留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究

郭鑫伟 郭春喜 聂建亮 王海涛 田婕

郭鑫伟, 郭春喜, 聂建亮, 王海涛, 田婕. 一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
引用本文: 郭鑫伟, 郭春喜, 聂建亮, 王海涛, 田婕. 一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
GUO Xinwei, GUO Chunxi, NIE Jianliang, WANG Haitao, TIAN Jie. Vertical Movement Model in Chinese Mainland Based on First Order Leveling Results[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
Citation: GUO Xinwei, GUO Chunxi, NIE Jianliang, WANG Haitao, TIAN Jie. Vertical Movement Model in Chinese Mainland Based on First Order Leveling Results[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389

一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究

doi: 10.13203/j.whugis20190389
基金项目: 

国家自然科学基金 41774004

国家自然科学基金 41574003

国家自然科学基金 41904040

详细信息
    作者简介:

    郭鑫伟,硕士,工程师,主要研究方向为大地测量数据处理。xw_guo@126.com

  • 中图分类号: P227

Vertical Movement Model in Chinese Mainland Based on First Order Leveling Results

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41774004

The National Natural Science Foundation of China 41574003

The National Natural Science Foundation of China 41904040

More Information
    Author Bio:

    GUO Xinwei, master, engineer, specializes in geodetic data processing. E-mail: xw_guo@126.com

  • 摘要: 国家多期一等水准网成果是研究中国大陆地壳垂直运动的宝贵数据。综合利用国家三期一等水准网成果,分析中国近50年地壳垂直运动变化趋势。首先,确定水准重合点高程变化量,计算重合点变化速率;然后,基于拟合点和检核点残差分布评估常用插值方法的优劣性,确定最优建模方法;最后,构建基于水准成果的中国大陆垂直运动模型,分析各区域垂直运动趋势。结果表明,近50年来,华北平原、苏沪、汾渭盆地、新疆和海南表现为沉降运动,其中,华北平原、苏沪一带沉降剧烈,沉降速率达40.4±1.4 mm/a;西藏南部、东北地区、福建及陕北地区表现出隆升运动趋势,其中,西藏南部、东北东部隆升运动趋势较为剧烈,隆升速率达5.4±2.5 mm/a;华南等其他地区垂直运动趋势相对稳定。
  • 图  1  中国大陆水准重合点垂直运动速率图

    Figure  1.  Vertical Velocity of Leveling Coincidence Points in Chinese Mainland

    图  2  检核点、拟合点点位分布图

    Figure  2.  Distribution of Checking Points and Fitting Points

    图  3  拟合点残差

    Figure  3.  Residual of Fitting Points

    图  4  检核点残差

    Figure  4.  Residual of Checking Points

    图  5  中国大陆垂直运动模型

    Figure  5.  Vertical Movement Model of Chinese Mainland

    表  1  水准平差成果统计表

    Table  1.   Statistics for Adjustment Results of Leveling Data

    水准成果 全中误差/mm 最弱点中误差/mm 水准点中误差分布统计/%
    (0, 10] mm (10, 20] mm (20, 30] mm (30, 40] mm (40, 50] mm
    国家一期一等水准网 ±1.03 ±41.3 0.00 0.00 47.37 47.37 5.26
    国家二期一等水准网 ±1.06 ±48.7 1.16 1.16 5.82 58.72 33.14
    国家三期一等水准网 ±0.92 ±35.7 0.34 6.33 72.72 20.61 0.00
    下载: 导出CSV

    表  2  残差信息统计结果/(mm·a-1)

    Table  2.   Statistical Result of Residual/(mm·a-1)

    方法 拟合点残差绝对值 检核点残差绝对值
    最大值 最小值 中误差 最大值 最小值 中误差
    Hardy 7.5 0.0 0.6 8.0 0.0 0.9
    TriangL 5.9 0.0 0.4 5.6 0.0 0.7
    Kriging 3.4 0.0 0.3 5.3 0.0 0.7
    MinC 3.7 0.0 0.3 6.1 0.0 0.7
    InvD 4.4 0.0 0.4 9.9 0.0 0.8
    下载: 导出CSV
  • [1] 冯浩鉴, 顾旦生, 张莉, 等. 中国东部地区地壳垂直运动规律及其机制研究[J]. 测绘学报, 1998, 27(1): 16-23 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1998.01.003

    Feng Haojian, Gu Dansheng, Zhang Li, et al. The Research on the Earth Crust Vertical Movement Characteristic and Mechanism in Eastern China[J]. Acta Geodaetica et Cartographic Sinica, 1998, 27(1): 16-23 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1998.01.003
    [2] 陈超, 邹蓉, 刘任莉. 联合GPS和GRACE研究青藏高原南部地区垂直形变的季节性波动[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2018, 43(5): 669-675 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201805005.htm

    Chen Chao, Zou Rong, Liu Renli. Vertical Deformation of Seasonal Hydrological Loading in Southern Tibet Detected by Joint Analysis of GPS and GRACE[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(5): 669-675 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201805005.htm
    [3] Teferle F N, Bingley R M, Williams S D, et al. Using Continuous GPS and Absolute Gravity to Separate Vertical Land Movements and Changes in Sea-Level at Tide-Gauges in the UK[J]. Philosophical Transactions Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences, 2006, 364(1841): 917-930
    [4] 张永红, 吴宏安, 康永辉. 京津冀地区1992—2014年三阶段地面沉降InSAR监测[J]. 测绘学报, 2016, 45(9): 1050-1058 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201609008.htm

    Zhang Yonghong, Wu Hong ' an, Kang Yonghui. Ground Subsidence over Beijing-Tianjin-Hebei Region During Three Periods of 1992 to 2014 Monitored by Interferometric SAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2016, 45(9): 1050-1058 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201609008.htm
    [5] 国家地震局《中国岩石圈动力学地图集》编委会. 中国岩石圈动力学地图集[M]. 北京: 中国地图出版社, 1989

    Editorial Committee of Chinese Lithosphere Dynamic Atlas of National Earthquake Administration. Chinese Lithosphere Dynamic Atlas[M]. Beijing: China Cartographic Publishing House, 1989
    [6] 赖锡安, 黄立人, 徐菊生, 等. 中国大陆现今地壳运动[M]. 北京: 地震出版社, 2004

    Lai Xi'an, Huang Liren, Xu Jusheng, et al. PresentDay Crustal Movement in China Constrained[M]. Beijing: Seismological Press, 2004
    [7] 董鸿闻, 顾旦生, 李国智, 等. 中国大陆现今地壳垂直运动研究[M]. 西安: 西安地图出版社, 2002

    Dong Hongwen, Gu Dansheng, Li Guozhi, et al. Research on Vertical Recent Crustal Movement of the Mainland of China[M]. Xi'an: Xi'an Cartographic Publishing House, 2002
    [8] 黄立人, 陶本藻, 赵承坤. 多面函数拟合在地壳垂直运动研究中的应用[J]. 测绘学报, 1993, 22(1): 25-32 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1993.01.004

    Huang Liren, Tao Benzao, Zhao Chengkun. The Application of Fitting Method of Multiquadric Funotions Inresearch on Crustal Vertigal Movement[J]. Acta Geodaetica et Cartographic Sinica, 1993, 22(1): 25-32 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1993.01.004
    [9] 崔笃信, 刘文义. 经验正交函数分解在地壳垂直形变场分析中的应用[J]. 地震, 2000, 20(3): 82-86 doi:  10.3969/j.issn.1000-3274.2000.03.013

    Cui Duxin, Liu Wenyi. Application of Empirical Orthogonal Function Resolution to Analysis of Crustal Vertical Deformation Field[J]. Earthquake, 2000, 20(3): 82-86 doi:  10.3969/j.issn.1000-3274.2000.03.013
    [10] 张勤, 范一中, 赵超英. 基于通量均衡基准的地壳垂直形变场分析模型[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2004, 29(3): 231-234 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH200403011.htm

    Zhang Qin, Fan Yizhong, Zhao Chaoying. Analysis Model of Crustal Vertical Movement Based on the Flux Isostasy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004, 29(3): 231-234 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH200403011.htm
    [11] 黄立人. 由复测精密水准用富氏分析法提取地壳垂直运动信息可能性的探讨[J]. 测绘学报, 1990, 19(4): 257-266 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1990.04.003

    Huang Liren. Research on the Possibility of Extracting Information About the Crustal Vertical Movements from Precise Relevelings by Fourier-Analysis Method[J]. Acta Geodaetica et Cartographic Sinica, 1990, 19(4): 257-266 doi:  10.3321/j.issn:1001-1595.1990.04.003
    [12] 刘经南, 姚宜斌, 施闯, 等. 中国大陆现今垂直形变特征的初步探讨[J]. 大地测量与地球动力学, 2002, 22(3): 1-5 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKXB200203000.htm

    Liu Jingnan, Yao Yibin, Shi Chuang, et al. Preliminary Research on Characteristic of Present-Day Vertical Deformation of China Mainland[J]. Crustal Deformation and Earthquake, 2002, 22(3): 1-5 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKXB200203000.htm
    [13] Kamil K, Jacek R, Marek M. Analysis of Vertical Movement Modeling through Various Interpolation Techniques[J]. Research Gate, 2010, 7(4): 399-408
    [14] 王文利, 郭春喜, 丁黎, 等. 全国一等水准点高程近20年变化分析[J]. 测绘学报, 2019, 48(1): 1-8 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201901002.htm

    Wang Wenli, Guo Chunxi, Ding Li, et al. Elevation Change Analysis of the National First Order Leveling Points in Recent 20 Years[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(1): 1-8 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201901002.htm
    [15] 刘经南, 姚宜斌, 施闯. 中国地壳运动整体速度场模型的建立方法研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2002, 27(4): 331-336 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH200204000.htm

    Liu Jingnan, Yao Yibin, Shi Chuang. Method for Establishing the Speed Field Model of Crustal Movement in China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2002, 27(4): 331-336 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH200204000.htm
    [16] 曾安敏, 秦显平, 刘光明, 等. 中国大陆水平运动速度场的多面函数模型[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2013, 38(4): 394-398 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201304004.htm

    Zeng Anmin, Qin Xianping, Liu Guangming, et al. Hardy Multi-Quadric Fitting Model of Chinese Mainland Horizontal Crustal Movement[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2013, 38(4): 394-398 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201304004.htm
    [17] 刘晓霞, 江在森, 武艳强. Kriging方法在GPS速度场网格化和应变率场计算中的适用性[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2014, 39(4): 457-461

    Liu Xiaoxia, Jiang Zaisen, Wu Yanqiang. The Applicability of Kriging Interpolation Method in GPS Velocity Gridding and Strain Calculating[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(4): 457-461
    [18] 樊子德, 李佳霖, 邓敏. 顾及多因素影响的自适应反距离加权插值方法[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41(6): 842-847 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201606020.htm

    Fan Zide, Li Jialin, Deng Min. An Adaptive InverseDistance Weighting Spatial Interpolation Method with the Consideration of Multiple Factors[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6): 842-847 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCH201606020.htm
    [19] 王万银, 邱之云. 一种稳定的位场数据最小曲率网格化方法研究[J]. 地球物理学进展, 2011, 26(6): 2003-2010 doi:  10.3969/j.issn.1004-2903.2011.06.014

    Wang Wanyin, Qiu Zhiyun. The Research to a Stable Minimum Curvature Gridding Method in Potential Data Processing[J]. Progress in Geophysics, 2011, 26(6): 2003-2010 doi:  10.3969/j.issn.1004-2903.2011.06.014
    [20] Tsai V J D. Delaunay Triangulations in TIN Creation: An Overview and a Linear-Time Algorithm [J]. International Journal of Geographical Information Systems, 1993, 7(6): 501-524 doi:  10.1080/02693799308901979
  • [1] 徐丙立, 荆涛, 林珲, 杜君, 朱刚.  利用CryEngine构建虚拟地理环境 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(1): 28-34. doi: 10.13203/j.whugis20140768
    [2] 郭东美, 鲍李峰, 许厚泽.  中国大陆厘米级大地水准面的地形影响分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(3): 342-348. doi: 10.13203/j.whugis20130494
    [3] 董文亮, 孙付平, 朱新慧, 刘帅.  统一全球地壳垂直运动参考基准的方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2014, 39(3): 358-361. doi: 10.13203/j.whugis20120627
    [4] 曾安敏, 秦显平, 刘光明, 唐颖哲.  中国大陆水平运动速度场的多面函数模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(4): 394-398.
    [5] 唐丽玉, 陈崇成, 林定.  利用HLA的分布式虚拟森林环境构建 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(3): 353-355.
    [6] 陈家赢, 陈能成, 王伟, 胡楚丽.  基于SensorML的遥感卫星传感器建模方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(8): 971-974.
    [7] 祝意青, 梁伟锋, 李辉, 孙和平.  中国大陆重力场变化及其引起的地球动力学特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2007, 32(3): 246-250.
    [8] 汪云甲, 伏永明.  矿井巷道三维自动建模方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(12): 1097-1100.
    [9] 张正禄, 邓勇, 罗长林, 胡绪清.  精密三角高程代替一等水准测量的研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(1): 5-8.
    [10] 焦文海, 魏子卿, 郭海荣, 符养.  联合GPS基准站和验潮站数据确定海平面绝对变化 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(10): 901-904.
    [11] 程朋根, 龚健雅, 史文中, 刘少华.  基于似三棱柱体的地质体三维建模与应用研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(7): 602-307.
    [12] 张勤, 范一中, 赵超英.  基于通量均衡基准的地壳垂直形变场分析模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(3): 231-234.
    [13] 陈军, 赵仁亮, 乔朝飞.  基于Voronoi图的GIS空间分析研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(S1): 32-37.
    [14] 姚宜斌, 刘经南, 施闯, 陶本藻.  ITRF97参考框架下的中国大陆区域地壳板块运动背景场的建立及应用 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(4): 363-366.
    [15] 王泽民, 伍岳, 刘经南, 崔天鹏.  利用GPS资料采用非连续变形分析模型确定中国大陆地壳运动速度场 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(3): 241-245.
    [16] 刘经南, 施闯, 许才军, 姜卫平.  利用局域复测GPS网研究中国大陆块体现今地壳运动速度场 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2001, 26(3): 189-195.
    [17] 刘良明, 李德仁.  基于辅助数据的遥感干旱分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1999, 24(4): 300-305.
    [18] 陶本藻, 杜方.  多面函数法研究鲜水河地区现今地壳垂直运动 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1991, 16(3): 12-21.
    [19] 郭春喜, 郭鑫伟, 聂建亮, 王斌, 刘晓云, 王海涛.  利用GNSS水准成果融合构建中国大陆垂直运动模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20200167
    [20] 郭鑫伟, 郭春喜, 聂建亮, 王海涛, 田婕.  一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0.
  • 加载中
图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  177
  • HTML全文浏览量:  55
  • PDF下载量:  33
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-20
  • 刊出日期:  2022-03-05

一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究

doi: 10.13203/j.whugis20190389
    基金项目:

    国家自然科学基金 41774004

    国家自然科学基金 41574003

    国家自然科学基金 41904040

    作者简介:

    郭鑫伟,硕士,工程师,主要研究方向为大地测量数据处理。xw_guo@126.com

  • 中图分类号: P227

摘要: 国家多期一等水准网成果是研究中国大陆地壳垂直运动的宝贵数据。综合利用国家三期一等水准网成果,分析中国近50年地壳垂直运动变化趋势。首先,确定水准重合点高程变化量,计算重合点变化速率;然后,基于拟合点和检核点残差分布评估常用插值方法的优劣性,确定最优建模方法;最后,构建基于水准成果的中国大陆垂直运动模型,分析各区域垂直运动趋势。结果表明,近50年来,华北平原、苏沪、汾渭盆地、新疆和海南表现为沉降运动,其中,华北平原、苏沪一带沉降剧烈,沉降速率达40.4±1.4 mm/a;西藏南部、东北地区、福建及陕北地区表现出隆升运动趋势,其中,西藏南部、东北东部隆升运动趋势较为剧烈,隆升速率达5.4±2.5 mm/a;华南等其他地区垂直运动趋势相对稳定。

English Abstract

郭鑫伟, 郭春喜, 聂建亮, 王海涛, 田婕. 一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
引用本文: 郭鑫伟, 郭春喜, 聂建亮, 王海涛, 田婕. 一等水准成果构建的中国大陆垂直运动模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
GUO Xinwei, GUO Chunxi, NIE Jianliang, WANG Haitao, TIAN Jie. Vertical Movement Model in Chinese Mainland Based on First Order Leveling Results[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
Citation: GUO Xinwei, GUO Chunxi, NIE Jianliang, WANG Haitao, TIAN Jie. Vertical Movement Model in Chinese Mainland Based on First Order Leveling Results[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(3): 361-368. doi: 10.13203/j.whugis20190389
  • 高精度地壳垂直运动信息是国家高程基准维护、灾害防治和地球科学研究中不可或缺的基础数据,对推动国民经济建设和社会可持续发展具有重要意义。目前,定量获取地壳垂直运动的主要方式为水准、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和合成孔径干涉雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术[1-4]。相较于水准成果,GNSS、InSAR积累的成果时间跨度较短,因此,对于中国大陆长期地壳垂直运动的研究,仍以水准成果资料为主。利用20世纪50年代至80年代的一、二等水准成果,中国地震局绘制了中国第一张地壳垂直运动速率图,宏观描述了中国地壳垂直运动的整体情况,但是,受观测条件和技术限制,绘图采用的水准重合点较为稀少[5]。随后,中国地震局利用1951—1990年的一、二等水准资料,编制了地壳垂直运动速率图和梯度图,相较于第一张垂直运动速率图采用的数据丰富,但遗漏了部分可用资料[6]。之后,国家测绘局利用1951—1999年三期一、二等水准资料,编制了中国大陆垂直运动速率图,细化了中国地壳垂直运动特征,初步建立了中国高精度地壳垂直运动模型[7]。2012年6月,中国启动国家现代基准体系基础建设一期工程,建设了中国现代高程控制网,全面更新了中国一等水准网,为中国地壳垂直运动模型的更新提供了重要的基础数据。

    利用垂直形变资料,学者们研究了地壳垂直运动模型建立的理论和方法。文献[8]深入研究了多面函数在地壳垂直运动中的应用,分析了核函数、平滑因子、节点的选择方法[8];文献[9]将经验正交函数分解方法引入地壳垂直运动模型;文献[10]基于全球通量均衡假设建立地壳垂直运动的动力学模型;此外,谱分析方法[11]、Delaunay三角网插值法[12]在垂直运动建模中亦有应用。垂直运动建模方法多样,但是不同的空间尺度和速率差异均影响模型的精度。文献[13]利用波兰多期水准数据,分析了多种建模方法对地壳垂直运动的影响,建议采用最近邻域法构建垂直运动模型,但其采用的数据分布范围较小,且垂直运动速率差异不明显,不适用于中国大陆,因此有必要分析确定适合中国大陆的垂直运动模型构建方法。本文利用中国20世纪70年代至今共三期全国范围的高精度水准测量成果,研究地壳垂直运动建模的最佳方法,构建中国大陆最新地壳垂直运动模型,并进行垂直运动分析。

    • 自20世纪70年代以来,中国先后完成3次全国范围的高精度水准测量,分别是1976—1984年建设的国家第二期一等水准网、1991—1999年建设的国家第二期一等水准复测网和2012—2015年建设的中国现代高程控制网。

      国家第二期一等水准网是中国第一个按照统一规划和技术标准布设的全国规模的精密水准网,全网共布设289条路线,总长度约为93 000 km,构成100个闭合环,形成路线结点186个,高程基准采用1985国家高程基准。经平差处理,国家第二期一等水准网100个闭合环的每千米水准测量全中误差为±1.03 mm[7]

      国家第二期一等水准复测网共复测248条一等水准路线,总长度约8.5万km,构成77个闭合环,形成172个结点,高程基准采用1985国家高程基准。经平差处理,国家第二期一等水准复测网每千米水准测量全中误差为±1.06 mm[714]

      中国现代高程控制网是中国目前精度最高、现势性最强的1985国家高程基准成果。该网在全国均匀布测一等水准路线431条,总长度约为126 000 km,水准点26 694个,构成水准闭合环148个,并且在每个水准点上实施了加密重力测量。经平差处理,中国现代高程控制网首次实现了全网每千米水准测量全中误差±0.92 mm、全网148个水准环闭合差全部合限的精度指标,全面更新了中国一等水准网[14]

      为方便描述,将上述3期水准成果依照时间顺序分别定义为国家一期一等水准网、国家二期一等水准网及国家三期一等水准网。

    • 多期水准网重合点速率计算常采用的计算方法为静态平差和动态平差。静态平差即固定参考基准,对每一期水准网单独平差,基于观测时间跨度计算水准重合点速率;动态平差即考虑基准速率,联合多期水准网平差直接获取水准点速率。静态平差常应用于一期水准网观测时间跨度较短,各期间隔较长的情况;动态平差常应用于一期水准网观测时间跨度较长、各期间隔较短的情况[1]。本文采用静态平差计算水准点速率。

      在平差过程中,各期水准网均以青岛水准原点为起算点,高程采用72.260 4 m。由于国家一等水准路线较长,每条水准路线的测段较多,为保证线路的整体性,以各条路线中施加过各项改正(如标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正等)的观测高差累积量作为观测值,以路线结点作为参数建立误差方程,计算结点高程与中误差,平差过程中利用各水准路线测站数定权。结点平差模型为:

      V=BX-L ]]>

      式中,V=VhijB=-1i1jX=δHiδHjL=Hi0-Hj0+hij。其中,hij为结点i至结点j的高差观测值;Hi0δHi为结点i的正常高近似值及其改正数;Hj0δHj为结点j的正常高近似值及其改正数。确定观测量权值P的计算公式为:

      P=CN ]]>

      式中,C为常数;N为一条水准路线测站总数。

      结点平差完成后,将每条路线的测段观测量按附合路线处理,中间点高程H的计算公式为:

      H=X+h+P×V ]]>

      式中,X为结点平差后该路线起点的高程;V为该路线的改正数;h为中间点距离起点的累计高差;P为中间点的权,根据测段中测站数确定。三期水准网平差情况见表 1

      表 1  水准平差成果统计表

      Table 1.  Statistics for Adjustment Results of Leveling Data

      水准成果 全中误差/mm 最弱点中误差/mm 水准点中误差分布统计/%
      (0, 10] mm (10, 20] mm (20, 30] mm (30, 40] mm (40, 50] mm
      国家一期一等水准网 ±1.03 ±41.3 0.00 0.00 47.37 47.37 5.26
      国家二期一等水准网 ±1.06 ±48.7 1.16 1.16 5.82 58.72 33.14
      国家三期一等水准网 ±0.92 ±35.7 0.34 6.33 72.72 20.61 0.00

      从水准点中误差分布来看,国家一期一等水准网和国家三期一等数准网的水准点精度略高,其中误差集中分布于20~40 mm。

      确定多期水准重合点是计算垂直运动速率的前提,本文综合利用点之记、手簿上注记利用旧点情况、内外业提供的重合点对照表、新旧点名对照表,再结合水准点坐标差、高程差、高程速率综合确定水准重合点。步骤为:(1)以水准点点位差异不超过500 m以及正常高差异不超过0.4 m(沉降区正常高差异不超过1 m)为搜索条件进行检索;(2)以水准点点名相同及点位差异不超过300 m为依据,确定初始重合点;(3)计算初始重合点的正常高年变化速率,通过比较该点与邻近水准点速率的一致性,剔除粗差点;(4)剔除基岩水准点和基本水准点附近的普通水准点。通过分析三期成果资料,确定了一、二期重合点9 285个,二、三期重合点6 239个,一、三期重合点5 985个。根据重合点观测时间跨度,优先选择一、三期重合点速率,在一、三期速率空白区适当增补一、二期速率或二、三期速率,最终确定6 038个水准重合点。水准重合点速率的计算公式为:

      v=ΔhΔt ]]>

      式中,v为水准点速率;Δh为水准点高差;Δt为水准点时间跨度。如图 1所示为6 038个水准重合点垂直运动速率图。

      图  1  中国大陆水准重合点垂直运动速率图

      Figure 1.  Vertical Velocity of Leveling Coincidence Points in Chinese Mainland

      图 1可知,自20世纪70年代以来,中国西藏南部、东北等地区表现为隆升运动,华北、苏沪、新疆等地表现为沉降运动,华南等地区垂直运动趋势较为稳定。

    • 为进一步描述中国大陆最新垂直运动情况,利用水准重合点垂直运动速率建立垂直运动模型。根据水准重合点分布情况,均匀空出1 200个点作为检核点,剩余4 838个点作为拟合点,检核点、拟合点点位分布如图 2所示。利用5种建模方法[15-20]进行对比分析:(1)多面函数(Hardy);(2)线性插值三角网法(triangulation with linear interpolation,TriangL);(3)克里金插值法(Kri-ging);(4)最小曲率插值法(minimum curvature,MinC);(5)反距离加权法(inverse distance weighted method,InvD)。

      图  2  检核点、拟合点点位分布图

      Figure 2.  Distribution of Checking Points and Fitting Points

      利用4 838个拟合点,分别基于上述5种方法将水准重合点垂直运动速率格网化,构建垂直运动模型,利用1 200个检核点的垂直运动速率与垂直运动模型双线性内插的速率的差值绝对值进行精度统计,结果见表 2,拟合点残差和检核点残差分布见图 3图 4

      表 2  残差信息统计结果/(mm·a-1)

      Table 2.  Statistical Result of Residual/(mm·a-1)

      方法 拟合点残差绝对值 检核点残差绝对值
      最大值 最小值 中误差 最大值 最小值 中误差
      Hardy 7.5 0.0 0.6 8.0 0.0 0.9
      TriangL 5.9 0.0 0.4 5.6 0.0 0.7
      Kriging 3.4 0.0 0.3 5.3 0.0 0.7
      MinC 3.7 0.0 0.3 6.1 0.0 0.7
      InvD 4.4 0.0 0.4 9.9 0.0 0.8

      图  3  拟合点残差

      Figure 3.  Residual of Fitting Points

      图  4  检核点残差

      Figure 4.  Residual of Checking Points

      结合上述结果分析可知:

      1)从总体上看,各类建模方法精度相差不大,拟合精度为0.3~0.6 mm/a,检核精度为0.7~0.9 mm/a,残差分布合理。

      2)从检核和拟合精度看,Hardy函数略低于其他建模方法,但其检核残差与拟合残差的精度、最值之间差异较小,模型较为稳定;InvD对应的检核、拟合精度略高,但检核残差的最值偏大,存在突变点。

      3)TriangL精度较好,但这种方法插值有效范围是由最外围水准重合点构成的包含所有点的最小凸多边形,建模后中国大陆边界附近存在空白区。

      4)Kriging和MinC拟合精度均为0.3 mm/a,检核精度均为0.7 mm/a,说明二者建模精度相当,但从残差最值来看,Kriging略优。综上,本文选用Kriging构建垂直运动模型。

    • 利用中国大陆6 038个水准垂直运动速率,采用Kriging建立分辨率为5'×5'的中国大陆垂直运动格网模型,其中,Kriging变异函数采用的球状模型公式为:

      γ(h)=c3h2a-12ha3,0<hac,h>a ]]>

      式中,γ(h)表示距离h处的变差函数值;h为滞后距;c为基台值,取0.502;a为变程,取0.773°。中国大陆垂直运动趋势如图 5所示。

      图  5  中国大陆垂直运动模型

      Figure 5.  Vertical Movement Model of Chinese Mainland

      图 5可以得出中国大陆近50年垂直运动情况:

      1)从整体上看,中国大陆垂直运动平稳,升降有序。其中,华北平原、苏沪地区、汾渭盆地、新疆和海南表现为沉降运动;西藏南部、东北、福建及陕北地区表现出隆升运动;华南等其他地区相对稳定。

      2)华北平原、苏沪地区、汾渭盆地一带沉降较为剧烈。华北平原表现出剧烈的沉降运动,沉降中心主要位于京津地区、鲁西北、鲁西南及河北东南部,最大沉降速率达40.4±1.4 mm/a;苏沪沿海地区沉降显著,沉降中心分别位于江苏射阳、江苏宜兴以及上海南部,最大沉降速率为19.8±1.5 mm/a,且由沿海一带向内陆沉降速率逐渐降低;汾渭盆地沉降中心沿山西太原、山西运城、陕西西安呈带状分布,最大沉降速率达10.4±1.7 mm/a。值得注意的是,地处汾河盆地中南部的介休市打断了汾渭盆地一贯的沉降趋势,并微弱隆升,该隆升趋势向西北方向延伸,经过山西吕梁,与陕北隆升区相连。

      3)西藏南部、东北地区隆升较为剧烈。青藏高原表现出隆升运动趋势,最大速率达5.4±2.5 mm/a,青藏高原南部地区隆升运动主要是印度洋板块持续向北俯冲,与欧亚板块发生挤压作用所致,随着向北推移,印度洋向北的俯冲力逐渐减弱,因此,垂直运动速率自南向北逐渐降低;东北地区是中国最大的连续隆升区域,地跨内蒙古东部、黑龙江、吉林和辽宁,该地区隆升速率呈阶梯状分布,自西南向东北速率逐渐增大,最大速率达4.3±1.9 mm/a;福建地区整体呈现一定的隆升趋势,隆升中心位于福建三明市,最大隆升速率为3.4±2.0 mm/a。

      4)新疆地区整体为沉降趋势,个别区域最大沉降速率达14.5±2.3 mm/a,平均沉降速率为2.5±2.0 mm/a,沉降速率由西北向东南方向逐渐降低;海南整体沉降,平均沉降速率为4.4±1.9 mm/a;华南、西南、甘青地带垂直运动趋势相对稳定。

    • 水准测量是定量研究地壳垂直运动最重要的方法之一。利用3期国家一等水准成果,建立了中国大陆近50年垂直运动模型,并进行了垂直运动分析。结果表明:近50年来,东北地区整体上呈现隆升趋势;华北平原地区整体呈现下沉趋势;华南地区垂直运动整体比较稳定,福建存在一定的隆升运动趋势;西北地区垂直运动稳中有降,沉降地区主要位于新疆;西藏地区垂直运动整体上呈隆升趋势,除此之外,其他地区垂直运动趋势较为稳定。由于水准点一般沿主干道布设成闭合环线,点位分布不均匀,因此,仅利用水准成果构建的垂直运动模型在水准环内部表达不够精细。GNSS点位分布均匀、InSAR空间分辨率高,因此未来拟综合水准、GNSS、InSAR数据,构建中国大陆垂直运动模型。

参考文献 (20)

目录

    /

    返回文章
    返回