EEMDAN的CORS站高程时间序列分析方法

针对整体经验模态分解(EEMD)方法对连续运行参考站(CORS)高程时间序列分解结果整体平均时,噪声未能完全消除的问题,该文引入一种噪声自适应整体经验模态分解(EEMDAN)方法,在经验模态分解(EMD)处理时添加白噪声分解的模态分量,改进CORS站高程时间序列信号分解的模态混叠,根据平均周期和能量密度乘积指标区分噪声和周期信号,并基于正交性指数及均方根误差指标衡量分解的精度。两个CORS站20年高程时间序列实验结果表明,以正交指数衡量的分解精度EEMDAN比EEMD提高近35%,均方根误差指标提高近22%,实现了对CORS站高程时间序列的精确分解,并改善EEMD整体平均后噪声未完全消除对信号重构的影响。

海南岛CORS站坐标时间序列特征分析

通过GAMIT/GLOBK解算出海南岛CORS站坐标时间序列,分析海南岛CORS站坐标时间序列的噪声特性。根据最优噪声模型,N分量的最优噪声模型呈现多样性特征,E、U分量表现出一致性。分析有色噪声对于噪声量级的影响,仅考虑白噪声会高估其估值精度,须同时考虑白噪声与有色噪声。海南岛CORS站在水平方向都有向SEE向运动的趋势,与华南板块的运动方向一致。沿海测站的坐标时间序列所含的白噪声与闪烁噪声量级比岛内测站大,我国上空电离层的变化对闪烁噪声的影响较大,闪烁噪声量级明显大于白噪声,海南岛CORS站的闪烁噪声量级大于大陆沿海测站。

采用改进神经网络的CORS站高程混沌时间序列分析

为了更好地分析CORS站(连续)运行参考站——北京房山站的高程时间序列的变化规律,使其能更好地应用到地壳运动监测.对房山站观测数据进行数据处理,得出其数据类型为非线性、非稳态时间序列,然后采用正则化RBF(径向基)神经网络对其进行相空间重构,使其满足高斯分布.采用小波神经网络进行滤波处理,剔除噪声,采用加窗谱估计得出高程时间序列的平均谱功率和周期性,经过去除趋势FFT周期拟合和BP神经网络预测等处理,并进行计算分析.由数据处理结果可知,北京房山站高程时间序列斜趋势不明显,其中年周期最为明显,高程时间序列受多因素的影响,BP网络能很好地预测高程时间序列.

CORS站高程非线性速度场及方差波动模型构建方法

本文描述了CORS站高程时间序列采用固定周期项建立线性速度场的基本概念,指出给定周期与实际周期存在偏差的问题。为此,提出了CORS站高程时间序列非线性速度场建模方法。该方法以线性最小二乘解作为迭代初值,利用高斯-牛顿迭代算法求解非线性速度场模型的未知参数,实现了CORS站高程时间序列数据的非线性建模;给出了拟合模型残差平方序列异方差特性的检验方法,阐述了建立GARCH(p,q)模型反映CORS站高程非平稳序列波动情况的基本准则。本文以国内外6个CORS站20余年的高程时间序列为研究对象,建立非线性速度场运动模型。结果表明:CORS站高程运动并不存在严格的整年或半年周期项,近似年周期运动最为明显,近似两年周期运动占比最小,年周期估计偏差达到12%,半年周期偏差18%,两年周期偏差6%,非线性建模精度和效果整体优于线性模型。利用ARCH检验法得到CORS站高程非线性模型的残差平方序列存在异方差性,即残差平方序列具有非平稳特性,引入GARCH(p,q)模型对CORS站高程分量非平稳残差平方序列建模,反映了残差平方序列的非平稳波动。验证了GARCH(p,q)模型对CORS站高程非平稳残差平方序列建模的可行性,为今后利用GARCH(p,q)模型对CORS站高程非平稳噪声序列建模和非线性速度场重构提供了思路。

基于小波变换的CORS站坐标时间序列周期性分析

获取CORS站坐标时间序列的周期性变化,掌握其周期性变化特征,对分析CORS站坐标变化规律及速度估算具有重要作用。本文利用小波分析对国内北京、拉萨、乌鲁木齐三个具有区域代表性的CORS站进行周期性分析。以coifs3作为小波基计算三个站各方向分量的小波方差,获取其主要周期的尺度,并针对每个主周期尺度进行周期性分析。分析结果表明CORS站坐标具有明显的半年性周期特性,但因地域不同又表现出一定的差异性。另外,较水平方向,GPS高程观测更易受到噪声影响。

GNSS连续站坐标的高程分量时间序列在地壳垂直运动研究中应用的若干问题

介绍GNSS连续站坐标的高程分量时间序列在地壳垂直运动研究中应用时需要解决的几个实际问题和具体的解决方法。

HHT-EEMD用于IGS站高程时间序列分析

利用经验模态分解(EMD)和整体经验模态分解(EEMD)方法,将BJFS站2000~2015年高程时间序列进行分解,发现其不仅存在1a、0.5a、0.25a、2个月、1个月以及长周期等周期项,还存在以往方法很难探测出来的近似2a周期信号。与EMD分解结果对比,整体经验模态分解可以明显减弱模式混叠现象。对各分量进行Hilbert变换(HHT),得到时间-频率-能量的Hilbert频谱图。结果表明,年周期和2a周期变化是高程运动的主要贡献项。利用小波变换方法对比验证EEMD的分解结果表明,与小波分析相比,EEMD重构信号与高程序列差异的RMS更小,证明了HHT-EEMD方法在数据资料分析过程中的有效性。对环境负载及GRACE负载造成的测站位移进行功率谱分析得出,环境负载确实会造成IGS站高程时间序列的1a、0.5a以及季节性运动,GRACE负载还验证了2a信号的存在。

一种IGS站高程时间序列分析方法

针对IGS站高程时间序列经EEMD分解后含有残留噪声,导致信号重构效果降低的问题,引入互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)方法对IGS站高程时间序列信号进行分解,利用平均周期与能量密度乘积准则进行噪声与信号分界点的判定。据此去除噪声分量,使去噪后的信号更加接近IGS站高程时间序列的真实特性。将基于CEEMD算法与基于EEMD、EMD算法的IGS站高程信号去噪效果进行对比分析,以BJFS站序列信号为分析对象的结果表明,采用EMD、EEMD、CEEMD 3种算法滤波后的信噪比分别为18.8082、20.4788、23.9655,与EMD、EEMD算法相比,采用CEEMD算法滤波的信噪比分别提高了27%和17%,均方根误差指标分别降低了55%、41%。改善了EEMD分解的噪声残留问题,提高了信号重构的效果。

基于变分模态分解的GNSS高程时间序列时变信号提取

针对GNSS坐标时间序列中的时变信号难以由现有最小二乘、最大似然估计(MLE)等参数化方法准确提取的问题,本文采用变分模态分解(VMD)方法将中国内地构造环境监测网络(CMONOC)测站的高程时间序列分解为一系列本征模态函数(IMF),进而重构出测站位置时间序列中含有的时变信号。结果表明,相对于MLE方法,VMD方法在97.9%的测站上均方根误差(RMSE)改进率为正值,因此该方法有助于绝大多数测站精确提取出时变信号,减弱高程时间序列中的非线性形变。另外,从相关系数和信噪比的角度来看,VMD方法得到的重构序列与原始序列之间的相关系数更高,信噪比也更大,表明降噪效果较好。通过特定测站的分析表明,VMD方法能有效探测出GNSS高程时间序列预处理中包含遗漏的阶跃信号的测站,表现为较大的RMSE改进率,这在大批量测站的阶跃信号探测中具有一定的实用价值。VMD方法相对于小波分解(WD)经验模态分解(EMD)具有更好的自适应性,但IMF分量个数仍然需要针对具体测站进行逐一确定,当分解个数和重构分量选取恰当时,VMD方法在GNSS高程时间序列中的应用效果可进一步提高。

IGS连续运行参考站高程时间序列功率谱分析

为提高GPS数据的精确度和可靠性,采用最小二乘平差原理、最小二乘平差的3倍单位权中误差限差准则和稳健估计粗差探测的四分位距(IQR)准则,对数据进行粗差探测、剔除、分类处理与比较,并基于MATLAB平台采用时间序列拟合模型与谱分析法对我国国际GNSS服务组织(IGS)站的高程分量数据进行研究。通过对北京房山站高程数据的研究可以看出,GPS点位高程分量的时间序列的残差序列近似于正弦函数,周期近似为1年,振幅为0.03,高程分量数据不仅存在很明显的线性趋势,而且存在较明显的周期特性。表明最小二乘原理、误差限差和IQR准则可以很好地体现高程数据的线性特征、周期特征及残差谱特征。

顾及噪声的CORS站高程非线性建模方法

针对当前连续运行参考站(CORS)高程坐标的数据预测,仅建立了包含周期项、趋势项的模型,未考虑到噪声项影响的问题,提出1种顾及噪声的CORS站高程非线性建模方法:对高程时间序列,建立非线性最小二乘周期拟合模型;对得到的模型残差项(噪声项),建立自回归(AR)预测模型;最后将非线性最小二乘周期拟合模型与AR模型进行组合,对CORS站高程分量进行预测。实验结果表明,非线性最小二乘周期拟合和AR的组合模型,较传统的非线性最小二乘周期拟合模型预测精度高。

中国大陆GPS基准站的时间序列特征

利用 1 999年 3月至 2 0 0 2年 3月期间“中国地壳运动观测网络”2 5个GPS基准站与周边国家IGS站的观测资料 ,进行了时间序列分析研究 ,并对提高GPS基准站的观测精度进行了探讨。结果表明 ,GPS基准站的时间序列具有一定的周期性 ,高程分量的周期性最为明显 。

广西北部湾沿海区域CORS站稳定性监测分析

CORS站是提供高精度定位的重要基础设施,目前对沿海区域CORS站稳定性分析的成果相对较少,因此开展沿海区域CORS站稳定性分析具有重要价值。该研究使用2016—2018年的广西北部湾沿海区域CORS站观测数据,借助GAMIT/GLOBK软件开展CORS站稳定性分析。研究表明:ITRF2014框架下CORS站水平方向作南东东方向运动,平均运动速率35.57 mm/a,与广西区域现今地壳构造运动一致;区域CORS站水平形变速率整体小于1.7 mm/a,CORS站具有较好的稳定性。根据形变场分析结果,建议对区域CORS站实行每年一次框架坐标更新。

基于CORS的高程参考框架的动态监测与维护

通过InSAR技术对山东省地表形变监测发现,黄三角、鲁西南等地区地表沉降明显,这些地球形变的发生,使测绘基准成果的可靠性变差,严重影响了测绘基准的应用服务。高程参考框架本身也是动态的,开展高程参考框架的动态监测与维护是必要的。通过对CORS站网2015—2019年的连续观测成果进行精细处理,2019年开展对CORS站、B级和C级点、水准点进行二等水准观测,通过2015年、2019年两期水准成果检核CORS站点正常高值,探索出一种基于CORS实现对大地高程参考框架的动态监测与维护的新方法,通过研究还发现,大多数水准点发生了沉降,少数水准点发生了抬升,CORS和水准的数据成果也验证了InSAR对地表形变的监测结果。

自适应噪声整体经验模态分解法在CORS站数据处理中的应用

为了有效消除CORS站点高程时间序列噪声,提出采用EEMDAN信号处理方法。该方法可以改进信号在EEMD分解时产生的模态混叠问题。以某市CORS站点高程时间序列为试验数据,选取相关系数、均方根误差、正交性指标以及能量密度与平均周期的乘积等定量指标,验证EEMDAN方法的有效性与优化性。结果表明,经EEMDAN方法处理的IMF分量IO值比EEMD方法处理的IMF分量IO值低53.7%,分解精度更高;EEMDAN重构后的信号均方根误差比EEMD重构后的信号均方根误差减少21.5%,相关系数增加2.1%,说明采用EEMDAN方法重构信号的效果更好。

数据缺失对GNSS时间序列分析的影响

以GNSS连续站高程分量观测时间序列为例,讨论了不同噪声水平和数据缺失情况对GNSS时间序列分析结果的影响。结果表明,同样的数据缺失,噪声水平越高,对分析结果的影响越大;同样的数据缺失总数,数据缺失连续对分析结果的影响最大;在观测噪声较大的情况下,如果缺数天数超过一定的数量,通常无法用数据插补的方法弥补得到与观测时间长度相当的周期信号的较为可靠的结果。在此基础上,讨论了不同的可靠性需求下对观测数据的要求。并指出,如果顾及年及更短周期变化的情况下,要保证用一年的时间序列观测值求得的线性速率偏差在10%内,例如当噪声水平为9 mm时,则连续缺数应不超过11天,离散缺数应不超过12天。因此在用GNSS连续站高程时间序列研究地壳垂直运动时,应对GNSS连续站的运行状况进行严格的筛选。

一种CORS站高程序列噪声识别算法

针对能量密度谱判断噪声与信号主导模态分界点性能不稳定的问题,该文提出基于夹角余弦的分界点判断方法。该方法首先利用EEMD对CORS站高程数据进行分解,其次计算原始信号与各阶模态分量的夹角余弦值,最后根据夹角余弦值的首次逆向转折位置判定噪声主导模态和信号主导模态的分界点。以4个CORS基准站近20年原始高程时间序列信号为研究对象,对噪声与信号模态分量分界点进行判定,实验结果表明采用基于夹角余弦的判定方法可以一次判断出噪声和信号模态分量的分界点。该方法应用到CORS站高程信号与噪声序列的识别中性能更加稳定。

不同插值方法对CORS高程时间序列的影响分析

在CORS站高程时间序列的研究中,当连续缺失较多数据时,插值显得尤为重要。为了较好地解决这个问题,本文尝试采用正交多项式拟合的方法,分别利用正交多项式拟合、拉格朗日和三次样条等插值方法对高程时间序列进行插值,并对不同方法的插值结果进行了分析比较,验证了正交多项式拟合的可行性及有效性。结果表明:在高程时间序列插值中,三次样条插值结果较差;连续缺失3个点及以下时,正交多项式拟合、拉格朗日插值结果均较好,插值效果相当;随着缺失点数量的增加,正交多项式拟合结果要优于另2种方法。

新疆CORS站时间序列及速度场分析

高精度解算2011—2017年覆盖新疆地区的166个CORS站单日解坐标,并提取坐标时间序列,获得各个站点实测速度。对新疆地区速度场以及板块进行分析,新疆塔里木盆地水平运动趋势为北东向,在新疆东部及天山北部运动趋势主要为东向,且总体运动速度为由西向东减弱。垂直速度场运动表现出塔里木盆地西部及天山东部呈现下降趋势,而天山北部呈现抬升趋势。新疆相对于欧亚板块的形变特征为自北北西逐渐转向北北东,水平运动趋势由西南向东北逐渐减弱,具有明显地东西和南北方向不均匀性。基于新疆II级构造块体运动欧拉参数得到的各构造块体内部形变速度明显小于基于欧亚板块作为背景场的形变速率,其北方向和东方向速度RMS值均不超过2 mm/a,反映该块体内部处于较稳定的状态。

GNSS连续站在天津地面沉降监测中的应用

讨论单纯利用水准测量方法进行地面沉降监测时,由于基准点的变动造成地面沉降监测结果的不确定问题,提出用CORS站时间序列得到的高程分量变化速率与复测水准资料联合处理结果作为水准变化的速率基准,并利用实例与传统做法进行了比较,验证了该方法的优点。