本文選題：局部重力場建模　切入點：泊松小波徑向基函數(shù)　出處：《武漢大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：確定地球重力場的精細結構及其時間變化是現(xiàn)代大地測量和固體地球物理學的主要科學目標之一。高精度高分辨率的地球重力場信息反映了地球系統(tǒng)的物質(zhì)分布、運動和變化狀態(tài),在國家經(jīng)濟建設、軍事和國防建設及大地測量、地球物理、海洋學、地球動力學等相關地球科學領域具有重要作用。現(xiàn)代重力測量技術有多種不同模式并提供多種不同類型的重力場信息。利用不同技術手段獲取的重力場信息在空間分布、數(shù)據(jù)特性、頻譜特征、誤差性質(zhì)及精度水平等方面均存在差異,而利用單一的重力測量手段難以獲取高精度高分辨率的重力場信息。如何融合多源重力場信息建立高精度高分辨率的局部重力場模型是目前大地測量學研究的前沿和熱點問題。本文以移去-恢復法為基本框架,重點研究基于泊松小波徑向基函數(shù)融合多源數(shù)據(jù)構建局部重力場的方法。預期研究成果將為確定高分辨率高精度局部重力場建模提供高效實用的數(shù)據(jù)處理方法和理論模型。本文主要工作與成果如下：(1)詳細研究了基于泊松小波徑向基函數(shù)構建局部重力場的函數(shù)模型。重點研究了基于隨機跡估計的Monte-Carlo方差分量估計的定權方法和基函數(shù)適宜網(wǎng)絡設計的方法；利用ScaLAPACK并行函數(shù)庫實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)快速求解局部重力場的并行算法。(2)針對局部重力場建模中存在的法方程病態(tài)問題,基于零階、一階Tikhonov正則化模型,比較分析了不同正則化參數(shù)求解方法和不同正則化矩陣對于局部重力場建模精度的影響。研究結果表明,基于一階Tikhonov正則化矩陣解算的模型的精度較高。L曲線法、方差分量估計法和最小標準差法確定的最佳正則化參數(shù)基本一致,且方差分量估計法可同時解算多源數(shù)據(jù)的權和正則化參數(shù),效率較高。(3)研究了以高階重力場模型作為參考重力場削弱線性化誤差的方法。實例分析表明：相比于基于GRS80參考橢球的正常重力場,利用DGM1S重力場模型作為參考場在多山地區(qū)可以有效地削弱線性化誤差的影響。在地形起伏較大的德國、英國及挪威相關區(qū)域,基于DGM1S參考場構建的大地水準面的精度分別提高了1.5 mm、3.3 mm及9.0 mm。(4)研究了殘差地形模型中的非調(diào)和性問題,比較了基于棱柱體和球冠體的積分模型,基于解析延拓的思想提出了廣義殘差地形模型。研究結果表明,與球冠體積分模型相比,在地勢起伏較大的多山區(qū)域,棱柱體模型的求解精度相對較低。在地形較為平坦的區(qū)域,調(diào)和改正對高程異常的影響僅達到毫米量級,在厘米級大地水準面的構建中可忽略其影響。而在地形起伏較大的山區(qū),忽略調(diào)和改正的影響可能引入厘米甚至分米級的誤差。廣義殘差地形模型綜合考慮了調(diào)和改正在移去及恢復階段的影響,能更為精確地逼近地形因素引起的高頻效應。結合廣義殘差地形模型構建的大地水準面的精度在地形起伏較大的英國及挪威區(qū)域分別提高了1.7mm和2.1 cm。(5)分析了地形擾動引起的高頻效應對于基函數(shù)網(wǎng)絡設計及局部重力場建模精度的影響。研究結果表明,不同區(qū)域可能需要構建不同的基函數(shù)網(wǎng)絡,忽略地形質(zhì)量引入的高頻效應會導致頻譜混疊現(xiàn)象,影響建模的精度。利用殘差地形模型平滑了局部重力場高頻擾動信號,簡化了基函數(shù)的網(wǎng)絡設計,提高了模型精度。平原區(qū)域相應的重力大地水準面的精度提升了4mm,多山地區(qū)其精度提高了5 cm。(6)以沿軌垂線偏差和大地水準面高高差作為測高觀測數(shù)據(jù),比較了不同測高觀測量對于局部重力場建模的影響。數(shù)值分析表明,較之于利用沿軌垂線偏差構建的模型,采用沿軌大地水準面高高差作為測高觀測量解算的模型的精度較高。在荷蘭、比利時和英國區(qū)域,其相應的大地水準面的精度分別提高了0.34 cm、0.27 cm和1.4 cm；而在相關海域區(qū)域,其精度提高了2.3 cm。(7)以全球潮汐模型GOT4.7和局部潮汐模型DCSM為例,分析了不同潮汐模型對于建模精度的影響。結果表明,不同潮汐模型對大地水準面的影響較小,使用不同潮汐模型構建的大地水準面的差異主要集中在靠近陸地的淺水區(qū)域和某些開闊海域區(qū)域。且船載重力及測高觀測數(shù)據(jù)在海洋重力場的確定中呈現(xiàn)互補性關系,聯(lián)合兩類數(shù)據(jù)可以提高局部重力場的建模精度。(8)提出了局部重力場多尺度逼近的泊松小波基函數(shù)法�；谛〔ǘ喑叨确纸饫碚摵臀粓鲱l譜分析理論構建了多層基函數(shù)網(wǎng)絡,改善了單層基函數(shù)網(wǎng)絡逼近局部重力場的缺陷。對比分析了單層和多層基函數(shù)網(wǎng)絡在局部重力場建模的優(yōu)劣性。數(shù)值分析表明,相比于單層基函數(shù)網(wǎng)絡構建的局部重力場,多層基函數(shù)網(wǎng)絡能更為準確、精細地逼近局部重力場信號。基于多層基函數(shù)網(wǎng)絡構建的大地水準面精度在荷蘭、比利時及德國相關區(qū)域分別提高了0.11 cm、0.33 cm及0.63 cm。(9)將部分GPS水準數(shù)據(jù)作為觀測量構建新的函數(shù)模型,提出了融合重力大地水準面和GPS水準數(shù)據(jù)精化大地水準面的新方法,有效削弱了GPS水準數(shù)據(jù)和重力大地水準面之間存在的系統(tǒng)誤差。實例分析表明,基于上述方法構建的大地水準面模型在荷蘭和比利時的精度水平達到0.85 cm和1.64 cm,且相應的大地水準面高殘差的平均值分別為-0.08 cm和0.15 cm,表明該方法能夠有效地削弱兩者之間的系統(tǒng)誤差。
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【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P223

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本文編號：1610441