最新全球重力数据库V23中陆域重力资料质量评估

引用本文

张春灌, 袁炳强, 张国利. 最新全球重力数据库V23中陆域重力资料质量评估[J]. 地球科学进展, 2017, 32(1): 75-82.
Zhang Chunguan, Yuan Bingqiang, Zhang Guoli. .Quality Evaluation of Land Gravity Data in the Latest Global Gravity Database V23[J]. Advanced Earth Science, 2017, 32(1): 75-82. 复制到剪切板

Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.01.0075
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最新全球重力数据库V23中陆域重力资料质量评估

张春灌¹, 袁炳强¹, 张国利²

1.西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西西安 710065

2.中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170

作者简介:张春灌(1981-),男,江西于都人,副教授,主要从事综合地球物理勘探及构造地球物理研究.E-mail:chunguan-zhang@163.com

基金资助:*中国地质调查局项目“新疆东部地质—地球物理资料综合研究”(编号:121201011000150012-01); 西安石油大学项目“新疆东北部盆地基底构造属性及盆山构造关系研究”(编号:2016BS10)资助.

摘要

为了评估最新全球重力数据库V23中陆域重力资料的质量问题,选择了美国、秘鲁、爱尔兰、南非、肯尼亚、澳大利亚、中国等7个国家的8个区块约133万km²的重力数据进行对比分析。基于V23中自由空间重力异常数据,利用纯球坐标系内重力校正方法获得了这些区块的计算布格重力异常。利用相关分析的方法对这些区块的实测布格重力异常和计算布格重力异常进行相关分析,得到了相应的相关系数。通过对实测布格重力异常和计算布格重力异常之间相关系数及差值特征的综合分析,评估了全球重力数据库V23中选取的8个区块重力数据的质量。研究结果表明,斯克里普斯海洋研究所发布的最新全球重力数据库V23中陆域重力资料融合了大量测量年代较早的地面重力数据或者航空重力数据,而近十几年新完成的地面重力资料或者航空重力资料可能未融合进该数据库。具有大量年代较早的地面或者航空重力测量资料的区域,该数据库中陆域重力资料的质量较高,而重力工作程度较低的区域,其资料的质量则较低。

关键词: 质量评估; 陆域重力资料; 全球重力数据库; 斯克里普斯海洋研究所

中图分类号:P312.9 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)01-0075-08

Quality Evaluation of Land Gravity Data in the Latest Global Gravity Database V23

Zhang Chunguan¹, Yuan Bingqiang¹, Zhang Guoli²

1.School of Earth Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China;

2.Tianjin Geological Survey Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China

First author:Zhang Chunguan (1981-), male, Yudu County, Jiangxi Province, Associate professor. Research areas include integrated geophysical exploration and tectonophysics. E-mail:chunguan-zhang@163.com

Fund:Project supported by the China Geological Survey Project “Integrated study of the geological data and geophysical data in Eastern Xinjiang” (No. 121201011000150012-01); Xi’an Shiyou University Project “Tectonic attribute of basin basement and basin-mountain tectonic relation of the Northeastern Xinjiang” (No. 2016BS10).

Abstract

In order to evaluate the quality of the land gravity data in the latest global gravity database V23, the authors chose the gravity data of eight blocks with a total area of 1 330 000 km² to compare and analyze, and these blocks involved seven countries, including the United States, Peru, Ireland, South Africa, Kenya, Australia, and China. Based on the free-air gravity anomaly data of the latest global gravity database V23, the authors obtained the calculated Bouguer gravity anomaly using the gravity correction methods within the pure spherical coordinate system in these eight blocks. Then, the correlation coefficients between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly were calculated by the correlation analysis method in these eight blocks. Finally, through comprehensive analysis of the features of these correlation coefficients and differences between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly in these eight blocks, the quality of the gravity data of these eight blocks was evaluated in the latest global gravity database V23. The results showed that the latest global gravity database V23, released by Scripps Institution of Oceanography, integrated a large number of the ground or airborne gravity data measuring in an earlier era, and the newly surveyed ground or airborne gravity data may not be integrated into the database. The quality of land gravity data is relatively high in the areas with a large number of older ground or airborne gravity data, otherwise it is low in the zones with a lower gravity working degrees.

Keyword: Quality evaluation; Land gravity data; Global gravity database; Scripps Institution of Oceanography.

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1 引言

2014年10月, 加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego)发布了最新全球海域自由空间重力数据库V23, 其数据覆盖了80.738° S~80.738° N的区域。虽然该重力数据库被称为全球海洋重力(Global marine gravity)数据库, 但是上述范围内的陆域亦有相应的重力数据。海域重力数据基于卫星测高数据计算而来^[1~3], 数据精度较高。现代卫星测高重力异常精度达到4× 10^-5m/s²左右、空间分辨率接近8 km, 可以满足1∶ 100 万比例尺面积性海洋重力工作的需要^[4~8]。陆域重力数据没有明确的来源, 可能融合了卫星重力数据、航空重力数据、地面重力数据等多种数据。不同地区重力工作程度差异较大, 使得陆域重力数据精度在不同地区差异较大, 完全基于卫星重力的区域其异常精度较低^[9~11], 而主要基于航空重力数据及地面重力数据的区域其异常精度显然较高。重力数据在资源勘探、国家安全、军事等领域具有重要的应用价值^[12~14], 在人们使用最新全球重力数据库V23中陆域重力资料时, 显然涉及资料质量的高低问题。

本文拟基于全球重力数据库V23中自由空间重力异常数据以及高精度地形高程数据, 计算陆域不同地区的布格重力异常, 并对计算的布格重力异常与实测布格重力异常进行对比分析, 进而对这些地区重力资料质量进行评估。

2 方法与技术

2.1 纯球坐标系内重力校正

利用全球重力数据库V23中自由空间重力异常资料计算布格重力异常, 本文采用纯球坐标系内重力校正方法进行地形校正以及中间层校正^[15]。

球坐标系内重力地形校正和中间层校正, 就是要消除水准面到观测面之间的质量在测点处产生的重力值。按照中华人民共和国国土资源部发布的《区域重力调查规范》(DZ/T 0082-2006)规定, 上述2项校正的计算范围为0~166.7 km。

定义地壳中“ 球壳型扇形地块” 为:具有球壳的曲率, 上下表面之间的厚度为(R₂-R₁), 东西侧面与z轴之间夹角之差为(θ ₂-θ ₁)。该扇形地块南北侧面的纬度分别为φ ₂(φ ₂=90° -θ ₂)和φ ₁(φ ₁=90° -θ ₁)。则该球壳型扇形地块在由地心出发、向上过北极的z轴上产生的Δ g(z_i)表达式为:

Δ g(z_i)= $\begin{matrix} \frac{(λ_{2} - λ_{1})}{360 °} \end{matrix}$ × $\begin{matrix} \frac{2 πGρ z_{i}}{3} \end{matrix}$ × $\begin{matrix} \{[{(\frac{r}{z_{i}})}^{2} + (\frac{r}{z_{i}}) cosθ + 3 co s^{2} θ - 2] \end{matrix}$ × $\begin{matrix} \sqrt[]{{(\frac{r}{z_{i}})}^{2} - 2 (\frac{r}{z_{i}}) cosθ + 1} \end{matrix}$ -3cosθ sin²θ

× ln $\begin{matrix} [\frac{r}{z_{i}} - cosθ + \sqrt[]{{(\frac{r}{z_{i}})}^{2} - 2 (\frac{r}{z_{i}}) cosθ + 1}]\} \end{matrix}$ |r=R₂, θ =θ ₂r=R₁, θ =θ ₁=Δ g(z_i, r=R₂, θ ₂, θ ₁)-Δ g(z_i, r=R₁, θ ₂, θ ₁) (1)

为了使每一个重力测点P均成为“ 北极点” , 需要计算出每一个地形点Q相对于该“ 北极点” P的经度和纬度。为此要借助于球面三角公式:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} α = \arccos [sinφ \cdot \sin φ_{0} + cosφ \cdot \cos φ_{0} \cdot \cos (λ - λ_{0}) \\ β = \arctan [\frac{cosφ \cdot \sin (λ - λ_{0})}{sinφ \cdot \cos φ_{0} - cosφ \cdot \sin φ_{0} \cdot \cos (λ - λ_{0})}] \end{matrix} \end{matrix}$ (2)

式中:(λ ₀, φ ₀)和(λ , φ )分别是重力测点P和地形点Q的地理经纬度, (λ -λ ₀)是Q点和P点的经度差。

公式(1)~(2)即可实现重力地形校正值的计算。在极限情况下, 即z_i=R_i=R₂, R₁=R₀, θ ₁=0° , θ ₂=θ , λ ₂-λ ₁时, 按洛必达极限法则可推导出中间层校正计算公式。

2.2 相关分析

为了详细分析实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的关系, 本文利用了相关分析方法^[16]。

现象之间的相互联系, 常表现为一定的关系, 其中一个或若干个起着影响作用的变量用X表示, 与之相关的另一现象变量用Y表示。通常用相关系数r来表征这2个量的相互关联程度。

r= $\begin{matrix} \frac{\frac{\sum (x - \overset{̅}{x}) (y - \overset{̅}{y})}{n}}{\sqrt[]{{\frac{\sum (x - \overset{̅}{x})}{n}}^{2}} \sqrt[]{{\frac{\sum (y - \overset{̅}{y})}{n}}^{2}}} \end{matrix} = \begin{matrix} \frac{\sum (x - \overset{̅}{x}) (y - \overset{̅}{y})}{\sqrt[]{\sum {(x - \overset{̅}{x})}^{2}} \sqrt[]{\sum {(y - \overset{̅}{y})}^{2}}} \end{matrix}$ (3)

式中:n是变量X的个数, $\begin{matrix} \overset{̅}{x} \end{matrix}$ 是变量X的平均值, $\begin{matrix} \overset{̅}{y} \end{matrix}$ 是变量Y的平均值。

相关系数r的取值范围:-1≤ r≤ 1。r> 0为正相关, r< 0为负相关; |r|=0表示不存在相关关系; |r|=1表示完全线性相关; 0< |r|< 1表示存在不同程度线性相关; |r|≤ 0.3为不存在线性相关; 0.3< |r|≤ 0.5为低度线性相关; 0.5< |r|≤ 0.8为显著线性相关; |r|> 0.8为高度线性相关。

3 对比与分析

鉴于海域卫星测高重力异常精度较高, 已经用于中等比例尺的海洋地质与资源调查工作^[4], 因此本文对于全球重力数据库V23中海域数据不进行对比与分析, 主要是对于陆域的重力数据进行对比与分析。作者选择了爱尔兰、美国、中国等北半球3个国家的4个区块以及澳大利亚、南非、秘鲁、肯尼亚等南半球4个国家的4个区块进行了数据的对比与分析, 区块分布见图1。所选的8个区块分布于六大洲的不同纬度、不同海拔、不同重力工作程度的地区, 总面积约133万km²。地形高程数据利用斯克里普斯海洋研究所于2014年11月发布的最新全球地形高程数据库SRTM30_PLUS V10, 数据覆盖了80.738° S~80.738° N的区域^{[17, 18]}。作者首先基于全球重力数据库V23中提取的自由空间重力异常数据和地形高程数据库SRTM30_PLUS V10, 利用纯球坐标系内重力校正方法对所选取的8个区块进行地形校正以及中间层校正, 获得这些区块的计算布格重力异常, 然后利用相关分析的方法对所选取8个区块的实测布格重力异常和计算布格重力异常分别进行相关分析, 获得相应的相关系数, 结果见图2和图3。

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	图1 数据对比区块分布图Fig.1 The block distribution map for data comparison

图2为澳大利亚、南非、秘鲁、肯尼亚等南半球4个国家的4个区块的数据对比图。其中, 澳大利亚区块的实测布格重力异常(图2(a1))数据来源于澳大利亚矿产资源局于1979年出版的1∶ 1 000万全国布格重力异常图^[19]; 南非区块的实测布格重力异常(图2(b1))数据来源于Webb等^[20]于2004年发表的布格重力异常图, 该图数据整合了1939— 1986年的地面重力资料; 秘鲁区块的实测布格重力异常(图2(c1))数据来源于早期的地面重力路线测量资料, 重力测点分布见图2(c4); 肯尼亚区块的实测布格重力异常(图2(d1))数据来源于2008年实测的1∶ 25万地面重力资料^[21], 重力测点分布见图2(d4)中的黑色十字点, 而早期该地区有地面重力路线测量资料(图2(d4))。

澳大利亚及南非区块的实测布格重力异常与计算布格重力异常之间存在明显的相关关系, 这种相关关系在相关系数图(图2(a4)和图2 (b4))上有非常明显的显示。相关系数大于0.8的区域占绝大多数, 仅有很小面积的相关系数为0.5~0.8, 表明计算布格重力异常与实测布格重力异常的变化特征一致性非常好。澳大利亚区块实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值绝对值小于10× 10^-5m/s²的区域占总面积的97.99%, 而南非区块则为87.79%, 表明这2种数据的差异总体较小(图2(a3)和图2 (b3))。实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的相关系数及差值特征表明, 全球重力数据库V23中澳大利亚及南非区块的重力数据质量较高, 可能融合了地面重力资料或者航空重力资料。

秘鲁区块实测布格重力异常与计算布格重力异常之间宏观上呈一定的相关关系(图2c), 而肯尼亚区块实测布格重力异常与计算布格重力异常之间宏观上并无明显的相关关系(图2d)。秘鲁区块相关系数大于0.8的区域约占一半面积, 和重力测点分布基本一致; 相关系数介于0.5~0.8的面积较小, 而介于-0.9~0.5的面积较大, 基本处于无重力测点分布的区域(图2(c4))。肯尼亚区块相关系数大于0.8的区域仅占很小的面积, 和早期的重力路线测点分布基本一致; 相关系数介于0.5~0.8的面积也较小, 而介于-1~0.5的面积则较大(图2(d4))。秘鲁区块实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值绝对值小于10× 10^-5m/s²的区域占总面积的58.01%, 而肯尼亚区块则为82.17%, 表明这2种数据的差异在肯尼亚区块总体较小, 秘鲁区块则较大(图2(c3)和图2 (d3))。实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的相关系数及差值特征表明, 全球重力数据库V23中秘鲁及肯尼亚区块可能融合了早期的重力路线测量资料, 这些重力测点较少, 以致重力数据总体质量较低, 而在重力测点较密集的局部区域的数据质量则较高。

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图2 南半球区块数据对比图
(a)澳大利亚区块; (b)南非区块; (c)秘鲁区块; (d)肯尼亚区块; 1.实测布格重力异常; 2.计算布格重力异常; 3.实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值; 4.实测布格重力异常与计算布格重力异常的相关系数; c4中黑色十字点为重力路线测点; d4中黑色十字点为2008年重力测点、红色圆点为早期重力路线测点Fig.2 The data comparison map in the Southern Hemisphere
(a)Australia block; (b)South Africa block; (c)Peru block; (d)Kenya block; 1.Measured Bouguer gravity anomaly; 2.Calculated Bouguer gravity anomaly; 3.The difference between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly; 4.The correlation coefficient between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly; The black cross points are the points of gravity lines in c4; The black cross points are the gravity points in 2008 and the red dots are the points of early gravity lines in d4

图3为爱尔兰、美国、中国等北半球3个国家的4个区块的数据对比图。其中, 爱尔兰区块的实测布格重力异常(图3(a1))数据来源于Readman等^[22]于1997年发表的布格重力异常图, 该图数据整合了1987年以前的地面重力资料, 原始重力测点密度为0.42点/km², 相当于点距为1.55 km; 美国区块的实测布格重力异常(图3(b1))数据来源于Seeley等^[23]于2003年发表的布格重力异常图, 该图数据整合了1997年以前的地面重力资料; 渭河区块的实测布格重力异常(图3(c1))数据来源于1991年编制的1∶ 50万布格重力异常图; 青藏区块的实测布格重力异常(图3(d1))数据来源于2006年完成的1∶ 100万地面重力资料^[24]。

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图3 北半球区块数据对比图
(a)爱尔兰区块; (b)美国区块; (c)渭河区块; (d)青藏区块; 1.实测布格重力异常; 2.计算布格重力异常; 3.实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值; 4.实测布格重力异常与计算布格重力异常的相关系数Fig.3 The data comparison map in the Northern Hemisphere
(a)Ireland block; (b)America block; (c)Weihe block; (d)Qinghai Tibet block; 1.Measured Bouguer gravity anomaly; 2.Calculated Bouguer gravity anomaly; 3.The difference between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly; 4.The correlation coefficient between the measured Bouguer gravity anomaly and the calculated Bouguer gravity anomaly

爱尔兰区块实测布格重力异常与计算布格重力异常之间存在明显的相关关系(图3(a4)), 相关系数大于0.8的区域占绝大多数, 仅有很小面积的相关系数介于0.5~0.8以及中北部极小面积的相关系数介于0.3~0.5。该区块实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值绝对值小于10× 10^-5m/s²的区域占总面积的99.93%, 表明这2种数据的差异总体很小(图3(a3))。实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的相关系数及差值特征表明, 全球重力数据库V23中该区块可能融合了地面重力资料, 重力数据总体质量较高。

美国及渭河区块实测布格重力异常与计算布格重力异常之间宏观上呈明显的相关关系, 相关系数大于0.8的区域占大多数(图3(b4)和图3 (c4))。美国区块中北部有大面积相关系数介于0.5~0.8以及北部边缘处有小面积相关系数介于0.2~0.5, 表明计算布格重力异常与实测布格重力异常在该区中北部一致性较差; 渭河区块北部和南部有大面积相关系数介于0.5~0.8以及小面积相关系数介于0.1~0.5, 表明计算布格重力异常与实测布格重力异常在该区北部和南部一致性较差。美国区块实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值绝对值小于10× 10^-5m/s²的区域占总面积的29.99%, 而渭河区块则为85.31%, 表明这2种数据的差异在渭河区块总体较小, 美国区块则较大(图3(b3)和图3(c3))。实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的相关系数及差值特征表明, 全球重力数据库V23中美国及渭河区块的重力数据可能融合了地面重力资料, 但是美国区块的重力异常数值可能做过适当的处理, 所以渭河区块重力数据总体质量较高而美国区块重力数据总体质量较低。

青藏区块实测布格重力异常与计算布格重力异常之间无明显的相关关系(图3(d4)), 相关系数皆小于0.8, 介于0.5~0.8的面积亦非常小, 表明实测布格重力异常与计算布格重力异常的变化特征一致性很差。该区块实测布格重力异常与计算布格重力异常的差值绝对值小于10× 10^-5m/s²的区域占总面积的43.52%, 表明这2种数据的差异较大(图3(d3))。实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的相关系数及差值特征表明, 全球重力数据库V23中青藏区块的重力数据总体质量很低。

4 结语

上述8个区块的数据对比与分析表明, 斯克里普斯海洋研究所发布的最新全球重力数据库V23中陆域重力资料融合了大量测量年代较早的地面重力数据或者航空重力数据, 而近十几年新完成的地面重力资料或者航空重力资料可能未融合进该数据库。也就是说, 对于该数据库中陆域重力资料, 具有大量年代较早的地面或者航空重力测量资料的区域, 其数据质量较高, 而那些重力工作程度较低的区域, 其数据质量则较低。

鉴于不同地区重力资料质量不同, 在利用全球重力数据库V23中陆域重力资料时, 可以先查询所涉及工作区的重力资料分布情况或者重力工作程度情况(比如GETECH地球物理公司可以查询), 然后再分析该区重力资料质量的高低。

The authors have declared that no competing interests exist.

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[21]	Yuan B, Xie W, Liu G, et al. Gravity field and tectonic features of Block L2 in the Lamu Basin[J]. Geophysical Prospecting, 2012, 60(1): 161-178. [本文引用:1]
[22]	Readman P W, O’Reilly B M, Murphy T. Gravity gradients and upper-crustal tectonic fabrics, Ireland [J]. Journal of the Geological Society, 1997, 154: 817-828. [本文引用:1]
[23]	Seeley J M, Rand y Keller G. Delineation of subsurface Proterozoic Unkar and Chuar Group sedimentary basins in northernArizona using gravity and magnetics: Implications for hydrocarbon source potential[J]. AAPG Bulletin, 2003, 87: 1 299-1 321, doi: DOI:10.1306/0319.03200198. [本文引用:1]
[24]	Zhang Minghua, He Hao, Qiao Jihua, et al. Integration of Regional Gravity Survey in Qinghai-Tibet Plateau[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2015. [张明华, 贺颢, 乔计花, 等. 青藏高原区域重力调查成果综合研究[M]. 北京: 地质出版社, 2015. ] [本文引用:1]

2014

0.0

... 海域重力数据基于卫星测高数据计算而来^[1~3],数据精度较高 ...

2009

0.0

2013

0.0

... 海域重力数据基于卫星测高数据计算而来^[1~3],数据精度较高 ...

2005

0.0

. 2005, 29(4):295-298 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-8918.2005.04.004

Resolution of modern satellite altimetric gravity anomaly and its application to marine geological survey

现代卫星测高重力异常分辨能力分析及在海洋资源调查中应用

Zhang Minghua , Zhang Jiaqiang.

张明华, 张家强

m/sl or so and thus can be used in 1∶1 million regional marine gravity survey. Suggestions on marine gravity work for marine oil and gas resources and geological survey in China are also put forward in this paper.

... 100 万比例尺面积性海洋重力工作的需要^[4~8] ...

... 3 对比与分析鉴于海域卫星测高重力异常精度较高,已经用于中等比例尺的海洋地质与资源调查工作^[4],因此本文对于全球重力数据库V23中海域数据不进行对比与分析,主要是对于陆域的重力数据进行对比与分析 ...

2015

0.0

. 2015, 35(1):40-44 DOI:doi:10.14075/j.jgg.2015.01.009

Inversion of marine gravity anomalies and geoid using multi-satellite altimeter data

利用多代卫星测高数据反演海洋重力异常及大地水准面

Liang Ziliang , Chen Lu , Xie Kun

梁子亮, 陈路, 解琨

Multi-satellite altimeter data were used to study and the method of combined crossover adjustment was completed.Systematic bias might be reduced with the method.The meridional component and prime vertical component of the residual vertical deflections of Zhejiang offshore were determined using the weighted method of alongtrack least squares with an appropriate search radius.On the basis of removerestore method and FFT technology，the gravity anomaly model and geoid model gridded with a spatial resolution of 2.5′ of Zhejiang offshore were determined using the residual vertical deflections with an appropriate integration radius，under the consideration of effects of innermost zone.The gravity anomaly computed by the method was compared with the shipborne gravity，the RMS of the difference is ±5.231 58 mGal.The marine geoid was compared with the results calculated with EGM96 and EGM2008，the RMS of the difference is ±0.694 57 m and ±0.029 51 m.

联合多代卫星测高数据，研究并实现了多种测高数据联合交叉点平差方法，削弱了数据内部系统性偏差；采用沿轨迹加权最小二乘方法，选取适当的搜索半径，确定了浙江近海剩余垂线偏差子午分量ξ和卯酉分量η；基于移去恢复方法和FFT技术，利用剩余垂线偏差，考虑最内圈带的影响，选取适当的积分半径，反演得到了浙江近海高分辨率的重力异常模型和大地水准面模型；将浙江近海重力异常与船测重力进行比较，差值的均方根为±5.231 58 mGal；将浙江近海大地水准面与EGM96及EGM2008模型大地水准面进行比较，差值的均方根分别为±0.694 57 m及±0.029 51 m。

2015

0.0

. 2015, 39(12):130-134 DOI:doi:10.11759/hykx20141023001

Calculation of gravity anomalies over China Sea and its vicinity based on multi-generation satellite altimetry data

利用多代卫星测高数据计算中国近海及邻域重力异常

Liu Shanwei , Li Jiajun , Wan Jianhua

刘善伟, 李家军, 万剑华

To improve the accuracy and spatial resolution of marine gravity field data, we jointly used satellite altimetry data from Geosat, ERS-1/2, ENVISAT, T/P, Jason-1, and Jason-2 to calculate 2 ft × 2 ft gravity anomalies over China’s offshore and adjacent areas (0°-42°N, 100°-140°E). After performing collinear processing and self-crossover adjustments to these satellite altimetry data, we took the T/P data as the reference data for the multi-satellite data combined adjustment to weaken the time-varying influence and coordination. Then, we calculated gravity anomalies using the inverse Vening Meinesz formula. Compared with shipborne gravity data, the accuracy was 5.4 mgal. The results showed that the determination of marine gravity anomalies could be improved using multi-satellite altimetry data and making corresponding adjustments.

为提高海洋重力场数据的精度和空间分辨率, 联合Jason-1/2、T/P、Envisat、ERS-1/2、Geosat等多代卫星测高数据计算中国近海及邻域(0°～42°N, 100°～140°E)2′×2′重力异常。对卫星测高数据分别进行共线处理和自交叉点平差, 并以T/P 卫星测高数据为基准进行多星数据联合平差, 有效削弱了卫星测高数据的时变影响和不协调性; 利用逆Vening-Meinesz 公式计算重力异常, 与船测重力相比, 均方根误差为5.4 mgal。结果表明, 通过引入高精度的卫星测高数据, 结合多项平差处理手段, 提高了海洋重力异常的计算精度。

2016

0.0

. 2016, 36(1):11-14 DOI:doi:10.3969/j.issn.1671-3044.2016.01.003

Inversion of the gravity anomalies by using multi-generation satellite altimeter data in the South China Sea

联合多代卫星测高资料反演中国南海重力异常

Guan Yihe , Sheng Hui , Liu Shanwei

管一鹤, 盛辉, 刘善伟

联合HY-2A、Geosat、ERS1/2、Envisat、T/P、Jason1/2等多颗测高卫星,通过共线处理和交叉点平差削弱海面时变效应和径向轨道误差等影响,以Jason-1测高卫星作为参考,对多代测高卫星进行基准统一,消除测高数据的不一致性,基于全球EGM2008重力场模型,采用移去恢复技术和逆Vening-Meinesz公式反演中国南海(0°~23°N,103°~120°E)2'×2'重力异常,与船测重力数据比较,均方根误差为4.9m Gal。

2015

0.0

. 2015, 30(11):1 231-1 238 DOI:doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2015.11.1231

Gravity and magnetic characteristics of the Weddell Sea and its tectonic significance

威德尔海的重磁场特征及其构造意义

Hu yi , Wang Liming , Zhong Guicai

胡毅, 王立明, 钟贵才

The Weddell Sea is the largest marginal sea in the Antarctic. Gravity and magnetic data,historical documents and the research products of tectonic evolution of the Weddell Sea have been comprehensively collected in order to describe the characteristics of magnetic and gravity fields and the opening history. In the north and central Weddell Sea, the gravity field is characterized by a dominant “herringbone” pattern of evenly spaced NW-SE trending fracture zones. A series of curving, concave up, predominantly east-west trending magnetic anomaly are lying on the Weddell Sea gravity herringbone. The continental shelf edge of the Weddell Sea is well marked by the prominent gravity anomaly high till the southern edge of the Weddell Sea. However, the magnetic anomaly is different in western edge and the southern edge of the Weddell Sea. The initial north-south rifting and opening of the proto-Weddell Sea has already occurred (150 Ma), then the transition to east-west spreading has occurred (140 Ma), African and South American system is well established in about 120 Ma. The spine of the Weddell herringbone of formed during that time.

威德尔海是南极洲最大的边缘海。通过搜集威德尔海的重磁资料、历史文献以及总结前人的相关研究成果,介绍了威德尔海的重磁场基本特征以及指示的构造意义。威德尔海最显著的重力特征是在威德尔海的中北部分布着以鲱骨式结构展布的一系列NW-SE向重力异常,其上可见一系列弧形、上凹的以E-W为主要方向的磁力异常。沿南极半岛陆架边缘的重力高一直可延伸到南侧海域,高值区与陆架平行,但是在磁异常上反映不明显。威德尔海原始海盆的形成约在150 Ma,并伴随南北向张裂,随后在140 Ma发生东西向扩张,到约120 Ma异常形成现代南极洲、非洲和南美洲板块的分布格局,鲱骨式结构异常脊也形成于该时期。

... 100 万比例尺面积性海洋重力工作的需要^[4~8] ...

2012

0.0

. 2012, 27(2):404-408 DOI:doi:10.6038/j.issn.1004-2903.2012.02.003

Gravity anomaly detected by GOCE satellite in China

GOCE卫星监测的中国区域重力异常

Xu Haijun , Zhang Yongzhi , Duan Hurong

徐海军, 张永志, 段虎荣

The methods of computing and analyzing gravity anomaly were introduced in this paper. The gravity anomaly in China(70皛130癊,15皛55癗) were calculated using the latest GOCE gravity field model data (from Oct.2009 to Jul.2010). In order to analyze the relationship among the gravity anomaly, the regional geological tectonics and the seismic activities, we compare the computing result with the topographical data and partial strong earthquakes in the study region. The result shows that the spatial distribution characteristics of gravity anomaly computed by GOCE data had good consistency with the geological tectonics in this region. On the other hand, the strong earthquakes usually occurred in the steep gravity gradient zone.

介绍了利用最新一代重力卫星GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)重力场模型数据计算重力异常的原理和方法,采用最新发布的GOCE重力场模型数据(2009年10月-2010年7月)计算了中国区域(70°~130°E,15°~55°N)的重力异常,为了进一步分析重力异常与区域地质构造及地震活动性的对应关系,将计算结果与中国区域地形、地震活动区域等资料进行了对比分析,结果表明利用GOCE重力场模型数据计算的重力异常能够较好的反映区域地质构造分布特征,而且强震震中通常位于重力异常变化剧烈的高梯度带上.

... 不同地区重力工作程度差异较大,使得陆域重力数据精度在不同地区差异较大,完全基于卫星重力的区域其异常精度较低^[9~11],而主要基于航空重力数据及地面重力数据的区域其异常精度显然较高 ...

2015

0.0

. 2015, 30(8):855-862

Key technologies of Earth observation satellite data integration system under big data environment

大数据环境下卫星对地观测数据集成系统的关键技术

Xie Rong , Liu Yawen , Li Xiangxiang.

谢榕, 刘亚文, 李翔翔

The establishment of satellite earth observation system is an important means for effective management and application of satellite information resources. From significant demands for earth observation in China as well as cutting-edge scientific issues, we propose some key technologies of developing earth observation satellite data integration system under big data environment, including semantic integration of large heterogeneous earth observation data, fast data processing of satellite remote sensing imagery based on grid, in-depth analysis and knowledge discovery of big satellite data, and collaboration processing of multiple data centers and cloud-platform.It is hoped to provide with new technologies and methods for satellite big data management, analysis and archiving.

建立卫星对地观测数据集成系统是遥感卫星数据信息资源有效管理与应用的重要手段。从我国对地观测重大需求以及前沿科学问题入手,提出大数据环境下卫星对地观测数据集成系统建立中亟待解决的关键技术,包括大容量异构对地观测数据集成的语义技术、基于网格的遥感图像快速处理技术、遥感大数据深度分析技术、多数据中心协同处理及云平台技术,为实现集成卫星图像、地面观测数据和模拟模型的元数据管理、几何精度纠正和卫星数据质量评价、海量卫星图像数据的空间分析与知识发现、分布式高性能卫星图像数据管理和归档等基本功能,为解决海量卫星数据分布式存储与计算、数据集成与互操作、空间数据分析与地学知识发现提供新思路、新技术与新方法。

2015

0.0

. 2015, 30(10):1 127-1 143

Data fusion of offshore SST from China FY and HY2 satellites and its application

中国风云卫星与海洋卫星近海SST资料融合技术及应用研究

Miao Chunsheng , Cheng Yuan , Wang Jianhong

苗春生, 程远, 王坚红

Data fusion of SST from China FY and HY2 satellites was made by American LAPS(Local Analysis Prediction System). The system can ensure the spatial and temporal characteristics of different elements to fit each other in atmospheric motion,and it can provide fusion data with standard format and common corrodinate. The fusion data is suitable to join the quantitative diagnosetic analysis of variables. As the LAPS system has no a special input channel for satellite SST data, the numerical adjustment was done for data input of marine station. According to the different sensing principles of FY and HY2 satellites, and the characteristics of random spatiotemporal variation of satellite SST data, the inversion data of satellites were preprocessed by several steps, including outliers discrimination and elimination, the anomaly gradient discrimination and elimination, the numerical treatment of different satellite scanning grids, and data smoothing, etc . After the testing of different methods, it was verified that through preprocessing, the fusion effect of FY and HY2 satellites SST data was more reasonable and correct. Based on LAPS SST fusion and further statistical tests, it was confirmed that the SST fusion fields could keep the detail description of spatiotemporal features of SST distribution, and also resolved the problem of satillite SST with blank patches along the coastal zones. Furthermore, the SST fusion fields were applied to the diagnostic analysis of themodynamics spatiotemporal variance in air-sea synoptic process in cold waves and cold air invasion to Yellow sea and East China Sea. The results showed that the SST fusion could provide quantitative information and description for meso-scale strength variance, north-south varing difference of SST distribution and sensible heat flux in China offshore regions.

选用美国LAPS（Local Analysis and Prediction System）数据融合系统对中国风云（FY）和海洋（HY）卫星在我国东部海域SST反演数据进行融合处理。该融合系统能够协调区域大气和下垫面海洋要素的时空特征,协调不同要素间的特征状态及匹配规律,生成适合多要素诊断计算的区域规范化数据。针对该系统没有现成的卫星SST反演数据输入接口,对船舶站SST反演数据接口进行了数值调整;依据FY卫星及HY卫星SST数据的不同特点,尤其是随卫星轨道发生的不同时空变化,在输入卫星反演数据至LAPS系统之前, 进行了多项预处理,包括对卫星反演数据异常值的判别与剔除、海陆边界要素异常梯度的鉴别与去除、不同卫星轨道坐标系网格要素的规范化处理、平滑去噪音等。经多项验证,预处理后的FY和HY卫星监测反演数据更有利于LAPS系统资料融合效果的正确性与合理性。再经LAPS系统的数据融合处理和各项验证,融合场既能保持卫星SST精细化的时空特征描述,也弥补了卫星资料非区域全覆盖的局限。将SST融合场对寒潮与冷空气过程中的东部海域海气影响进行热动力物理量时空变化诊断应用,对海面SST和感热通量的中尺度强度演变、南北空间变化差异均给出了量化描述。

2007

0.0

. 2007, 22(4):1 327-1 331 DOI:doi:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.04.044

A number of research directions in geophysics for national security

国家安全地球物理学的若干研究方向

Liu Daizhi.

刘代志

With the certain trend of world multi\|polarization and economic globalization, our national security faces a great challenge although the peace and development are the mainstream of the future. The research field correlated with the national security is so wide that it refers to the space physics, atmosphere physics, military oceanography, space remote sensing physics and solid geophysics. There are many problems are desiderating to be resolved in these regions, in this paper, I listed a series of important problems that are in dire need of solution, and the several research directions of these questions could be concluded as: (1) theory and technological research of the geophysics which possess obvious or potential use value in national security; (2) the research of the geophysics equipments applying in the national security; (3) the research of the theory, method and technique of the data processing; (4) the research of momentousness problems in geophysics for national security. And the research programs are manifold, and each of them has their own research emphases, such as the navy, the land army, the air force and the second artillery which research emphases are different and couldn’t be discussed without exception. For the second artillery army, the research direction should include: (1) the geophysical research problems in the military information detect security; (2) the geophysical research problems in the operational use and operational support (geodesy, meteorology, space weather, remote sensing, etc.); (3) the research of the geophysical weapons and the geophysical war that are correlated with the strategic missile force; (4) the geophysical application research in the defense projects.

世界多极化和经济全球化是一种必然趋势，和平与发展虽然是主流，但我国国家安全形势不容乐观，同样面临严峻的挑战.与国家安全相关的地球物理学研究领域很广，主要涉及空间物理学、大气物理学、军事海洋学、空间遥感物理与监测和固体地球物理学.在这些领域中存在众多需要解决的问题，本文列举了一系列亟需研究的重要问题.在此基础上，笔者归纳出国家安全地球物理学的若干研究方向是：（1）具有明显或潜在国家安全应用价值的地球物理理论、方法技术研究；（2）国家安全地球物理装备（仪器）设施研究；（3）国家安全地球物理学中的数据处理理论、方法和技术研究；（4）重大国家安全地球物理学问题研究.由于国家安全地球物理学的研究任务多种多样、且各有侧重，如海、陆、空和二炮，都有各自的研究重点，不能一概而论.以二炮部队所涉及的军事地球物理学研究而论，研究方向应包括：（1）军事情报侦测保障中的地球物理问题研究（包括侦测与反侦测）；（2）作战运用与保障（测地、气象、空间天气、遥感）中的地球物理问题研究；（3）与战略导弹部队作战相关的地球物理武器和地球物理战研究；（4）国防工程中的地球物理应用研究.

... 重力数据在资源勘探、国家安全、军事等领域具有重要的应用价值^[12~14],在人们使用最新全球重力数据库V23中陆域重力资料时,显然涉及资料质量的高低问题 ...

2007

0.0

. 2007, 22(1):104-111 DOI:doi:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.01.014

Situation and development of marine gravity aided navigation system

海洋重力辅助导航的研究现状与发展

Xu Zunyi , Yan Lei , Ning Shunian

徐遵义, 晏磊, 宁书年

Passive Gravity Aided Navigation (GAN) system is a new type one underwater, which has been researched for several years as new submarine precision navigation system. In this paper, we introduce the main research content and the basic principle of GAN, the situation and development of the gravity sensor, digital map processing and matching theory in home and abroad, especially the architecture and the research results of Gradiometer As an External Navigation Aid (GAEA), Gravity Aided Inertial Navigation System (GAINS) and Universal Gravity Module (UGM). At last, the key technologies and some proposals are given.

海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题，是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后，详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理；从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状，重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果；总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势；最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.

2011

0.0

. 2011, 9(1):11-15 DOI:doi:10.3969/j.issn.1672-4623.2011.01.004

GOCE satellite in the military applications

GOCE重力卫星在军事上的应用前景分析

Wang Liupeng , Guo Yanping , Feng Wei.

王留朋, 郭燕平, 冯炜

对GOCE重力卫星进行了详细的介绍;分析了星上载荷的配置和功能.结合GOCE任务的科学目标,详细分析了其在军事上的应用前景,并列出了军事上重要的应用方向.希望广大测量界人士对GoCE重力卫星应用领域进行更多的利用.

2010

0.0

. 2010, 34(6):1-9

The computation scheme and computation process for gravity correction values within the pure spherical coordinate system

纯球坐标系内各项重力校正值计算方案和过程

An Yulin , Zhang Minghua , Huang Jinming

安玉林, 张明华, 黄金明

The computation project and computation process for gravity correction values within the pure spherical coordinate system are expounded for the first time in this paper. All important formulae in the scheme are educed separately by the authors. The excellences of this computing scheme are as follows: ① By using observational point P as the center of the computation region and by using spherical surface distances am=am-1+Δa·bm-1(m=2,3,…,M) as the radius, the computation region is plotted out as M girdles. Then, By using Δλ0 as the angle interval of radials from P point, all girdles are plotted out as integral N parts. This scheme for plotting out the computation region is extremely precise and its computation precision is very high. ② Under the condition of complex terrain and remarkable different altitudes, the computation precision can be improved by minimizing values of Δa,b and Δλ0. ③ The gravity correction values of very large surveying area will not be confined by the 6°cingulum and the standard map sheet and can directly be computed by using altitude values with longitude and latitude.

在国内，首次阐述了“纯球坐标系内各项重力校正值的计算方案和计算过程”。该计算方案有如下优点：①以观测点P为中心，以球面距离am=am-1+Δa·bm-1(m=2,3,…,M)为半径将计算区划分为M个环带，再以Δλ0为由P点出发射线的角度间隔将所有环带等分为N （整数）份的计算区划分方案是最严密拼接，因而校正值的计算精度相当高。②在地形复杂和相对高差大的情况下，通过减小Δa、b和Δλ0 数值，可进一步提高计算精度。③可以直接采用带有经、纬度坐标的高程数据，进行大面积测区的各项重力校正值计算，而不受6°带和标准图幅限制。

... 1 纯球坐标系内重力校正利用全球重力数据库V23中自由空间重力异常资料计算布格重力异常,本文采用纯球坐标系内重力校正方法进行地形校正以及中间层校正^[15] ...

2014

0.0

... 2 相关分析为了详细分析实测布格重力异常与计算布格重力异常之间的关系,本文利用了相关分析方法^[16] ...

1997

0.0

... N的区域^[17,18] ...

2009

0.0

... N的区域^[17,18] ...

1979

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... 1 000万全国布格重力异常图^[19] ...

2004

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... 南非区块的实测布格重力异常(图2(b1))数据来源于Webb等^[20]于2004年发表的布格重力异常图,该图数据整合了1939— ...

2012

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... 25万地面重力资料^[21],重力测点分布见图2(d4)中的黑色十字点,而早期该地区有地面重力路线测量资料(图2(d4)) ...

1997

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... 其中,爱尔兰区块的实测布格重力异常(图3(a1))数据来源于Readman等^[22]于1997年发表的布格重力异常图,该图数据整合了1987年以前的地面重力资料,原始重力测点密度为0 ...

2003

0.0

... 美国区块的实测布格重力异常(图3(b1))数据来源于Seeley等^[23]于2003年发表的布格重力异常图,该图数据整合了1997年以前的地面重力资料 ...

2015

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... 100万地面重力资料^[24] ...