地壳形变总复习.ppt.ppt

1、地壳形变地壳形变武汉大学武汉大学 许才军许才军1 1）地壳形变测地壳形变测量与量与数据处理数据处理 （许才军许才军 张朝玉主编，武汉大学出版社，张朝玉主编，武汉大学出版社，20092009）2 2）地球物理大地测量学原理与方法地球物理大地测量学原理与方法 （许才军许才军 申文斌申文斌 晁定波编著，武汉大学出版社，晁定波编著，武汉大学出版社，20062006）参考参考教材教材http:/ 1、绪论、绪论2 2、全球板块运动监测、全球板块运动监测 3 3、区域地壳形变监测、区域地壳形变监测4 4、断层形变测量、断层形变测量 A A、地球参考系与参考框架、地球参考系与参考框架5 5、地壳应力与应变分

2、析、地壳应力与应变分析6 6、板块构造学说与活动地块学说、板块构造学说与活动地块学说 B B、相对稳定点组的确定相对稳定点组的确定7 7、定点形变观测及数据处理定点形变观测及数据处理8 8、区域地壳形变监测数据处理、区域地壳形变监测数据处理 9 9、地震地壳形变地震地壳形变地壳形变地壳形变“地壳运动地壳运动”广义的解释：地壳运动指地壳内部物质的地质循环广义的解释：地壳运动指地壳内部物质的地质循环或称或称地质旋回地质旋回，即地壳的，即地壳的一切物理和化学的运动一切物理和化学的运动，包括其变形、，包括其变形、变质和岩浆活动；变质和岩浆活动；“地壳运动地壳运动”狭义的解释：地壳运动主要是指由地球内力

3、引起的狭义的解释：地壳运动主要是指由地球内力引起的大区域的地壳变动，包括隆起、凹陷和各种构造形态形成的运动，大区域的地壳变动，包括隆起、凹陷和各种构造形态形成的运动，又称又称构造旋回构造旋回。地壳运动包括垂直运动、水平运动、造陆运动、。地壳运动包括垂直运动、水平运动、造陆运动、振荡运动、造山运动、褶皱运动和断裂运动。振荡运动、造山运动、褶皱运动和断裂运动。地壳运动可分为长期运动和瞬变运动，前者是在地质时间尺度内地壳运动可分为长期运动和瞬变运动，前者是在地质时间尺度内的运动，由几千年到几百万年，它与板块运动有关，后者是与地的运动，由几千年到几百万年，它与板块运动有关，后者是与地震和火山等活动相联

4、系的震和火山等活动相联系的。地壳运动地壳运动地壳形变或地壳形变或称称地球自然表面质点在时、空域内的运动和变化地球自然表面质点在时、空域内的运动和变化。由于人类活动产生的地表形变由于人类活动产生的地表形变（离散性、短暂性和局部性离散性、短暂性和局部性）地球自转和极移产生的形变地球自转和极移产生的形变（全球规模特性全球规模特性，可理论计算），可理论计算）由日月等天体对固体地球在引力作用下产生的形变由日月等天体对固体地球在引力作用下产生的形变（所谓（所谓固体固体潮潮,在理论上可以作严格的计算在理论上可以作严格的计算）由大地构造运动产生的地壳构造形变由大地构造运动产生的地壳构造形变，是由于地球内部的构

5、是由于地球内部的构造原因所产生的地壳形变造原因所产生的地壳形变,具有连续性、长期性、区域性、复具有连续性、长期性、区域性、复杂性。杂性。地壳形变地壳形变地壳运动地壳运动：地壳运动是在地球内部构造应力的作用下，所引：地壳运动是在地球内部构造应力的作用下，所引起的地壳一些元素的相对运动。它们可以是起的地壳一些元素的相对运动。它们可以是垂直运动、水平垂直运动、水平运动运动或或地倾斜运动地倾斜运动。综合表现为大面积的地壳形变综合表现为大面积的地壳形变。地壳形变地壳形变：是指在地球内力和外力作用下，地球的地壳表面是指在地球内力和外力作用下，地球的地壳表面产生的产生的升降、倾斜、错动升降、倾斜、错动等现象

6、及其相应的变化量等现象及其相应的变化量。大地形变学的主要研究内容大地形变学的主要研究内容 (张崇立，张崇立，2007)2007)地壳形变测量种类地壳形变测量种类（1 1）全球板块运动监测）全球板块运动监测主要用来测定板块运动参数，测定大陆板块和海洋板块的主要用来测定板块运动参数，测定大陆板块和海洋板块的内部形变，其观测手段主要采用内部形变，其观测手段主要采用VLBIVLBI、SLR SLR 和和GPSGPS等空间测等空间测量技术。量技术。（2 2）全国及区域地壳形变测量）全国及区域地壳形变测量测定亚板块及构造块体的地壳形变，给出全国大陆动力学测定亚板块及构造块体的地壳形变，给出全国大陆动力学的

7、边界条件，以及全国大陆应力场、形变场变化过程的总的边界条件，以及全国大陆应力场、形变场变化过程的总体和分区特征；区域地壳形变测量主要测定块体边界与大体和分区特征；区域地壳形变测量主要测定块体边界与大地震有关的区域形变，它可以给出大陆内部地形变的时空地震有关的区域形变，它可以给出大陆内部地形变的时空演变图象。演变图象。地壳形变测量种类地壳形变测量种类（3 3）断层形变测量）断层形变测量在各活动构造块体边界上进行的近场构造变形测量。能够直接测定在各活动构造块体边界上进行的近场构造变形测量。能够直接测定块体边界断裂及其不同段落的现今活动方式、相对位移速率以及它块体边界断裂及其不同段落的现今活动方式、

8、相对位移速率以及它们随时间变化的过程，提供震间、震前、同震与震后滑动等构造活们随时间变化的过程，提供震间、震前、同震与震后滑动等构造活动的微动态信息动的微动态信息。目前以短水准、短基线、短边目前以短水准、短基线、短边GPSGPS网以及由水管倾斜仪、伸缩仪、网以及由水管倾斜仪、伸缩仪、蠕变仪、短边激光测距仪或重力仪组成的台阵等为主要手段。蠕变仪、短边激光测距仪或重力仪组成的台阵等为主要手段。（4 4）定点形变测量）定点形变测量主要包括地倾斜、地应变和重力主要包括地倾斜、地应变和重力(固体潮汐固体潮汐)台站台站观测观测。这种方法可。这种方法可以有效地监测地壳的连续变动，可以通过不同时间间隔的采样，

9、在以有效地监测地壳的连续变动，可以通过不同时间间隔的采样，在相当宽的频带范围内对地壳动力学现象进行观测。相当宽的频带范围内对地壳动力学现象进行观测。问题：问题：1 1，全球板块运动全球板块运动监测意义？监测意义？2 2，全球板块运动全球板块运动监测的技术？监测的技术？3 3，监测，监测全球板块运动全球板块运动的原理与方法？的原理与方法？全球板块运动监测全球板块运动监测1 1，全球板块运动全球板块运动监测意义监测意义一是为寻找矿产资源一是为寻找矿产资源 板块运动的边界是生成矿源的地点。板块运动的边界是生成矿源的地点。二是为减灾防灾二是为减灾防灾 全球板块运动监测是发现和预测地震的一个最重全球板块

10、运动监测是发现和预测地震的一个最重要的手段要的手段，地震一般发生在板块的边界。地震一般发生在板块的边界。MobileSLRSystemVLBIGNSS（GPS）2 2 全球板块运动监测技术全球板块运动监测技术全球板块运动的全球板块运动的VLBIVLBI测量测量VLBI(veryVLBI(very long baseline long baseline interferometryinterferometry)是甚长基线干涉是甚长基线干涉测量技术的英文缩写测量技术的英文缩写；VLBIVLBI是一种纯粹的几何方法，它不涉及地球重力场是一种纯粹的几何方法，它不涉及地球重力场，也不受气也不受气候的限制

11、有长期的稳定性候的限制，有长期的稳定性。这种干涉测量的方法和特点，使观测的分辨率不再局限于单个这种干涉测量的方法和特点，使观测的分辨率不再局限于单个望远镜的口径，而是望远镜的距离，我们把它称之为由基线的望远镜的口径，而是望远镜的距离，我们把它称之为由基线的长度所决定的。简单来说，长度所决定的。简单来说，VLBIVLBI就是把几个小望远镜联合起来，就是把几个小望远镜联合起来，达到一架大达到一架大望远镜望远镜的观测效果，甚长基线干涉测量法具有很高的观测效果，甚长基线干涉测量法具有很高的测量精度，用这种方法进行射电源的精确定位，测量数千公的测量精度，用这种方法进行射电源的精确定位，测量数千公里范围

12、内基线距离和方向的变化，有利于建立以河外射电源为里范围内基线距离和方向的变化，有利于建立以河外射电源为基准的惯性参考系，研究地球板块运动和地壳的形变，以及揭基准的惯性参考系，研究地球板块运动和地壳的形变，以及揭示极移和世界时的短周期变化规律等示极移和世界时的短周期变化规律等。全球板块运动的全球板块运动的SLRSLR测量测量卫星激光测距卫星激光测距(SLR-Satellite Laser Ranging)(SLR-Satellite Laser Ranging)是一种空间是一种空间大地测量技术。其基本原理是，根据地面台站精确记录宽度极大地测量技术。其基本原理是，根据地面台站精确记录宽度极窄的激光

13、脉冲信号从望远镜到安装有后向反射器的卫星之间的窄的激光脉冲信号从望远镜到安装有后向反射器的卫星之间的往返时间，利用光速已知这个先决条件，可以计算出望远镜到往返时间，利用光速已知这个先决条件，可以计算出望远镜到卫星之间的瞬间距离。卫星之间的瞬间距离。目前这种瞬间距离的测量已经达到毫米级精度。目前这种瞬间距离的测量已经达到毫米级精度。SLRSLR精确测定地面台站相对地心的位置和运动精确测定地面台站相对地心的位置和运动(目前的精度分别目前的精度分别达到毫米和毫米达到毫米和毫米/年量级年量级)，从而可以监测板块构造运动和地壳，从而可以监测板块构造运动和地壳的水平和垂直形变，进而为地震预报提供重要信息。

14、的水平和垂直形变，进而为地震预报提供重要信息。利用利用SLRSLR可以测定板块运动，其原理是通过测定台站的位置可以测定板块运动，其原理是通过测定台站的位置变化来确定板块运动参数或通过测定站间基线长度的变化率变化来确定板块运动参数或通过测定站间基线长度的变化率来确定板块运动参数进行的。来确定板块运动参数进行的。站间基线长度变化率的测定是在一列所选定的时间间隔内联站间基线长度变化率的测定是在一列所选定的时间间隔内联合求解测站的坐标、卫星的轨道和地球的定向参数合求解测站的坐标、卫星的轨道和地球的定向参数(EOP),(EOP),利用这些站坐标解可求得测站间基线的时间序列利用这些站坐标解可求得测站间基线

15、的时间序列,对该序列对该序列经线性拟合即得站间基线长度的变化率。经线性拟合即得站间基线长度的变化率。全球板块运动的全球板块运动的GNSS(GPS)GNSS(GPS)测量测量GPS GPS 的定位方法的定位方法:静态定位和动态定位静态定位和动态定位，绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位（WGS84WGS84坐标系）坐标系）利用利用 GPS GPS 进行绝对定位进行绝对定位(单点定位）的基本原理是：以单点定位）的基本原理是：以 GPS GPS 卫星与用户接收机卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量天线之间的几何距离观测量 为基础，并根据卫星的瞬时坐为基础，并根据卫星的瞬时坐标标（X XS S,Y

16、YS S,Z,ZS S），），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。设接收机天线的相位中心坐标为（设接收机天线的相位中心坐标为（X,Y,Z X,Y,Z），则有：），则有：（）可根据导航电文获得，所以式中只有）可根据导航电文获得，所以式中只有 X Y Z X Y Z 三个未知量，三个未知量，只要同时接收只要同时接收 3 3 颗颗 GPS GPS 卫星，就能解出测站点坐标（卫星，就能解出测站点坐标（X,Y,Z X,Y,Z）。）。GPS GPS 单点定位的实质就是空间距离的单点定位的实质就是空间距离的后方交会后方交会。GPS GPS 相

17、对定位相对定位：亦称差分亦称差分 GPS GPS 定位，是目前定位，是目前 GPS GPS 定定位中精度最高的一种定位方法。位中精度最高的一种定位方法。基本定位原理是：用两台基本定位原理是：用两台 GPS GPS 用户接收机分别安置在用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的基线的两端，并同步观测相同的 GPS GPS 卫星，以确定基卫星，以确定基线端点（测站点）在线端点（测站点）在 WGS84 WGS84 坐标系中的相对位置或称坐标系中的相对位置或称基线向量。基线向量。问题：什么是问题：什么是WGS84 WGS84 坐标系坐标系？WGS84 WGS84（G1150G1150）代表什么含

18、义？）代表什么含义？WGS84 WGS84 坐标系坐标系-世界大地坐标系统，是美国建立的地心坐世界大地坐标系统，是美国建立的地心坐标系统，先后推出标系统，先后推出WGS60WGS60、WGS66WGS66、WGS72WGS72和和WGS84WGS84。WGS84WGS84于于19871987年取代年取代WGS72WGS72成为全球定位系统（广播星历）所使成为全球定位系统（广播星历）所使用的坐标系，被世界各国广泛使用。用的坐标系，被世界各国广泛使用。问题问题1 1：什么是：什么是WGS84 WGS84 坐标系坐标系？问题问题2 2：WGS84WGS84（G1150G1150）代表什么含义？）代表

19、什么含义？20012001年，美国对年，美国对WGS84WGS84进行了第进行了第3 3次精化，获得了次精化，获得了 WGS84WGS84（G1150G1150）框架。）框架。该框架从该框架从GPSGPS时间第时间第11501150周开始使周开始使用（用（20022002年年1 1月月2020日日0 0时），与时），与ITRF2000ITRF2000符合得很好，各符合得很好，各分量上的平均差异小于分量上的平均差异小于1cm1cm。括号里的括号里的G G表示该框架是用表示该框架是用GPSGPS资料确定，资料确定，11501150表示表示框架开始使用的时间。框架开始使用的时间。a)a)板块构造运动

20、基础知识板块构造运动基础知识 板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围绕通过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来绕通过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来表述表述3 3 监测监测全球板块运动全球板块运动的原理与方法的原理与方法b)b)利用基线长度的变化率确定板块运动的相对运动参数利用基线长度的变化率确定板块运动的相对运动参数 分别为分别为i i站和站和j j站的坐标矢量站的坐标矢量,通过两板块间若干条基线长度变化率的测通过两板块间若干条基线长度变化率的测定定,就可由上式用一个加权的最小二乘平差求得两板块的相对运动角速度

21、就可由上式用一个加权的最小二乘平差求得两板块的相对运动角速度设设i i测站和测站和j j测站分别属于测站分别属于k k板块和板块和l l板块板块,则则k k板块对板块对l l板块的相对板块的相对运动角速度运动角速度 与与i i、j j两站间基线长度的变化率两站间基线长度的变化率 具有如下关具有如下关系系：而基线长度变化率最实用而基线长度变化率最实用由基线变化率求解板块运动参数由基线变化率求解板块运动参数基线沿其长度、横向和垂向的三个时间变化率基线沿其长度、横向和垂向的三个时间变化率 分别是基线沿长度、分别是基线沿长度、横向和垂向的单位矢量横向和垂向的单位矢量设设为板块为板块l l相对于板块相对

22、于板块k k的欧拉矢量的欧拉矢量代入代入和和式变换后可得式变换后可得可求解板块间相对运行欧拉矢量和至少一个板块的绝对欧拉矢量可求解板块间相对运行欧拉矢量和至少一个板块的绝对欧拉矢量c)c)由站间大地线变化率由站间大地线变化率 求解板块运动参数求解板块运动参数如果用球坐标表示如果用球坐标表示,则有：则有：d)d)利用站坐标和站速度确定板块绝对运动的欧拉参数利用站坐标和站速度确定板块绝对运动的欧拉参数若把地球近似为球体，设该点经、纬度分别为若把地球近似为球体，设该点经、纬度分别为地心坐标系中，如果一个板块的绝对欧拉矢量为地心坐标系中，如果一个板块的绝对欧拉矢量为则该板块上矢径为则该板块上矢径为 r

23、xr(x,y,z),y,z)的某点的某点G G的运动速度的运动速度站心参考系中站心参考系中（NEUNEU）的速度的速度与地心与地心参考系中的运动速度参考系中的运动速度转换关系转换关系板块绝对运动的欧拉参数板块绝对运动的欧拉参数 区域地壳形变测量区域地壳形变测量1 1，区域地壳形变测量区域地壳形变测量的空间尺度的空间尺度 上百公里上百公里-上千公里上千公里 局部局部地壳形变测量地壳形变测量的空间尺度的空间尺度 几百米到几十公里几百米到几十公里2 2，区域地壳形变测量区域地壳形变测量的技术的技术 GPS/INSAR/VLBI/SLR/GRAVITY GPS/INSAR/VLBI/SLR/GRAV

24、ITY 局部局部地壳形变测量地壳形变测量的技术的技术 GPS/INSAR/LEVELING/GRAVITYGPS/INSAR/LEVELING/GRAVITY国国家家测测绘绘局局、总总参参测测绘绘局局和和中中国国地地震震局局等等部部门门在在20 20 世世纪纪90 90 年年代代先先后后建建成成了了国国家家高高精精度度GPS GPS A A，B B 级级网网、全全国国GPS GPS 一一、二二级级网网、和和全全国国GPS GPS 地地壳壳运运动动监监测测网网等等三三个个全国性全国性 GPS GPS 网，共计网，共计2 6002 600多点。多点。中国高精度的中国高精度的GPSGPS观测网观测网

25、中国中国A A、B B级网级网19911991年年国国际际大大地地测测量量协协会会（IAGIAG）决决定定在在全全球球范范围围内内建建立立一一个个IGSIGS（国国际际GPSGPS地地球球动动力力学学服服务务）观观测测网网，并并于于19921992年年6-96-9月月间间实实施施了了第第一一期期会会战战联联测测，我我国国借借此此机机会会由由多多家家单单位位合合作作，在在全全国国范范围围内内组组织织了了一一次次盛盛况况空空前前的的“中中国国92 92 GPSGPS会会战战”，目目的的是是在在全全国国范范围围内内确确定定精精确确的的地地心心坐坐标标，建建立立起起我我国国新新一一代的地心参考框架及其

26、与国家坐标系的转换参数；以优于代的地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数；以优于 量量级级的的相相对对精精度度确确定定站站间间基基线线向向量量，布布设设成成国国家家高高精精度度卫卫星星大大地地网网的的骨骨架架，并并奠奠定定地地壳壳运运动动及及地地球球动动力力学学研研究究的的基基础。础。这也是这也是A A级网的来源。级网的来源。B B B B级级级级网网网网顾顾顾顾及及及及了了了了中中中中国国国国经经经经济济济济发发发发展展展展水水水水平平平平的的的的现现现现实实实实状状状状况况况况，以以以以地地地地形形形形困难程度分区，按不同密度布网。困难程度分区，按不同密度布网。困难程度分区，按不同密度布网

27、困难程度分区，按不同密度布网。顾顾顾顾及及及及原原原原有有有有国国国国家家家家大大大大地地地地网网网网改改改改造造造造升升升升级级级级和和和和国国国国家家家家地地地地心心心心基基基基准准准准、高高高高程程程程基基基基准准准准建建建建设设设设等等等等科科科科学学学学发发发发展展展展需需需需要要要要布布布布设设设设了了了了800800800800多多多多个个个个高高高高精精精精度度度度GPSGPSGPSGPS控控控控制制制制点点点点，其其其其中中中中2/32/32/32/3重重重重合合合合了了了了精精精精密密密密水水水水准准准准点点点点，1/31/31/31/3重重重重合合合合了了了了国家国家国

28、家国家I I I I、IIIIIIII等三角点等三角点等三角点等三角点。以最少的投资实现全国的统一布网、构网。以最少的投资实现全国的统一布网、构网。以最少的投资实现全国的统一布网、构网。以最少的投资实现全国的统一布网、构网。中国中国GPS AGPS A、B B级网级网 边长相对精度 水平分量0.2m高程分量0.3m 水平分量0.1m高程分量0.2m ITRF93框架下绝对地心坐标精度 50km200km 700km 平均边长818 28测站数B级网 A级网 技术指标中国中国GPS AGPS A、B B级网级网全全国国一一、二二级级网网由由总总参参布布设设。一一级级网网由由4545个个点点组组成

29、成，比比较较均均匀匀地地覆覆盖盖了了我我国国大大陆陆和和南南海海岛岛屿屿，除除南南海海岛岛屿屿外外，大大陆陆上上的的点点均均为为国国家家天天文文大大地地网网点点，同同时时也也是是水水准准点点或或水水准准联联测点，相邻点距最长测点，相邻点距最长1667KM1667KM，最短，最短86KM86KM，平均，平均680KM680KM。第第一一次次平平差差于于19941994年年完完成成，在在ITRF91ITRF91框框架架下下进进行行，19981998年年对对该该网网重重新新进进行行了了平平差差，在在ITRF96ITRF96框框架架下下进进行行。据据统统计计，平差后基线边长相对精度为平差后基线边长相对

30、精度为 左右。左右。二二级级网网由由534534个个点点组组成成，均均匀匀分分布布在在我我国国大大陆陆和和南南海海岛岛屿屿，所所有有的的点点都都进进行行了了水水准准联联测测，相相邻邻点点距距平平均均为为164.8KM164.8KM，野野外观测从外观测从19921992年开始，历时年开始，历时5 5年年。全全国国GPSGPS一一、二二级级网网在在ITRF96ITRF96框框架架下下进进行行平平差差，历历元元是是1997.0,1997.0,平差后基线边长相对精度为平差后基线边长相对精度为 左右。左右。全国全国GPSGPS一、二级网一、二级网 边长相对精度 水平分量0.2m高程分量0.3m 水平分量

31、0.1m高程分量0.2m ITRF96框架 165km 680km 平均边长534 45测站数二级网 一级网 技术指标中国中国GPS GPS 一、二级网一、二级网 全球卫星定位系统全球卫星定位系统(GPS)(GPS)观测技术为主，辅之已有的甚长观测技术为主，辅之已有的甚长基线射电干涉测量基线射电干涉测量(VLBI)(VLBI)和人卫激光测距和人卫激光测距(SLR)(SLR)等空间技等空间技术，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。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

32、开放型、中国地壳运动观测网络是一个综合性、多用途、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。圈层的动态监测方式。中国地壳运动观测网络中国地壳运动观测网络中国地壳运动观测网络最初的目的主要是用来监测中国中国地壳运动观测网络最初的目的主要是用来监测中国大陆的地壳运动，研究中国大陆的地壳运动规律和运动大陆的地壳运动，研究中国大陆的地壳运动规律和运动图像，为预测预报地震研究提供重要的基础和定量的数图像，为预测预报地震研究提供

33、重要的基础和定量的数据依据。据依据。观测网络由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析观测网络由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析系统四大部分组成。系统四大部分组成。中国地壳运动观测网络中国地壳运动观测网络 300个均匀分布700个地震危险带 1000个站（不定期复测）区域网区域网块体/块体之间运动监测大陆块体运动作用作用500km 1000km 平均边长56 25（27）测站数基本网 基准网 技术指标中国地壳运动观测网络中国地壳运动观测网络20002000国家国家GPSGPS大地网大地网三个全国性三个全国性GPS GPS 网网（共计共计26002600多点多点）实际情况：）实际情况：1 1

34、三个三个GPS GPS 网由于布设的需求不同网由于布设的需求不同,因此它们的布网原则、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观测纲要、实施年代和测量仪器都有所不同;2 2）三个三个GPS GPS 网在数据处理方面网在数据处理方面,如所选取的作为平差基准如所选取的作为平差基准的的IGSIGS站、历元、坐标框架和平差方法也不尽相同站、历元、坐标框架和平差方法也不尽相同；3 3）三个三个GPS GPS 网的成果及其精度网的成果及其精度,包括同名点的坐标值之间包括同名点的坐标值之间,存在差异存在差异。问题：如何充分利用三网观测数据，发挥其整体效益，问题：如何充分利用三网观测数据，

35、发挥其整体效益，更好地服务国家和社会？更好地服务国家和社会？20002000国家国家GPSGPS大地网大地网建立建立2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网大地网：1 1）三个三个GPS GPS 网必须统一基准网必须统一基准;2 2）采用先进的数据处理理论和方法采用先进的数据处理理论和方法,统一进行整体平差统一进行整体平差；3 3）建立我国统一的、可靠的、高精度的建立我国统一的、可靠的、高精度的2000 2000 国家国家GPS GPS 大地大地 网网,作为实现我国高精度地心作为实现我国高精度地心3 3维坐标系统的一个坐标框架维坐标系统的一个坐标框架。经经过过国国家家测测绘绘局局、总

36、总参参测测绘绘局局和和中中国国地地震震局局的的共共同同努努力力，于于20032003年年建建成成了了20002000国国家家GPSGPS大大地地控控制制网网（26002600多多点点，精精度度3cm3cm）。2 2000000国国家家大大地地坐坐标标系系已已经经国国务务院院批批准准于于20082008年年7 7月月1 1日日在在全全国国正正式启用。式启用。平均三维点位中误差优于平均三维点位中误差优于25mm25mm 平均平面点位中误差约为平均平面点位中误差约为5mm5mm 平均高程中误差约为平均高程中误差约为20mm20mm20002000国家国家GPSGPS大地网大地网2000 2000 国

37、家国家GPSGPS大地网大地网的缺陷的缺陷2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网的密度远不如全国天文大地网大地网的密度远不如全国天文大地网,仅为后仅为后者的者的1/20 1/20 左右左右;2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网所提供的低密度的大地网所提供的低密度的3 3 维地心坐标框架不维地心坐标框架不能完整实现中国的能完整实现中国的3 3 维地心坐标系维地心坐标系。解决办法解决办法2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网大地网+全国天文大地网全国天文大地网 进行联合平差进行联合平差,将后者将后者纳入纳入3 3 维地心坐标系维地心坐标系,并提高它的全国天文大

38、地网的精度和现势并提高它的全国天文大地网的精度和现势性性,使我国的大地坐标框架在密度和分布方面实现我国使我国的大地坐标框架在密度和分布方面实现我国3 3 维地心维地心大地坐标系大地坐标系的跨越式进步！（的跨越式进步！（5 5万个点的万个点的3 3维地心坐标）维地心坐标）2000 2000 国家大地控制网国家大地控制网3 3）2000 2000 国家重力基本网国家重力基本网1 1）2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网大地网2 2）新）新全国天文大地网全国天文大地网 （与（与2000 2000 国家国家GPS GPS 大地网联合平差后的全国天文大地网大地网联合平差后的全国天文大地网）

39、国家重力基准方面国家重力基准方面,我国在我国在20 20 世纪先后建立了世纪先后建立了1957 1957 国家重力基本网和国家重力基本网和1985 1985 国家重力基本网国家重力基本网，后者的精度为后者的精度为 ,与前者相比提高与前者相比提高了一个数量级了一个数量级,并消除了波斯坦重力起始值的系统差并消除了波斯坦重力起始值的系统差。1985 1985 国家重力基本网存在国家重力基本网存在3 3个个问题问题:对中国国土的覆盖不完整对中国国土的覆盖不完整,网点少网点少,网型结构也不理想网型结构也不理想;至至20 20 世纪末世纪末,该网点毁损严重该网点毁损严重,竟达竟达40%40%左右左右;精度

40、难以满足当代发展的需要。精度难以满足当代发展的需要。全国天文大地控制网全国天文大地控制网 约约5000050000点点2000 2000 国家国家GPS GPS 大地控制网大地控制网 25002500多点多点IGS IGS 站和永久跟踪站站和永久跟踪站 2727点点3mm3cm3dmCGCS2000CGCS2000的定义的定义 CGCS2000CGCS2000符合符合IERSIERS（国际地球旋转和参考系服务局）（国际地球旋转和参考系服务局）ITRSITRS（国（国际地球参考系）的下列定义：际地球参考系）的下列定义：原点原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；在包括海洋和大气的整个地球的质量

41、中心；长度长度单位为米（单位为米（SI)SI)；定向定向在在1984.01984.0时与国际时间局（时与国际时间局（BIHBIH）定向一致；）定向一致；定向随时间的演变定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转（由整个地球水平构造运动无整体旋转（no-no-net-rotationnet-rotation）的条件保证。）的条件保证。CGCS2000CGCS2000的定义的定义右手地固直角坐标系，右手地固直角坐标系，它的原点和轴定义如下：它的原点和轴定义如下：原点原点在地球质量中心；在地球质量中心；Z Z轴轴指向指向IERSIERS参考极方向；参考极方向；X X轴轴为为IERSIERS参考

42、子午面与通过原点且同参考子午面与通过原点且同z z轴正交的赤道面交线；轴正交的赤道面交线；Y Y轴轴与与Z Z、X X轴构成右手直角坐标系。轴构成右手直角坐标系。参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的，其旋转轴与坐标系的Z Z轴重合。轴重合。正常椭球与参考椭球一致。正常椭球与参考椭球一致。CGCS2000CGCS2000：参考椭球：参考椭球CGCS2000参考椭球的参考椭球的定义常数定义常数:赤道半径：赤道半径：a=6378137 m a=6378137 m 扁率扁率:f=1:298.257222101 :f=1:298.257222101

43、 地心引力常数：地心引力常数：GM=3.986004418GM=3.98600441810101414m m3 3s s-2-2 旋转速度：旋转速度：=7.292115=7.2921151010-5-5rad srad s-1-1CGCS2000CGCS2000的实现的实现 CGCS2000CGCS2000通通过过20002000国国家家GPSGPS大大地地控控制制网网的的坐坐标标和和速速度度具具体体实现实现。参考历元为参考历元为2000.02000.0。20002000国国家家GPSGPS大大地地控控制制网网是是在在测测绘绘、地地震震和和科科学学院院等等部部门门布布设设的的4 4个个GPSG

44、PS网网联联合合平平差差的的基基础础上上得得到到的的一一个个全全国国规规模模的的GPSGPS大地控制网，大地控制网，共包括共包括25182518点点 。坐标平均中误差坐标平均中误差：x x=0.90cm,=0.90cm,y y=1.57cm,=1.57cm,z z=1.06cm=1.06cm B B=0.37cm,=0.37cm,L L=0.77cm,=0.77cm,h h=1.92cm=1.92cm 位置平均中误差位置平均中误差：P P=2.13cm=2.13cm 中国大陆构造环境监测网络中国大陆构造环境监测网络 该该工工程程由由总总参参测测绘绘局局、中中国国地地震震局局、中中国国气气象象局

45、局、国国家家测绘局、中国科学院、教育部共同完成。测绘局、中国科学院、教育部共同完成。中中国国大大陆陆构构造造环环境境监监测测网网简简称称陆陆态态网网络络，是是以以全全球球定定位位系系统统为为主主的的国国家家级级地地球球科科学学综综合合观观测测网网络络。它它以以监监测测地地壳壳运运动动、服服务务地地震震预预测测预预报报为为主主，同同时时服服务务军军事事测测绘绘保保障障、大大地地测测量量和和气气象象预预报报，兼兼顾顾科科研研、教教育育、防防灾灾减减灾灾和和经经济济建建设设。该该网网络络包包括括基基准准网网、区区域域网网、数数据据系系统统三三大部分，已经在大部分，已经在20112011年建成。年建成

46、基准网是陆态工程的框架，基准网是陆态工程的框架，260260个连续观测个连续观测GPSGPS基准站基准站中国陆态网络工程基准网示意图中国陆态网络工程基准网示意图区域网由区域网由20002000个观测站构成，这些站需要进行定期和不定期的复测个观测站构成，这些站需要进行定期和不定期的复测 中国陆态网络工程区域网示意图中国陆态网络工程区域网示意图n 美国大地测量美国大地测量CORSCORS网络网络p CORS CORS项目于项目于19941994年启动，已开展年启动，已开展1 18 8年年p 拥有超过拥有超过13501350个永久个永久GPSGPS观测站观测站p 为美国本土及部分其它地区提供三维精

47、密定位，气象，为美国本土及部分其它地区提供三维精密定位，气象，地球物理应用服务地球物理应用服务 GPSGPS技术用于地壳垂直形变监测技术用于地壳垂直形变监测1 1）有有可可能能利利用用GPSGPS观观测测直直接接得得到到毫毫米米级级的的大大地地高高数数据据。重重复复GPSGPS观观测测可可以以求求定定大大地地高高的的变变化化（或或站站心心坐坐标标系系的的U U分分量量的变化）的变化）2 2）由由于于椭椭球球体体法法线线与与该该点点夹夹角角很很小小（通通常常为为“分分”的的量量级级），大大地地高高和和正正常常高高方方向向基基本本重重合合，所所以以可可以以用用大大地地高高的的变变化化代代替替正正常

48、常高高的的变变化化，也也就就是是可可以以利利用用重重复复GPSGPS观观测测取取代代精精密水准以监测地面的升降变化密水准以监测地面的升降变化GPSGPS测测量站坐量站坐标系的标系的U U分量分量与正常与正常高变化高变化的关系的关系U U与与h h的关系的关系为过为过B B点似大地水准面垂线与过点似大地水准面垂线与过A A点的球半径之间的夹角点的球半径之间的夹角的大小与的大小与B B点处的垂线偏的大小及局部椭球局部点处的垂线偏的大小及局部椭球局部ITRFITRF的定向有关，是个微小量的定向有关，是个微小量 当当A A，B B两点间相距不大时两点间相距不大时（110kmd=m,rd=m,相应的真误

49、差为相应的真误差为r r,非拟准观测非拟准观测的真误差为的真误差为 。在如下条件下，求解秩亏方程。在如下条件下，求解秩亏方程(3.1)(3.1)为了说明求解由式为了说明求解由式(3.1)和式和式(3.2)组成的联合方程组的意义，先讨组成的联合方程组的意义，先讨论一般情况，即在式论一般情况，即在式(3.1)基础上，附加适当要求的条件，得到如基础上，附加适当要求的条件，得到如下方程组下方程组其中：其中：R+RL=R(+L)是拟合残差，是拟合残差，G是系数阵，是系数阵，w是是m维常维常数向量。数向量。(3.3a)(3.3b)式式(3.3b)是是需要满足的需要满足的m个独立条件，假设个独立条件，假设R

50、和和G的行向量是线性无关的。的行向量是线性无关的。(3.2)构造拉格朗日函数构造拉格朗日函数并求条件极值，得法方程并求条件极值，得法方程=进一步可得进一步可得其中其中设选择了设选择了r r个拟准观测，个拟准观测，rd=m,rd=m,相应的真误差为相应的真误差为 ,非拟准观测的真误差为非拟准观测的真误差为 附加条件为附加条件为类似前面有类似前面有真误差的拟准解真误差的拟准解可以证明可以证明 这就是说真误差的拟准解这就是说真误差的拟准解 是在附加拟准观是在附加拟准观测真误差范数极小的条件下得到的。如果拟准观测选择正确，附加的条件是测真误差范数极小的条件下得到的。如果拟准观测选择正确，附加的条件是符