地壳形变测量.ppt
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1、地壳形变第二章 地壳形变测量,地壳形变,1、绪论2、地壳形变测量 3、地球参考系与参考框架4、板块构造学说与活动地块学说 5、地壳运动监测与数据处理 6、地壳应力与应变分析 7、连续形变、应变观测与数据处理 8、地震活动的大地测量研究方法,一、垂直形变测量;二、水平形变测量;三、跨断层测量;四、定点形变测量;,一、垂直形变测量,1、合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。InSAR通过两幅天线同时观测(单轨模式),或两次近平行的观测(重复轨道模式),获取地面同一区域的复图像对。由于目标与两天线位置的几何关系,在复
2、图像产生了相位差,形成了干涉图。干涉图中包含了斜距方向上点与两天线位置之差的精确信息。因此,利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系,可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。由于在地壳形变测量中多使用星载平台和重复轨道模式来进行干涉测量,因此本节主要讲述的是利用重复轨道干涉测量地壳形变的基本原理和方法。,SAR干涉测量示意图,根据距离-多普勒原理,多普勒频率 可以表示为:其中为 斜距,为时间以及 为波长。由于,其中 为观测相位。因此有,对上式进行积分,并考虑地面散射对微波的影响,可以得到相位观测值与斜距之间的关系:,天线 和天线 接收到的SAR信号和分别表示如下:
3、,干涉相位 可表示为:,得到InSAR的一般表达式:,可以将干涉相位分解成三部分:,计算该地区的地表形变:,2、区域地壳形变的精密水准测量 水准测量是利用水准仪提供的水平视线直接测定地面上各点间高差的方法。水准测量利用水准仪提供的水平视线,如下图借助于在A、B两点上分别竖立带有分划的水准尺,直接测定地面上两点间的高差。,如果A点高程已知则利用A点的高程和测得的高差h,可推算出未知点B的高程,:,往返测高差不符值、环闭合差计,具体要做的工作有:检测已测测段高差之差的限差,对单程检测或往返检测均适用,检测测段长度小于1 km时,按1 km计算。检测测段两点间距离不宜小于1 km。水准环线由不同等级
4、路线构成时,环线闭合差的限差,应按各等级路线长度及其限差分别计算,然后取其平方和的平方根为限差。当连续若干测段的往返测高差不符值保持同一符号,且大于不符值限差的20%时,则在以后各测段的观测中,除酌量缩短视线外,还应加强仪器隔热和防止尺桩(台)位移等措施。,成果的重测和取舍:测段往返测高差不符值超限,应先就可靠程度较小的往测或返测进行整测段 重测,并按下列原则取舍。a)若重测的高差与同方向原测高差的不符值超过往返测高差不符值的限差,但与另一单程高差的不符值不超出限差,则取用重测结果。b)若同方向两高差不符值未超出限差,且其中数与另一单程高差的不符值亦不超出限差,则取同方向中数作为该单程的高差。
5、c)若a)中的重测高差(或b)中两同方向高差中数)与另一单程的高差不符值超出限差,应重测另一单程。d)若超限测段经过两次或多次重测后,出现同向观测结果靠近而异向观测结果间不符值超限的分群现象时,如果同方向高差不符值小于限差之半,则取原测的往返高差中数作往测结果,取重测的往返高差中数作为返测结果。,区段、路线往返测高差不符值超限时,应就往返测高差不符值与区段(路线)不符值同符号中较大的测段进行重测,若重测后仍超出限差,则应重测其他测段。符合路线和环线闭合差超限时,应就路线上可靠程度较小(往返测高差不符值较大或观测条件较差)的某些测段进行重测,如果重测后仍超出限差,则应重测其他测段。每千米水准测量
6、的偶然中误差超出限差时,应分析原因,重测有关测段或路线。,误差来源:1)观测误差2)尺桩、尺台和脚架垂直位移误差3)使用因瓦标尺带来的误差4)水准折光误差5)热力作用误差6)磁致误差7)潮汐影响误差,二、水平形变测量;,GPS A、B级网的建立 全国GPS A、B级网由国家测绘部门负责实施。1991年在全球范围内建立了一个IGS(国际GPS地球动力学服务)观测网,并于1992年6-9月间实施了第一期会战联测,我国多家单位合作,在全国范围内组织了一次盛况空前“中国92GPS会战”,目的是在全国范围内确定精确的地心坐标,建立起我国新一代的地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数;以优于量级的相对精度
7、确定站间基线向量,布设成国家A级网,作为国家高精度卫星大地网的骨架,并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础。建成后的国家A级网共由28个点组成,经过精细的数据处理,平差后在ITRF91地心参考框架中的点位精度优于0.1m,边长相对精度一般优于,随后在1993年和1995年又两次对A级网点进行了GPS复测,其点位精度已提高到厘米级,边长相对精度达.,全国GPS B级网(又称国家高精度GPS网),是在A级网基础上布设的。GPS B级网基本均匀布点,覆盖全国,有818个点组成,总独立基线数2200多条,平均边长在我国东部地区为50-70km,中部地区为100km,西部地区为150km。外业观测从199
8、1年开始到1996年结束,历时6年,与A级网不同,B级网分子网进行观测,各子网间相互交错与包容,网形结构复杂。数据处理采用GAMIT和PowerADJ软件,以A级网点为起算数据,在ITRF93框架下进行整体约束平差。历元为1996.365,B级网平差结果表明,平均点位中误差水平方向为13mm,垂直方向为26mm,GPS基线边长相对精度约为左右。,全国一、二级网由总参布设。一级网由45个点组成,比较均匀地覆盖了我国大陆和南海岛屿,除南海岛屿外,大陆上的点均为国家天文大地网点,同时也是水准点或水准联测点,相邻点距最长1667KM,最短86KM,平均680KM。第一次平差于1994年完成,在ITRF
9、91框架下进行,1998年对该网重新进行了平差,在ITRF96框架下进行。,全国GPS一、二级网示意图(杨元喜,2009),全国GPS A、B级网示意图(杨元喜,2009),中国地壳运动观测网络示意图(杨元喜,2009),中国地壳运动观测网络(Crustal Movement Observation Network of China,缩写为CMONOC),是以全球卫星定位系统(GPS)观测技术为主,辅之已有的甚长基线射电干涉测量(VLBI)和人卫激光测距(SLR)等空间技术,结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络。中国地壳运动观测网络是一个综合性、多用途
10、、开放型、数据资源共享、全国统一的观测网络,具有连续动态监测功能。网络从根本上改善了地球表层固、液、气三个圈层的动态监测方式。网络的科学目标以地震预测预报为主,兼顾大地测量和国防建设的需要,同时可服务于广域差分GPS,气象和星载干涉合成孔径雷达等领域。网络的关键技术是:高精度和高稳定性的观测技术,大信息量的获取技术,快速准实时的处理技术。网络由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析处理系统四大部分组成。,基准网先由25个建于基岩上的GPS连续观测站组成,后又增加了哈尔滨、郑州两个站,目前共有27个,其点间距约为1000KM,其中有5个SLR并置站(上海、武汉、长春、北京和昆明)、2个VLBI并
11、置站(上海、乌鲁木齐),1 个站并置流动 VLBI 观测(昆明),并有两套流动 SLR(西安,武汉)。具有绝对重力、相对重力、水准等多种观测手段,每个站配备VSAT卫星通讯和IDSN有线通讯充备,每天将GPS数据传送到北京的数据中心,基准网可以实时监测我国大陆主要块体运动。其中上海、武汉、拉萨、北京和乌鲁木齐站为国际IGS跟踪站。,基本网由56个均匀布设、定期复测的GPS站组成,点间距约500KM,大约两年复测一次,主要用于块体本身和块体间的地壳运动的监测,基本网也同时联测相对重力和精密水准。区域网由1000个不定期复测的GPS站组成,其中300个左右均匀布设,700个左右密集布设于断裂带及地
12、震危险监视区,点间距约30-50KM,主要用于监测我国主要断裂带及地震带的现今地壳运动与变形。,中国陆态网络工程 在中国地壳运动观测网络基础上,由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局、中国气象局和教育部共同申报、共同建设的“中国陆态网络工程”项目,2007年10月得到了国家发展与改革委员会的立项批复。该项工程由中国地震局牵头,总投资5.2亿元,建设周期4年。陆态工程的科学目标是建成覆盖中国大陆及近海的高精度、高时空分辨率、准动态的四维观测体系,实时动态监测大陆构造环境变化,认知现今地壳运动和动力学的总体态势,揭示其驱动机制,探求对人类资源、环境和灾害的影响,推进地球物理学、大地测量学
13、、地质学、大气科学、海洋学、空间物理学、天文学以及自然灾害预测和地球环境科学的发展。,中国陆态网络工程基准网示意图,中国陆态网络工程区域网示意图,2000国家GPS大地网 国家测绘局、总参测绘局和中国地震局等部门在20 世纪90 年代先后建成了国家高精度GPS A,B 级网、全国GPS 一、二级网、和全国GPS 地壳运动监测网等三个全国性 GPS 网,共计2 600多点。这三个GPS 网由于布设的需求不同,因此它们的布网原则、观测纲要、实施年代和测量仪器都有所不同;这三个GPS 网在数据处理方面,如所选取的作为平差基准的IGS站、历元、坐标框架和平差方法也不尽相同。因此这三个GPS 网的成果及
14、其精度,包括同名点的坐标值之间,也必然存在差异。因此为了充分发挥其整体效益,更好服务于国家和社会,上述三个网必须统一基准,采用先进的数据处理理论和方法,统一进行整体平差,从而建立我国统一的、可靠的、高精度的2000 国家GPS 大地网,作为实现我国高精度地心三维坐标系统的一个坐标框架。然而2000 国家GPS 大地网的密度远不如全国天文大地网,仅为后者的1/20 左右。所以2000 国家GPS 大地网所提供的低密度的三维地心坐标框架不能完整实现中国的三维地心坐标系。若利用2000 国家GPS 大地网的三维地心坐标、精度高和现势性好的特点,通过它和具有近5万大地点的全国天文大地网进行联合平差,将
15、后者纳入三维地心坐标系,并提高它的全国天文大地网的精度和现势性。使我国的大地坐标框架在密度和分布方面实现我国三维地心大地坐标系前进了一大步(陈俊勇等,2007)。,2000 国家GPS 大地网提供的地心坐标的精度平均优于3 cm,与当前国际上相同规模的GPS 网的精度相当,它也为我国沿用的天文大地网纳入三维地心坐标框架提供了控制。2000 国家GPS 大地网中的各个子网是在不同年代、不同施测方案、不同GPS 轨道精度时布测的,因此该网的数据处理必须顾及各个子网在历元、坐标框架、地形变、轨道精度和施测方案等方面的差异,为此建立了顾及上述特点的GPS网数据处理的函数模型:以IGS 站和网络工程点为
16、坐标框架,顾及了各子网系统误差和基准不统一的影响,在子网函数模型中分别施加了3 个旋转参数和一个尺度;随机模型采用了方差分量估计;解算方法采用了双因子相关观测抗差估计,既保证了平差基准的统一,也部分抵偿了各种系统误差的影响。因此合理调整了各子网的贡献,各子网的方差分量估计值基本不受系统误差影响,控制了各子网精度标定不准对平差成果的影响(陈俊勇等,2007)。,2000国家GPS大地网示意图(杨元喜,2009),美国CORS网络示意图,美国主要有3个大的CORS网络系统,分别是国家CORS网络,合作式CORS网络和区域(加利弗尼亚)CORS网络。目前,国家CORS网络有688个站,合作式CORS
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