮汐形变引起的空间变化信息和时变信号,修复空间尺度大于InSAR干涉区的时变信号,将InSAR监测量统一转为正(变化。

20200611(4)依据动力(加速度)是沉降量(位移)对时间的二阶导数,对InSAR沉降量进行时序分析与重构,使其连续可导,以提高沉降量的可靠性和精度水平,实现地面沉降的情势分析与短时推估预报。

说明:

(1)由CORS网地面沉降格网范围覆盖各组InSAR时序监测区,实现多组InSAR监测量时序的空间监测基准统一。

(2)按相同采样时刻,对各组InSAR沉降量进行信号重构,就能实现多组时序InSAR监测成果的深度融合。

CORS网地面稳定性变化定量监测

目的:从CORS网地面高程、重力和地倾斜变化格网时序中,提取地面稳定性变化信号,估计CORS网作用范围内总体地面稳定性,定量跟踪CORS网运行期间,地面稳定性降低的时间与地点、持续作用时间与空间作用范围,揭示地面稳定性时空演变动态。

(1)利用稳定性降低定量辨识准则,由CORS网地面形变场变化格网时序,直接生成地面稳定性变化格网时序。

利用“高程变化格网地面稳定性变化检测”、“重力变化格网地面稳定性变化检测”、“地倾斜变化的地面稳定性变化检测”,分别由地面高程变化、地面重力变化和地倾斜变化格网时间序列,确定3种地面稳定性变化格网时序。

(2)综合CORS网地面稳定性变化与形变场监测成果,定量估计CORS网作用范围内的总体地面稳定性格网模型。

①利用“格网格值水平梯度估计”,选择“采用极坐标表示水平梯度向量”,由CORS网地面沉降速率格网,计算地面沉降速率水平梯度格网模型。

②利用“系列格网格值统计文件构造”,分别统计基于高程、重力和地倾斜变化的地面稳定性变化格网时间序列,获得3种稳定性变化时序的标准差格网模型。

③利用“文件数据统计信息提取”,获得3种稳定性变化时序的标准差格网、地面沉降速率水平梯度格网的平均值和标准差。地面稳定性-附等值线11.png

④灵活运用“两格网文件的加权运算”,将3种稳定性变化时序标准差格网、地面沉降速率水平梯度格值分别减去其平均值,再除以各自标准差,实现3种稳定性变化时序标准差格网和地面沉降速率水平梯度格网的归一化。

⑤利用“两格网文件的加权运算”,以总体稳定性较大值与地质灾害(隐患)点的分布一致性为目标,调整权比关系,将3种稳定性变化时序的标准差和地面沉降速率水平梯度格网加权平均,定量估计CORS网作用范围内总体地面稳定性格网。

⑥以总体地面稳定性格网模型为底图,展绘该地区已有地质灾害(隐患)点位置,评价 CORS站网对整个区域总体地面稳定性的定量估计能力。

总体地面稳定性能刻画地面稳定性空间分布差异。数值越小的地方,表示该地方地面稳定性状态变化越小,可认为其附近地面总体上是稳定的,反之,总体的稳定性较差。

(3)以总体地面稳定性为背景场,优化整合基于地面高程、重力和地倾斜格网的地面稳定性变化,构建CORS网地面稳定性变化格网时序。

①利用“系列格网数据统计信息提取”,分别统计基于地面高程、重力和地倾斜格网的地面稳定性变化格网时序,获得3种时序的平均值和标准差。

②灵活运用“两格网文件的加权运算”,通过将全部格网格值减去平均值,再除以标准差,归一化3种地面稳定性变化时序与总体地面稳定性格网。

目的:统一地面稳定性变化监测基准。

③以地面稳定性降低与已有地质灾害(险情)事件基本一致为优化目标,调整3种地面稳定性变化、总体地面稳定性的权比关系。权值之和等于1。

④加权平均确定CORS站网地面稳定性变化格网时间序列。

⑤地面稳定性变化格网模型时序,反映了地面稳定性变化的当前态势(时间上),以及不同位置上当前态势之间的差异(空间上)。

⑥在整个地面稳定性变化格网模型时间序列中,格值越大,表明该时刻、该地方的地面稳定性降低幅度越大。

⑦无论什么情况下,某时某地(用时序对应时刻的格网所在水平坐标表示)的地面稳定性变化值增大,都表明此时该处的地面稳定性正在加速降低。

⑧在地面稳定性变化格网时序中,格值较小的格网所在地与时序对应时间,能作为CORS网作用范围内整个时序时间跨度的地面稳定性变化参考基准。

PALGrav典型作业流程
各种类型扰动场元的地形Helmert凝聚计算

(1)调用“局部地形影响数值积分”,选择高程异常、扰动重力、空间异常一起计算,采用150km积分半径,由地面数字高程模型、地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的局部地形影响。

(2)调用“局部地形质量补偿积分”,选择高程异常、扰动重力、空间异常一起计算,采用150km积分半径,由地面数字高程模型、地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的局部地形补偿。

(3)将计算点处高程异常、扰动重力、空间异常局部地形影响与局部地形补偿分别相减,就得到计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的地形Helmert凝聚。

各种类型扰动场元的剩余地形影响计算

(1)调用“格网的低通滤波运算”,选择“滑动平均滤波”,设置滤波尺度参数n等于数字高程模型高低分辨率之比的1/2,由高分辨率陆海数字高程模型,生成格网规格相同的低通陆海数字高程模型。

(2)调用“格网陆地海洋数据分离”,由高分辨率陆海数字高程模型与低通陆海数字高程模型,分别生成高分辨率地面高程模型和高分辨率海洋水深数字模型,与低通地面高程模型和低通海洋水深数字模型。

(3)调用“局部地形影响数值积分”,采用150km积分半径,由高分地面高程模型与高分地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的高分辨率局部地形影响。

(4)调用“球壳地形质量影响计算”,选择高程异常、扰动重力、空间异常一起计算,由高分辨率地面数字高程模型与高分辨率地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的高分辨率球壳布格影响。

(5)调用“局部地形影响数值积分”,由低通地面数字高程模型与高分辨率地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的低通局部地形影响。

(6)调用“球壳地形质量影响计算”,由低通地面数字高程模型与高分辨率地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的低通球壳布格影响。

(7)将计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的高分辨率局部地形影响与球壳布格影响相加,再减去低通局部地形影响与球壳布格影响之和,就得到计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的陆地剩余地形影响。

(8)调用“海水完全布格影响积分”,采用280km积分半径,由高分海洋水深数字模型与高分地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的高分海水完全布格影响。

(9)调用“海水完全布格影响积分” ,采用280km积分半径,由低通海洋水深数字模型与高分地面/海面大地高模型,计算地面、海面或近地空间计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的低通海水完全布格影响。

(10)将计算点处高分海水完全布格影响与低通海水完全布格影响相减,就得到计算点处高程异常、扰动重力、空间异常的海水剩余地形影响。

(11)将全部计算点处陆地剩余地形影响与海水剩余地形影响分别相加,就得到陆海统一的高程异常、扰动重力、空间异常剩余地形影响。

地面船测航空多源重力场数据融合

 目的:熟悉不同高度上、空间交叉分布、多源异质的陆海重力场数据融合基本作业流程,掌握“地形影响+参考重力场组合移去恢复法”作业方案,了解地形影响移去恢复法在重力场数据处理中的基本作用和技术要求。

方法:由唯一的地形数据和参考重力场模型,采用相容的地形影响与重力场算法,按地形影响+参考重力场组合移去恢复法,将地面、海洋和航空实测扰动重力解析延拓到平均高度等位面;对离散点值数据格网化,在进行粗差探测的同时,生成该等位面上扰动重力格网数字模型。

(1)调用“扰动重力场元点值计算”,计算地面重力、海洋及航空测线重力点的扰动重力值。

(2)移去离散扰动重力高分辨率地形影响:从地面、海洋及航空测线离散扰动重力中,统一移去这些离散点扰动重力的高分辨率地形影响,生成地面、海洋及航空测线剩余扰动重力点值文件。

⊙地形影响性质可选用:局部地形影响、地形Helmert凝聚、陆海剩余地形影响、局部地形影响+海水剩余地形影响、地形Helmert凝聚+海水剩余地形影响、陆地剩余地形影响+浅海完全布格影响等。

⊙地形影响性质选择标准:离散场元格网化时代表性误差(计算方法参见5.1节说明)最小;场元地形影响短波/超短波成分占绝对优势。

(3)移去离散点扰动重力超高阶模型值:调用“2.3模型重力场元点值计算”,从地面、海洋及航空测线剩余扰动重力中,移去模型扰动重力,生成地面、海洋及航空测线残差扰动重力点值文件。

(4)调用“过指定点模型等位面构造”,选择最大计算阶数720,生成扰动重力格网所在的等位面大地高格网数字模型。

(5)结合超高阶重力场移去恢复法,将离散的地面、海洋及航空测线残差扰动重力,解析延拓到重力等位面上,生成等位面上地面点、海洋及航空测线残差扰动重力点值文件。

(6)调用“加权基函数插值格网化”,迭代进行格网化、粗差探测、代表性误差分析,由离散残差扰动重力点值文件,生成等位面上残差扰动重力格网数字模型。

(7)调用“模型重力场元点值计算”,选择与流程(3)中相等的最大计算阶数,计算等位面上扰动重力模型值格网,与残差扰动重力格网相加,生成等位面上剩余扰动重力格网数字模型。

(8)恢复等位面扰动重力地形影响格网:计算等位面扰动重力地形影响格网,与剩余扰动重力格网相加,生成等位面扰动重力格网模型。

重力大地水准面及高程异常协同精化

 目的:基于多源重力场数据融合的等位面扰动重力格网数字模型,生成完全相容的区域重力场及大地水准面系列格网模型,以满足高程基准统一及精化、重力场及高程基准高精度应用服务的需要。

方法:Stoke框架中“地形影响+参考重力场”组合移去恢复法。

(1)移去扰动重力地形影响:从等位面扰动重力格网中,移去扰动重力的地形影响,生成等位面剩余扰动重力格网数字模型。

(2)移去格网扰动重力模型值:调用“模型重力场元点值计算”,选择最大计算阶数360(一般不高于720阶),从剩余扰动重力格网数字模型中,移去模型扰动重力,生成等位面残差扰动重力格网数字模型。

(3)调用“模型重力场元点值计算”,选择最大计算阶数720,计算模型大地水准面高格网,用于表示计算大地水准面的计算点位置。

(4)调用“广义Hotine数值积分”“广义V_M扰动重力积分”“场元Possion数值积分”,采用200km积分半径,残差大地水准面高、残差地面高程异常和残差地面扰动重力格网。

(5)恢复参考重力场模型值,生成剩余扰动重力场元及剩余大地水准面系列格网。

(6)采用与流程(1)性质相同的地形影响,相等的积分半径,调用相同的地形影响功能模块,计算并恢复重力场及大地水准面系列格网的地形影响,生成完全相容的区域重力场及大地水准面系列格网数字模型。

(7)调用“高程异常模型径向变化计算”“高程异常径向变化残差精化”,采用与步骤(1)~(6)相同的数据、相等的积分半径和相容的重力场算法,计算地面高程异常径向变化率格网数字模型。

坐标框架中大地水准面与水准网的统一

 目的:

(1)通过GNSS水准网,将重力大地水准面纳入GNSS定位所在的坐标参考框架中,以满足GNSS代替水准的基本测量条件。

(2)利用GNSS水准实测高程异常高精度短波优势,抑制重力大地水准面短波超短波误差,改善重力大地水准面的局部相对精度。

(3)利用重力大地水准面高精度中长波优势,控制长距离水准传递的误差累积,实现坐标框架中高程基准面、水准控制网成果的统一。

方法:利用GNSS水准残差高程异常,评估大地水准面精度水平,精化高程基准基准零点重力位,计算基准差异。进而以GNSS水准残差高程异常之间的空间关系满足Possion积分方程为约束目标,通过调节积分半径大小来控制空间尺度,分离GNSS水准残差高程异常中满足Possion积分方程的成分,实现GNSS水准与重力大地水准面的解析融合。

(1)由GNSS水准高程异常成果与重力地面高程异常成果,生成离散GNSS水准残差高程异常文件。

①利用地面高程异常径向变化率格网模型,将GNSS水准高程异常,由GNSS水准点归算到重力地面高程异常所在的地面大地高格网模型面上。

②内插GNSS水准点处重力地面高程异常,由归算后的GNSS水准高程异常,计算GNSS水准残差高程异常。

③统计GNSS水准残差高程异常,对GNSS水准残差高程异常配权(初始可用等权),生成离散GNSS水准残差高程异常文件。

(2)调用“地面高程异常成果精度评估”,由GNSS水准残差高程异常,估计并确定重力地面高程异常差误差、实用地面高程异常内部误差、实用地面高程异常差误差曲线与GNSS水准高程异常差误差曲线。

(3)利用“高程基准零点重力位参数计算”,计算区域高程基准与重力大地水准面重力位差W-U,将GNSS水准残差地面高程异常减去基准差异量(W-U )/γ,得到基准统一后的GNSS水准残差地面高程异常文件。

(4)利用“泊松方程约束GNSS水准融合”,计算残差地面高程异常格网,生成剩余GNSS水准残差点值文件。

①统计地面大地高数字模型,确定格网中心点及平均大地高,调用“5.9过指定点模型等位面构造”,确定过格网中心、大地高为平均大地高的等位面大地高格网。

②调用“泊松方程约束GNSS水准融合”,由GNSS水准残差高程异常和等位面大地高格网,计算残差地面高程异常格网,生成剩余GNSS水准残差量点值文件。

③重复调用“泊松方程约束GNSS水准融合”,将剩余GNSS水准残差作为GNSS水准残差高程异常,计算残差地面高程异常格网的迭代值,直到剩余残差量的标准差和平均值均无明显变化为止。

(5)由剩余GNSS水准残差点值文件,按3倍剩余残差标准差,探测并剔除GNSS水准粗差,分析剩余残差的空间分布性质。

(6)重复作业流程(2)~(5)1~2次(至多3次)后,将最后一次的残差地面高程异常格网迭代值相加,再与重力地面高程异常格网相加,并恢复高程基准差异量(W-U )/γ,生成坐标框架中地面高程异常格网模型。

(7)由剩余GNSS水准残差高程异常点值文件,调用“残差高程异常水准网拟稳平差”,改善水准网长距离高程传递质量。

①将GNSS水准点的正常高,与剩余GNSS水准残差高程异常相加,生成GNSS水准点正常高的新值。

②以全部GNSS水准点为拟稳基准,以流程(3)中最终的权值作为GNSS水准点正常高改正数(基准未知数)的权。

③以GNSS水准点为水准网起算点,全部水准点正常高改正数为未知数,并将其中部分改正数作为基准未知数,由水准网测段文件,构建全部测段的观测方程。

④按附有基准未知数条件的间接平差方法,重新对水准网进行拟稳平差。

⑤平差后,地面高程异常格网纳入GNSS定位所在的坐标参考框架中,并与水准网高程和大地水准面成果实现高度统一。

(8)综合地面高程异常成果精度评估、泊松方程约束的GNSS水准融合以及水准网拟稳平差结果,评价大地水准面、GNSS水准网与高程基准成果的质量和精度水平。