地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

重力场数据的多尺度分析技术及其应用

        现代大地测量技术特别是重力探测技术的快速发展,提供了丰富的重力场数据,为建立地球重力场的精细结构,进而研究更深层次的相关地球科学问题提供了前所未有的机遇。带来机遇的同时,也给地球重力场研究的理论和方法提出了新的挑战。如何合理利用这些不同类型、不同精度和不同分辨率的重力场信息成为本领域急需解决的问题。项目在2项国家自然科学基金和多项省部级重点实验室开放基金的支持下,基于地球重力场的多尺度特征,运用小波多尺度分析方法重点解决重力场数据处理和反演解释中的一些难点问题,经过十余年的攻关,在重力数据融合、向下延拓、反演解释和可视化方法等方面取得了一系列研究成果。主要创新技术和成果包括:

1)顾及分辨率和频谱特性的重力数据估计理论与融合方法。建立了数据分辨率与最小二乘配置估计结果的关系,给出了顾及观测噪声和数据分辨率的最优线性估计及其误差功率谱的一般公式,提出了在给定估计精度时反推所需格网数据的分辨率和精度的方法;建立了多分辨最小二乘配置的模型与算法,为融合处理不同精度不同分辨率的重力数据提供了一种新方法;推导并建立了卫星轨道面扰动位和重力梯度不同分量的谱组合、以及基于多种定权方法的位系数谱组合的计算模型。

2)重力数据的多尺度反演理论。基于多尺度边缘重构理论,提出了基于多尺度边缘的重力异常多重分解法,实现了重力异常纵向和横向信号的同时分离;利用位场小波建立了常用二度体重力异常的多尺度边缘正演模型,并提取了正演模型的特征,在此基础上提出了利用多尺度边缘进行重力异常反演的方法;实现了利用重力异常多尺度边缘反演俯冲板块构造参数的方法,为俯冲带研究提供了一条新思路。

3)城市断层的多尺度重力探测。首次在国内将高精度重力测量技术应用于城市主干断裂的探测,提出了基于重力异常多尺度分解的断层空间分布探测方法,弥补了其他地球物理手段不能获得断层底部埋深的不足;发展了分层地壳构造应力反演的理论与算法,为城市断层的稳定性评估提供了依据。

4)重力数据向下延拓新方法。针对重力数据向下延拓问题,引入小波多尺度边缘分析理论,分析了重力信号的小波变换和多尺度边缘的意义和特点,提出了利用多尺度边缘作为约束的向下延拓方法,提高了向下延拓的精度和稳定性;推导了地形对航空矢量重力测量水平分量的带限影响的计算公式;引入频域输入输出理论,融合重力矢量的垂直分量和水平分量,实现了低信噪比情况下水平分量的稳定向下延拓。

5)重力场信息多分辨率可视化技术及实现。提出了一种滤波长度随矢量长度变化的改进FLIC算法,提高了可视化精度和计算效率,并基于改进FLIC算法实现了重力矢量场的可视化;提出了基于数据窗口的时间域多分辨率可视化算法,实现了连续重力观测数据的多分辨率可视化;基于层次细节技术实现了地球重力场数据的空间域多分辨率可视化。

项目在重力数据的小波多尺度分析等方面取得一系列创新成果,得到国内外同行的高度关注和引用,部分成果已经在测绘、地震、规划等部门,以及高校和科研院所得到应用。顾及分辨率的线性估计方法推广应用于在927重力测量数据处理,有效提高了数据精度。重力数据的多尺度分析方法和多分辨率可视化技术被用于“中国大陆环境构造监测网络”重力数据处理与分析软件系统中,在重力数据的平滑去噪、异常变化检测和成果显示等方面取得良好效果。基于多尺度边缘的向下延拓方法引起了台湾学者的兴趣,项目组成员被邀请到台湾交通大学进行航空重力数据处理方面的合作研究。基于多尺度分析的重力异常反演方法成功用于深圳市主干断裂的探测以及琉球俯冲带的研究,相较于其他地球物理方法,重力方法更经济有效,而且可获得一些其他方法不能得到的信息。

成果获2014年测绘科技进步一等奖。

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