基于GRACE数据评估黄土高原煤炭开采对地下水储量的影响

黄土高原是我国最大的煤炭能源基地,研究煤炭开采与地下水资源消耗之间的关系具有重要意义。首先,基于GRACE/GRACE-FO数据和GLDAS水文模型,反演2006—2020年黄土高原地下水储量变化;其次,结合采煤数据校正GRACE反演结果中因煤炭开采引起的信号干扰;最后,利用ANN模型模拟黄土高原正常水消耗时空变化趋势,并在此基础上分析煤炭开采对地下水储量变化的影响。研究发现:1)扣除煤炭开采干扰后,2006—2020年黄土高原陆地水储量和地下水储量变化趋势分别为-0.53±0.16 cm/year,-0.66±0.08 cm/year;2)估算黄土高原地区,山西省的矿洞排水分别为-0.17±0.03 cm/year,-0.46±0.05 cm/year,表明黄土高原东部的煤炭开采量造成严重地下水流失;3)在空间上,GRACE反演的地下水扣除拟合的正常水消耗后,地下水消耗值严重的区域与采煤区分布一致,表明煤炭开采是黄土高原东部区域地下水储量消耗的主要驱动因素。揭示了煤炭开采对黄土高原水资源的重要影响,可为黄土高原区域的煤炭资源和水资源管理提供指导。

坐标转换Partial-EIV总体最小二乘方法

在测量数据处理过程中,针对系数矩阵中同时存在随机元素和固定元素的情况,Xu等通过将随机元素分离使EIV模型推广到Partial-EIV模型,并给出基于Partial-EIV模型的总体最小二乘(TLS)算法。文中介绍该算法,并将其应用在平面及空间的坐标转换中,通过与最小二乘(LS)、总体最小二乘(TLS)及加权总体最小二乘(WTLS)方法的比较和分析,验证该算法有效性。

一种相关观测的Partial EIV模型求解方法

Partial errors-in-variables(Partial-EIV)模型作为EIV模型的扩展形式,其构造方式更有规律,解算方法更为简便,能有效应用于实际情况。针对已有Partial EIV模型方法未考虑观测向量和系数矩阵存在相关性这一情况,通过提取观测向量和系数矩阵组成的增广矩阵中非重复出现的随机元素,构建更具一般适用性的Partial EIV模型,在该模型的基础上,将特殊假定条件扩展到不限定观测数据相关性的一般情况,详细推导了观测向量和系数矩阵元素相关且不等精度情况下的加权总体最小二乘方法,通过算例试验,并与目前已有的解决EIV模型相关观测情况下的方法进行了比较分析,研究表明本文方法可以提高计算效率,更具一般性,特别是对于观测向量和系数矩阵中存在常数元素和重复元素的情况。

2022年青海门源M_(W)6.6地震发震构造——来自InSAR和高分影像约束

2022年1月8日,在青海省门源县海原断裂带冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东端发生了M_(W)6.6地震,发育了明显地震地表破裂带.本文基于欧空局哨兵1号雷达影像,利用InSAR技术获取了门源地震的同震形变场,升降轨InSAR同震视线向位移表现出相反的形变特征,量级达到~60 cm左右,同震形变存在非对称性分布特征,结合高分7号观测解译了近断层地表形变.利用InSAR观测反演获得了发震断层参数及详细滑动分布,计算了同震库仑应力变化,并对发震构造及震中区域未来地震危险性进行了分析讨论.结果表明:门源地震至少有两条断裂发生了破裂,主断层对应冷龙岭断裂西段,InSAR确定的最优断层模型显示主断层东段存在沿走向变化特征,西段则在地质解译断层基础上向西延伸,次断层对应地质解译的托莱山断裂东端,两个断裂组成一个平躺的Y型分布.断层最大滑动量约为~3.7 m,断层浅部存在滑动,表明该地震破裂到了地表,地表破裂长度约19 km.主断层滑动主要集中在0~9 km深度范围;次断层滑动主要集中在0~4 km深度范围,InSAR确定的矩震级为M_(W)6.6.库仑应力变化结果显示民乐—大马营断裂、托莱山断裂和冷龙岭断裂中段(即1927年古浪地震未破裂段)未来地震危险性不容忽视.

利用光学影像相关获取2019年Ridgecrest地震序列同震形变

光学影像覆盖范围广,质量越来越高,可以应用于地表形变监测研究。文中以基于ENVI的COSI-Corr作为数据处理平台,通过光学影像获取地表形变。文中选取2019年加州Ridgecrest地震序列覆盖区域。首先,探究哨兵2号影像误差处理过程中横向条带处理方法,对其进行改进;然后,使用哨兵2号光学影像获取Ridgecrest地震序列同震形变,分析地震的地表形变情况,结果显示该次地震产生多个地表破裂,东西向呈拉伸趋势,南北向呈挤压趋势,东西向形变略小于南北向形变,两个方向形变特征表明Ridgecrest地震序列主震是一个右旋走滑地震;最后对Landsat 7和Landsat 8影像分别进行相关,将3种影像进行比较。结果表明在光学影像地表形变监测中,影像分辨率越高,效果和精度越好;同种分辨率的光学影像进行相关处理,也会有不同的结果。研究成果可以为地震反演提供形变数据和约束条件,以及为光学影像的地表形变监测提供参考。

加权总体最小二乘平差方法的比较与分析

介绍了求解加权总体最小二乘问题的Schaffrin-Wieser算法和Mahboub算法以及Amiri-Simkooei算法,通过MATLAB软件编程进行数值模拟实验比较了三种方法在近似垂直、近似水平和普通直线拟合中的应用以及在二维坐标转换参数求解中的应用,并分析了三种算法的区别与联系。

利用GPS和InSAR数据研究地震地壳形变及构造特征

确定断层滑动的大小和分布是地震研究的重要组成部分。同震滑动有助于阐明活动断层的几何形状、强度和摩擦特性,可以用来估计断层带附近应力释放、保持或增加的区域,这些可以作为判断断层和断层附近区域接近破裂或远离破裂的指向标。论文基于InSAR和GPS数据,采用建模、反演等方法对一些典型地震事件的发震参数、断层特征和震后形变机制进行研究。研究内容主要包括。(1)利用Sentinel-1、ALOS-2卫星的SAR数据和GPS站点位移观测数据分析了意大利中部地震序列中4次主要事件的震源参数解和滑动分布模型。

地方高校测绘工程专业“卓越工程师”培养模式改革及效果分析

“六卓越一拔尖”计划是教育部为提高本科教学水平,提升人才培养质量的重要举措。以“卓越工程师”为例,结合东华理工大学测绘工程专业“卓越工程师”十余年培养的经验,详细的分析了测绘工程专业“卓越工程师”培养在组织管理体系、学生遴选、人才培养方案制定、师资队伍建设、实践教育中心开发等方面所进行的探索,然后以2013级到2016级学生为例,从学生的选拔、学习、毕业、就业等方面探讨了“卓越工程师”建设的成效,最后对测绘工程专业“卓越工程师”建设中存在的问题进行了讨论并提出了解决建议。以期为“六卓越一拔尖”计划2.0建设提供参考,为“四新”建设提供借鉴。

基于方差分量估计的2015年尼泊尔M_W7.8地震同震滑动分布

基于三角位错的断层自动剖分方法,联合ALOS-2InSAR和GPS同震位移数据反演了2015年尼泊尔MW7.8地震的发震断层参数及滑动分布.反演中基于赫尔默特方差分量估计方法确定InSAR、GPS水平向与垂直向的3种观测位移数据的相对权比.反演结果显示,方差分量估计方法定权得到的最大滑动量5.5m,大于验前方差定权给出的5.1m的结果,同时前者显示同震破裂沿东南方向传播至接近MW7.3最大余震区域,然后分别继续向北和东南传播约30km,并形成一个滑动空区(slip gap),而后者的结果没有表现出这种显著的滑动空区特征.方差分量估计定权得到的滑动模型能更好地解释观测到的InSAR同震形变场,其拟合残差标准差较验前方差定权的结果减小了2.5cm,GPS的东和北分量的残差标准差分别减小了0.4cm和0.9cm.与两种不同的基于矩形位错的方法相比,利用方差分量估计的三角位错断层自动剖分方法的滑动误差均值和标准差相对最小,其中均值为0.037m,标准差为0.028m,表明该方法得到的滑动模型具有相对更好的无偏性和有效性.

稳健总体最小二乘Helmert方差分量估计

对于总体最小二乘而言,经常需要处理不同精度或者不同类型的观测数据,根据先验方差来定权往往不准确,同时观测数据中可能含有粗差。针对这两个问题,提出稳健总体最小二乘Helmert方差分量估计,将稳健估计和Helmert方差分量估计同时应用于总体最小二乘中。最后通过两个实验的计算结果表明,该方法是可行的、有效的。

总体最小二乘平差问题求解方法的比较

本文研究了总体最小二乘平差的两类方法,包括奇异值分解法和迭代解法,并且对两类方法进行比较。运用MATLAB软件对直线的多种情况进行了数据模拟,比较分析了总体最小二乘平差的不同方法以及最小二乘方法的结果,发现奇异值分解法与迭代解法的结果是一致的;迭代解法是从测量平差角度推导得到的,更适用于测量数据处理。

利用GRACE/GRACE-FO重力卫星探测黄河流域水储量能力及极端气候发生的可能性

基于2004~2021年GRACE/GRACE-FO重力卫星数据反演黄河流域陆地水储量时空变化,并构建干旱指数模型和洪水因子模型,对黄河流域的极端气候现象进行分析研究。结果表明,2004~2021年黄河流域的陆地水储量以0.56 cm/a的速度减少,具有明显的季节周期性特征,在夏季和秋季呈盈余状态,春季和冬季呈亏损状态;干旱指数模型监测到期间黄河流域发生极度干旱事件22次、重度干旱事件37次,干旱事件范围涵盖整个黄河流域;洪水因子模型探测到黄河流域共发生洪水事件118次,多出现在夏季和秋季雨水较为丰沛的时候,期间黄河流域陆地水储量能力较弱,降雨量增大。利用GRACE/GRACE-FO重力卫星数据构建的干旱指数模型和洪水因子模型探测的气象结果与实际观测结果较为符合,能真实反映黄河流域发生的极端气候,可为极端气候研究提供有利工具。

利用GPS数据反演震源参数的单纯形组合加权距离灰狼优化算法

针对地震震源参数反演优化问题,提出了一种改进的灰狼优化(grey wolf optimizer, GWO)算法来反演震源参数。首先,采用基于余弦规律的非线性递减收敛因子策略的加权距离GWO(weighted distance GWO, wdGWO)算法来代替原来的线性递减算法。随后,配置了改进wdGWO算法和单纯形算法的组合方法,引入后者算法是为了稳定前者算法的性能。因此,组合算法(简称GWOS)在收敛性和稳定性方面都具有良好的优势。最后,通过实验测试来评估基本的wdGWO算法、遗传算法(genetic algorithm,GA)和GWOS的性能。仿真实验结果表明,GWOS对震源参数的估计优于wdGWO算法,具有良好的稳定性和准确性;GWOS既可以达到GA的反演精度,又表现出了更好的参数稳定性。将该算法应用于2014年纳帕地震和2017年博德鲁姆-科斯地震,不同类型地震的反演结果表明GWOS具有良好的实用性和可靠性。

InSAR同震地表三维形变反演:一种顾及形变梯度的联合解算方法

同震地表三维形变场是对地震引起的地表形变在真实空间中最直观的描述,在地震形变研究中,同震地表三维形变场的恢复具有重要意义。针对目前地表三维形变解算方法存在的不足和缺陷,提出了一种顾及形变梯度的同震地表三维形变场联合解算方法。该方法利用形变梯度信息将合成孔径雷达干涉(interferometric synthetic aperture radar,In⁃SAR)观测的形变区域分解成形变梯度近似相等的互不相交的子区域,然后根据子区域内观测值数量选择加权最小二乘法(weighted least square,WLS)或基于应力-应变模型(stress-strain model,SM)和方差分量估计(variance components es⁃timation,VCE)的InSAR三维形变解算方法(SM-VCE)获取同震地表三维形变场。模拟实验和实际震例研究结果表明,相比于传统的WLS和SM-VCE方法,通过形变梯度信息能有效恢复地震破裂带的地表三维形变,得到更加完整和可靠的同震地表三维形变场。

附有相对权比的PEIV模型总体最小二乘平差

针对观测向量和系数矩阵权分配不合理、验前随机模型不准确的情况,以部分误差变量(partial errors-in-variables,PEIV)模型为基础,推导了附有相对权比的总体最小二乘平差算法;通过在平差准则中加入相对权比,自适应调整观测向量和系数矩阵随机元素对模型参数估计的贡献,给出了确定相对权比的验前单位权方差法和判别函数最小化迭代算法,该算法普遍适用于一般性的系数矩阵和权矩阵。通过直线拟合和坐标转换模拟算例的比较分析,发现当观测值和系数矩阵的验前单位权方差已知,且较准确时,验前单位权方差法确定相对权比和参数估计的效果较好;而以珚Φ_1(ε,ε_a)=ε~Tε+ε_a^Tε_a作为判别函数是判别函数最小化迭代算法中效果最好的。

断层参数反演的动态惯性因子的粒子群算法

采用大地测量观测数据进行地震断层参数反演是大地测量反演的研究热点,也是研究地震发生机制的重点。针对目前在断层参数反演中所用粒子群算法反演精度较低的问题,分析了地震断层参数反演的非线性特点和基本粒子群算法的特征。考虑到基本粒子群算法在处理高度非线性问题时易陷入局部最优解,且求解过程中局部最优解与全局最优解之间会相互影响,通过分段调整影响粒子速度的惯性因子和影响全局最优解与局部最优解的加速因子,得到了一种适用于地震断层参数反演的分段动态调整参数的粒子群算法,应用于模拟地震与拉奎拉真实地震的断层参数反演。模拟地震实验结果表明,所提算法具有稳定性,且求得的断层倾角、滑动角较多峰值粒子群算法更接近真值。在2009年拉奎拉地震实例中,所提算法求得的断层参数正演后所得形变量与地表观测值的均方根误差为5.2 mm,优于多峰值粒子群算法的6.7 mm。以上结果表明,所提算法获得的断层模型更符合真实的断裂条件,具有一定的实际应用价值。

加权总体最小二乘平差随机模型的验后估计

针对随机模型中观测向量和系数矩阵存在定权不准确的问题,提出了一种加权总体最小二乘随机模型验后估计方法。将赫尔默特方差分量估计方法应用于EIV(errors-in-variables)模型中,结合本文推导的加权总体最小二乘方法,对平差问题的函数模型和随机模型同时进行求解。通过采用真实和模拟数据的三个算例对该方法的有效性进行了验证,结果表明随机模型的验后估计方法在解决加权总体最小二乘问题时更合理、有效。

系数矩阵误差对地壳应变参数反演的影响

针对地壳应变参数反演模型中系数矩阵含随机和非随机元素及观测数据存在相关性等情况,以部分变量误差(partial-errors-in-variables,PEIV)模型为基础,采用了地壳应变参数反演的加权总体最小二乘算法,该算法不受系数矩阵和权矩阵结构的限制,能够快速、有效解决系数矩阵含有随机误差的模型问题。结合推导得到的最小二乘改正项公式,对地壳反演模型中坐标点误差对反演参数求解的影响进行了分析。通过对模拟数据和川滇地区的实际数据进行处理,得出系数矩阵误差对地壳应变参数反演的影响主要受GPS站点坐标值量级以及应变参数量级的牵制。

利用偏差改正的方差分量估计方法确定联合反演相对权比

在大地测量联合反演中,方差分量估计法用于确定相对权比时并没有考虑大地测量反演的病态性,利用正则化解代替最小二乘解会引入偏差,会造成方差分量估计不准确问题。针对此提出采用偏差改正方差分量估计方法,以消除正则化解引入偏差的影响,并基于残差的偏差改正方差分量估计与方差分量估计法进行模拟实验。结果表明,进行偏差改正后的方差分量估计法能够较好地反演出滑动分布情况,所提方法针对参数进行偏差改正的方差分量估计考虑了迭代初值引入的偏差,理论更为严密。并将所提方法用于Visso地震和Norcia地震反演中,验证了该方法的可靠性、合理性。