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

陕西地区垂直形变分析

杨宏山 聂建亮

杨宏山, 聂建亮. 陕西地区垂直形变分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
引用本文: 杨宏山, 聂建亮. 陕西地区垂直形变分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
YANG Hongshan, NIE Jianliang. Analysis of Vertical Deformation in Shaanxi Area, China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
Citation: YANG Hongshan, NIE Jianliang. Analysis of Vertical Deformation in Shaanxi Area, China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149

陕西地区垂直形变分析

doi: 10.13203/j.whugis20200149
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

陕西测绘地理信息局科技创新项目 2020-4

详细信息
    作者简介:

    杨宏山,硕士,高级工程师,主要从事测绘地理信息管理与服务。johnshx@sina.com

    通讯作者: 聂建亮,博士,高级工程师。niejianliang@163.com
  • 中图分类号: P228;P351

Analysis of Vertical Deformation in Shaanxi Area, China

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

the Technological Innovation of Shaanxi Bureau of Surveying, Mapping and Geoinformation 2020-4

More Information
    Author Bio:

    YANG Hongshan, master, senior engineer, specializes in mapping geographic information management and services. E-mail: johnshx@sina.com

    Corresponding author: NIE Jianliang, PhD, senior engineer. E-mail: niejianliang@163.com
图(6)
计量
  • 文章访问数:  206
  • HTML全文浏览量:  105
  • PDF下载量:  60
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-08
  • 刊出日期:  2022-11-05

陕西地区垂直形变分析

doi: 10.13203/j.whugis20200149
    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

    陕西测绘地理信息局科技创新项目 2020-4

    作者简介:

    杨宏山,硕士,高级工程师,主要从事测绘地理信息管理与服务。johnshx@sina.com

    通讯作者: 聂建亮,博士,高级工程师。niejianliang@163.com
  • 中图分类号: P228;P351

摘要: 利用中国陕西地区三期国家一等水准网的平差成果、两期二等水准网成果、两期陕西省高程控制网成果、两期全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)大地控制网成果、陆态网络等工程连续运行基准站及流动站成果、地理国情监测成果,分析陕西地区最新垂直运动趋势。结果表明:GNSS垂直运动与水准垂直运动趋势整体一致;20世纪70年代至2018年,关中平原垂直运动呈下降趋势,关中平原周边山区及高原垂直运动呈上升趋势;陕北地区地壳垂直运动总体上呈现上升趋势,平均上升速度约为4 mm/a;关中平原总体呈下降趋势,下降最大速度为6 mm/a;陕南地区也呈上升趋势,平均上升速度约为3 mm/a;陕北、西安局部区域的不均匀地面沉降灾害严重。

English Abstract

杨宏山, 聂建亮. 陕西地区垂直形变分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
引用本文: 杨宏山, 聂建亮. 陕西地区垂直形变分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
YANG Hongshan, NIE Jianliang. Analysis of Vertical Deformation in Shaanxi Area, China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
Citation: YANG Hongshan, NIE Jianliang. Analysis of Vertical Deformation in Shaanxi Area, China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1854-1859. doi: 10.13203/j.whugis20200149
  • 大地测量技术是定量研究垂直形变的重要方法。精密水准、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)等测量技术在垂直形变监测中发挥着不可替代的作用。精密水准测量由于其精度高、历史悠久,已成为研究垂直形变分析的主要观测手段。文献[1-2]利用多期水准数据研究了中国大陆地壳垂直运动特征,划分了中国大陆活动地块,分析中国大陆中轴构造带及其两侧的垂直运动;文献[3]利用多期国家一等水准数据分析了中国大陆50 a地壳垂直运动趋势;文献[4]研究发现区域性地壳运动不都是长期缓变,也存在短期快速变化。随着GNSS技术的不断进步,GNSS也被广泛应用于形变监测领域。文献[5-6]利用中国地壳运动观测网络工程全球定位系统(global positioning system,GPS)数据,分析了西北至华南的明显沉降带,得到了全国地壳垂直运动东强西弱、北升南降的整体趋势。为了精确描绘陕西地区的垂直运动趋势,文献[7-11]利用多期水准数据获取了关中、陕南、陕北地区1970—2014年不同时段的垂直形变信息,分析了构造运动与形变特征。2017—2018年,陕西测绘地理信息局组织实施了陕西北斗卫星导航定位基准站系统建设项目,优化了GNSS大地控制网、二等水准网、重力控制网等基础控制网,建立了陕西省区域现代测绘基准体系,这些最新采集的观测数据是研究陕西省区域垂直形变分析的宝贵资源。

    为了整体分析中国陕西地区40多年的垂直运动情况,本文利用三期国家一等水准网成果、两期陕西省高程控制网成果和GNSS大地控制网观测数据、陆态网络等GPS观测数据、地理国情的合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)监测成果,分析了1970—2018年陕西地区垂直运动趋势,为开展陕西省区域高程基准维护、地面沉降灾害防治、地球动力学研究等提供基础数据。

    • 精密水准测量是垂直运动监测的经典技术手段,水准数据是垂直形变分析的重要数据资料。为了得到可靠的地壳垂直运动背景速度场,一般需要至少10 a以上的水准观测数据[12-13]。为了分析陕西地区40多年的垂直形变趋势,采用三期国家一等水准网成果[14]和两期陕西省高程控制网成果,分析不同时间段的陕西垂直运动趋势。水准重合点的垂直运动速度通常采用动态平差方法[14]和两期成果作差等方法获得。水准网动态平差方法以高差观测值为观测量,采用最小二乘等方法获得水准点的高程与速度。这种方法中水准高差观测值合并、分析的工作量非常大,目前较难实现自动化数据处理。因此,本文采用两期成果作差计算速度,即:

      $$ {v}_{i}=\frac{{h}_{i}^{2}-{h}_{i}^{1}}{{t}_{i}^{2}-{t}_{i}^{1}} $$ (1)

      式中,$ {h}_{i}^{1} $、$ {t}_{i}^{1} $分别为第$ i $点的第1期高程值、观测时间;$ {h}_{i}^{2} $、$ {t}_{i}^{2} $分别为第$ i $点的第2期高程值、观测时间。

      利用陕西境内20世纪70年代、90年代和2012—2015年国家三期一等水准网成果分析陕西垂直运动趋势,三期成果都采用青岛水准原点为基准点,利用间接平差模型获取水准点高程值。通过点之记、坐标等资料比对分析,确定国家二期一等水准网与国家新一期一等水准网的重合点200个。利用陕西地区国家一等水准网两期成果获取200个水准重合点的速度,如图 1所示。

      图  1  一等水准点垂直运动速度图(1970—2015年)

      Figure 1.  Vertical Crustal Velocity of the First Level Points (1970—2015)

      20世纪70年代至2015年的垂直运动结果表明:陕北呈现上升趋势,上升速度约3 mm/a;关中地区呈下降趋势,最大下降速度约5 mm/a;陕西西部山区上升幅度较小,陕南地区下降速度也较小,这些小幅度的上升和下降可能与两期成果的误差处理、起算基准等因素相关。

      另外,利用国家二期一等水准复测网成果和国家新一期一等水准网成果、两期陕西省高程控制网成果,获取了1999—2018年陕西省水准垂直运动速度。其中陕西省2005年高程控制网是采用稳定一等水准点的国家二期一等水准复测成果作为基准进行平差,2018年陕西省高程控制网平差计算采用稳定一等水准点的国家新一期一等水准网成果作为基准进行平差计算。利用两期一等水准网和两期二等水准网成果,确定水准重合点607个,其中,一等水准点有252个,二等水准点有355个。利用这些重合点绘制陕西省1999—2018年水准垂直运动趋势图,如图 2所示。

      图  2  一、二等水准点垂直运动速度图(1999—2018年)

      Figure 2.  Vertical Crustal Velocity of the First level Points and the Second Level Points (1999—2018)

      1999—2018年水准垂直运动结果表明:陕西地区垂直运动是继承性趋势,关中平原呈下降趋势,最大沉降速度达到5 mm/a;陕北黄土高原呈上升趋势,平均上升速度为6 mm/a;陕南地区也呈上升趋势,平均上升速度为3 mm/a;与图 1相比,图 2增加了二等水准测量成果,大大改善了控制点密度,提高了垂直运动信息的可靠性;但由于采用不同的起算基准点和误差改正模型,图 1图 2表现的垂直运动速度在数值上有一定差异。

    • 陕西省区域测绘基准建设和陆态网络等重大工程在陕西省区域布设了GNSS连续运行基准站、大地控制网,并积累了跨度超过10 a的多期观测数据。陕西省GNSS大地控制网分别于2005年、2018年进行了观测,重合点197个;陆态网络等从1999年开始每两年进行一次观测,其中利用了陕西省区域内的6个GNSS连续运行基准站、49个流动站点(见图 3);这些站点的多年观测数据成为研究陕西地区地壳垂直运动的重要基础。

      图  3  GNSS点分布图

      Figure 3.  Distribution of GNSS Points

      利用陕西省GNSS大地控制网和陆态网络连续、多期观测数据,采用GAMIT/GLOBK软件获得流动站坐标单天解,分析陕西地区垂直运动趋势,分两步进行GNSS数据处理[15]:(1)采用GAMIT进行各子网的基线解算;(2)采用GLOBK平差,获取ITRF2014框架下的坐标单日解及速度。

      假定测站坐标随时间呈线性变化,忽略坐标误差之间的相关性,则坐标时间序列可采用一元线性回归获取测站相对于参考历元的坐标和速度。设某站共有$ n $个单日坐标解,第$ i $历元为$ {t}_{i} $,坐标垂直分量的值为$ {y}_{i} $,则线性回归分析方程为:

      $$ {y}_{i}=a({t}_{i}-{t}_{0})+b $$ (2)

      式中,$ {t}_{0} $为参考历元;$ a $、$ b $为回归系数。

      综合利用陕西省GNSS大地控制网197个控制点和陆态网络在陕西地区的6个连续运行基准站、49个流动站的观测数据,获取了陕西地区的GNSS地壳垂直运动速度,如图 4所示。

      图  4  GNSS点垂直运动速度图

      Figure 4.  Vertical Crustal Velocity of GNSS Points

      解算了连续或多期GNSS观测数据,获得了陕西地区垂直运动趋势。陕北地区GNSS垂直运动总体呈上升趋势,最大上升速度约4 mm/a;关中平原地区GNSS垂直运动呈下降趋势,最大沉降速度约6 mm/a;陕南秦岭山区GNSS垂直运动总体呈上升趋势,平均上升速度约3 mm/a。对比GNSS垂直运动与水准垂直运动结果,两种垂直运动总体趋势的一致性较好,由于数据采集手段、数据处理模型等因素不同,两种垂直运动在数值上存在一定的差异。

    • 综合利用GNSS水准测量数据成为研究垂直形变分析的重要方向。水准测量能够获取高精度垂直运动信息,但其存在环线包围空白区、测量周期长、经济成本高等不足,而GNSS控制点能够填补水准环空白,提供连续可靠的垂直运动信息。国家二期一等水准网观测时间较早,无GNSS观测数据与其相匹配,本文采用1999年以来607个水准点、252个GNSS控制点成果(见图 5)。忽略大地高变化与正常高变化差异,均匀选取45个GNSS点、117个水准点作为检核点,采用移动拟合方法初步建立陕西省区域垂直运动格网模型,检核精度为1.3 mm/a。综合利用607个水准点、252个GNSS控制点,获取了陕西省近20 a的垂直运动模型,其中,经比对分析,部分GNSS与水准重合点采用水准垂直运动速度,垂直运动趋势见图 6

      图  5  陕西省垂直运动建模控制点图

      Figure 5.  Control Points for Vertical Crustal Velocity in Shaanxi Province

      图  6  陕西省区域垂直运动趋势图(1999—2018年)

      Figure 6.  Trend of Vertical Crustal Velocity in Shaanxi Province(1999—2018)

      总体上,陕西省区域垂直运动呈南北升、中间降的总体趋势,整体上与相关研究成果一致[10-11]。陕北地区地壳垂直运动呈上升趋势,总体上升速度为4~5 mm/a;陕南地区也呈上升趋势,平均上升速度为3 mm/a左右;关中平原呈下降趋势,特别是西安及周边区域最大沉降速度为6 mm/a。陕西省内一、二等水准网及GNSS网分别服务于基准建设、地壳监测,其布设密度无法细致反映局部剧烈垂直运动信息;水准垂直运动采用一、二等水准成果作差获取,也会造成与已有的陕西省垂直运动成果存在一定差异[7-11]。而陕西省地区局部区域出现了严重的不均匀地面沉降,西安西南部、南部局部区域存在地面沉降漏斗,2015—2017年期间最大沉降速度达到了136 mm/a[16],这严重威胁了西安地区的基础设施安全,增加了基础设施建设和维护的成本。临潼、大荔、泾阳、三原等地区相继出现了不同程度的地面沉降灾害,陕北局部也出现了沉降、塌陷等地质灾害。这些地面沉降灾害也大大降低了测绘控制成果的可靠性和使用性,会给工程建设埋下安全隐患。2012年陕西测绘地理信息局开展了陕西省地理省情监测工作,在西安、陕北榆林矿区利用InSAR技术监测地面沉降灾害,获取了局部高精度垂直运动信息,其运动趋势与已有成果[16-17]一致。

    • 高精度垂直形变信息是国家、省市高程基准维护与更新的重要信息,是开展重大工程建设和地球科学研究的基础信息。利用国家一等水准网、陆态网络等GNSS成果和陕西省测绘基准成果,初步分析了陕西地区40多年的不同阶段垂直运动信息,1970—2015年一等水准垂直运动结果表明陕西整体上呈现陕南及陕北上升、关中平原下降的趋势;1999—2018年,GNSS与水准垂直运动是继承性垂直运动,GNSS垂直运动趋势与水准垂直运动趋势总体上一致,陕北、陕南地区总体上呈上升趋势,关中平原呈下降趋势,局部地区的地面不均匀沉降严重。2018年7月,陕西省北斗卫星导航定位基准站系统开始为陕西省各行业提供了公共位置信息服务,这为深入开展陕西垂直形变分析工作积累了重要连续观测数据资源。另外,陕西重力测网[18]、InSAR等可提供物理信息和面状信息,这些信息为地球动力学机理解释提供了可靠的科学依据。随着水准、GNSS、重力和InSAR多期数据的积累,充分发挥各类数据优势实现多源数据融合,建立高精度、现实性强的陕西地区垂直形变模型,服务于陕西省区域高程基准维护与更新是下一步工作。

参考文献 (18)

目录

    /

    返回文章
    返回