地球物理大地测量
科学
计算平台

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地球物理大地测量科学计算平台包括高精度重力场逼近与大地水准面计算系统PAGravf4.5和地球潮汐负荷效应与形变监测计算系统ETideLoad4.5，由中国测绘科学研究院 章传银研究员 集成二十年余研究成果历时十年自主研发。平台及核心代码自2021年9月开放共享，以改善国内外地学领域严重匮乏此类计算资源的科技教育环境，构建大地测量多源异质数据融合与多种异构技术协同的认知理念与知识体系，展示大地测量学魅力和潜力，推动大地测量学科从"技术数据服务"向"地球系统解析"、大地测量教育由“技术导向”知识传授向“问题驱动”系统思维与理念创新的战略转型。

高精度重力场逼近与大地水准面计算系统PAGravf4.5

高精度重力场逼近与大地水准面计算系统PAGravf4.5

副标题

高精度重力场逼近与大地水准面计算系统（Precise Approximation of Earth Gravity field and Geoid）PAGravf4.5，严格遵循物理大地测量学要求，统一构造外部各类场元、多种性质地形影响解析算法体系，提升地球物理重力探勘与重力场数据处理水平；科学构建重力场空域边值理论积分与谱域径向基函数逼近算法体系，实现多种异质、不同高度、交叉分布、陆海观测数据混叠的全要素重力场全空间解析建模；研发基于物理大地测量的特色算法，创建多源异构重力勘探解析建模方法，优化与统一高程基准，夯实与提升地球重力场的应用水平。

地球潮汐负荷效应与形变监测计算系统 ETideLoad4.5

地球潮汐负荷效应与形变监测计算系统 ETideLoad4.5

副标题

地球潮汐负荷效应与形变监测计算系统(Earth Tide, Load Effect and Deformation Monitoring) ETideLoad4.5，采用一致的地球物理模型和相同的数值标准，构造相容的大地测量与地球动力学算法，统一计算各种大地测量多种潮汐/非潮汐效应，由地表环境观测精确逼近全球和区域负荷形变场，严格依据地球物理大地测量学原理，约束同化多源异质监测数据深度融合，实现陆地水与时变重力场协同监测，定量跟踪地表动力环境与地面稳定性变化，科学支撑多源异质大地测量数据深度融合与多种异构大地测量技术协同监测。

✍课堂教学   ✍独立自学   ✍工程计算    ✍科学研究





科学计算平台集课堂教学、自学练习、应用计算与科学研究于一体，适合大地测量与地球科学、地质与地球物理、测绘工程与地理信息、航天与卫星动力学、以及地震与地球动力学等领域高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员。

两套科学计算软件系统，都在Visual studio 2017 x64集成环境中，采用QT C++(界面)、Intel Fortran(核心功能模块)和mathGL C++(数据可视化)代码级混合编程技术研发。PAGravf4.5包含近50个win64程序和500多个功能模块，ETideLoad4.5包含50多个win64程序和600多个功能模块。为方便课堂教学与自学练习，两套软件系统均配置完整计算样例。每个程序样例目录下包含操作流程、输入输出数据和程序界面系列截图文件。完成全部样例练习后(每套软件约7个工作日)，基本具备独立使用软件系统的能力。

PAGravf4.5科学计算系统架构
ETideLoad4.5科学计算系统架构
典型应用

典型应用

副标题

区域陆地水、地面形变场及重力场变化无缝连续监测

2015至2016年，利用三峡地区及周边26座CORS站、8座重力台站和1座地倾斜台站（点位分布如图）数据，结合河流水文站、气象站的日平均，以及多种卫星测高、资源三号卫星遥感和GRACE卫星重力等观测数据，采用负荷动力学同化方法，综合确定了2010年1月至2015年6月三峡地区2ʹ×2ʹ地面垂直形变（图1）、地面重力（图2）、地倾斜（图3）及地下水（图4）月变化量格网时序。

结果显示：（1）地面垂直形变监测精度5mm，地面重力变化监测精度10μGal。多种大地测量综合的地表动力环境多要素监测方法可行。（2）三峡地区地面垂直形变年变化幅度36mm，大地水准面年变化幅度28mm，地面重力年变化幅度117μGal。（3）长江截流后整个库区的地下水变化量达到每平米增大近0.5m3，影响范围由长江中心线向两边地区扩展超过150km。

地面稳定性变化及地质灾害监测预警能力评估

2017至2018年，利用浙江省丽水温州及周边38座CORS站2015年至2017年GNSS连续观测数据，结合39座气象站日平均大气压数据，以负荷形变理论为动力学约束，结合已知负荷移去恢复方案，计算了2015年1月至2017年12月丽水温州地区1ʹ×1ʹ地面垂直形变、地面重力及地面稳定性月变化量格网时间序列。通过定量跟踪地面稳定性变化（如图），评估CORS站网地质灾害前兆捕获能力。

图7_3.png图7_4.png图8_1.png图8_2.png

结果显示：（1）CORS网具备地面稳定性降低的时间与地点、持续作用时间与空间影响分布的连续定量跟踪监测能力，具备地质灾害灾变过程追踪与前兆捕获能力。（2）地质灾害发生前，CORS网通过连续监测地面垂直形变、地面重力和地倾斜变化，能提前检测到稳定性降低信号，从而捕获灾害前兆。（3）丽水温州地区CORS站网的地质灾害前兆提前捕获率可达92.5%。

海岸带重力场及大地水准面精化

　　2011年，针对海岸带大地水准面精化技术难题，提出了较为完整的复杂多源重力场数据融合技术方案，并综合高度不同、交叉混叠、精度差异、分布不均的地面、航空、船载、卫星重力场及多种卫星测高数据（图1），精化了海岸带地区陆海统一重力场，进而基于Stokes边值问题解法，采用局部地形影响与参考重力场组合移去恢复技术，精密确定2.5′×2.5′我国陆海统一的地面扰动重力（图2）、地面垂线偏差、重力似大地水准面（图3）和海面地形（图4）数字模型，使得我国海岸带重力大地水准面首次达到厘米级精度水平。

　　经国家测绘产品质量检验测试中心采用280余个GNSS水准点检核，陆海重力似大地水准面中误差3.9cm。

　　自然资源部大地测量数据处理中心用沿海12省市2010年前GNSS水准成果，对海岸带重力似大地水准面进行外部检核，统计结果如表。

（1）天津、上海的地面在2010年之前的一段时间内存在数厘米下沉，境内GNSS水准残差高程异常均值小于总体均值（-0.12m）。

（2）其余省市平均值最大互差不超过3cm，这说明沿海省市重力似大地水准面在厘米级精度水平上是解析无缝的。

（3）国家1985高程基准传到海南岛后，在1cm精度水平上无明显差异。

地面沉降与高程基准监测维护

✍2016年，在山东省开展CORS网、重力卫星与水准网联合的垂直基准监测维护示范工作。

✍2017年，在陕西汉中地区联合CORS网和重力卫星开展区域时变重力场与地下水储量变化无缝连续监测。

✍2018年，在天津市开展多源多种大地测量综合的地面沉降与区域高程基准稳定性监测。

✍2019年，在浙江省台州市开展时序InSAR与CORS站网联合的地面沉降监测。

202006122020061120200611

结果显示：

（1）CORS站不仅能以毫米级精度直接连续监测地面垂直形变，而且与GRACE卫星跟踪卫星监测全球重力场变化原理一样，能以更高时空分辨率、更敏感地监测区域重力场的微小变化。综合地面和卫星多种大地测量，能有效提高地表动力环境多要素监测水平。

（2）在海岸带附近和城市路面，InSAR监测量受地表非形变信息严重干扰，与CORS网时空监测基准统一后，可修复大气延迟误差，补偿负荷潮垂直形变影响，提高地面非线性时变监测能力。

地质灾害区域联动性监测与危险性数值预报

2021年，在云南省保山、大理两市（面积约6万平方千米），采用72座CORS站、44个地下水监测站、41个河流水文站每天观测数据，以及土壤水和气象每天监测数据（时间跨度2018年1月1日至2020年12月31日），以CORS网为控制，按形变动力学及重力场规律，约束同化水文气象观测，定量监测区域稳定性变化，定量评价地质灾害易发性，实现了地质灾害危险性数值预报（类似气象地质灾害趋势预报，用地面稳定性变化替换气象要素变化）。

（1）建立了区域地面稳定性变化及预报格网时序模型（空间分辨率1km；时间间隔1周），连续监测整个区域的危险区空间分布与时间演变态势，实现了地质灾害危险性数值预报。

危险区联动.png

危险性预报1月.png危险性预报1周.png

将地面稳定性加速降低时刻作为灾害前兆出现时刻，利用2018至2020年3年197处实际灾害（险情），测试验证了地面稳定性变化监测性能。结果显示：有186处灾害都提前2天以上出现地面稳定性加速降低的前兆信号，吻合率为94.4%。

再用2020年90起实际发生的地质灾害（险情）事件验证，1周、两周和1个月预报率分别为92.2%、83.3%和75.6%，如图1（图中彩色代表以岩土层为对象的地质灾害危险区。底部颜色标尺无量纲，数值越大，稳定性下降速度越大，此时此地发生地质灾害的危险性越大。）

（2）构建了区域总体地面稳定性数值模型，定量评价整个区域的地质灾害易发性，发现了多处潜在的地质灾害易发区。

总体稳定性模型.png

将总体稳定性模型与已知地质灾害隐患点（截止到2016年12月）分布进行了对比分析，结果显示：83%的已知隐患点处，其基底的稳定性较差；约11%稳定性较差的地区还没有隐患点，据此解译出37处新的潜在地质灾害易发区。

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