[发明专利]利用GPS反演区域陆地水储量变化的方法及系统、设备

说明书

本发明提供利用GPS反演区域陆地水储量变化的方法及系统、设备，根据研究区域范围大小和GPS测站数量将研究区划分为均匀格网，并根据质量负荷格林函数建立GPS垂直形变与区域陆地水储量变化之间的关系；根据GPS测站经纬度与格网经纬度采用格林函数计算设计矩阵，然后利用设计矩阵将GPS垂直形变映射到区域陆地水储量变化形成观测方程，并根据观测方程形成法方程；建立先验水文模型与区域陆地水储量变化之间的观测方程，并根据水文模型计算先验协方差矩阵；根据最小二乘联合平差反演区域陆地水储量变化。本发明提高了利用GPS垂直形变反演区域陆地水储量变化的精度和可靠性。

技术领域

本发明涉及利用空间大地测量数据反演区域陆地水储量变化的方法，特别涉及一种利用GPS反演区域陆地水储量变化的方法及系统、设备。

背景技术

陆地水是指存储在地表和次地表上所有形式的水，包括地表水、地下水、土壤水、雪和冰以及植被生物量等。了解其储量变化对于全球水循环、气候变化和水资源管理研究至关重要。陆地水储量变化的迁移与重新分布会导致地壳发生形变^[1]，这种形变可以被全球定位系统(Global Positioning System，GPS)以毫米级精度进行监测。因此，可以通过GPS观测到的高精度地表形变场(主要是垂直形变)来反演陆地水储量变化^[2]。特别是，很多国家和地区建立了密集的GPS连续运行台网对区域地表形变进行监测^[3]，这为反演精细的区域陆地水储量变化提供了有力的数据保障。相对于传统利用卫星重力测量技术反演区域陆地水储量变化方法而言^[4]，GPS观测数据分布广泛、观测精度更高且可以实现近实时监测，这对于研究局部短时间尺度的地球动力学过程具有重要的科学意义^[2,5,6]。

在一定的研究区域内，GPS观测数据之间存在较强的相关性，这会导致设计矩阵的条件数过大。因此，利用GPS观测数据反演区域陆地水储量变化是一个典型的离散病态问题。传统方法是利用Tikhonov正则化方法求解病态问题^[7]，以二阶差分拉普拉斯矩阵作为正则化约束矩阵，并使用L曲线法^[8]或广义交叉检验方法(GCV)^[9]确定最优正则化参数。但是，拉普拉斯矩阵是一个从几何学角度构建的矩阵，没有明确的物理意义，并且通过L曲线法或GCV方法有时难以准确地获取最优正则化参数。而基于先验地球物理模型(如水文模型)计算的协方差矩阵(即先验协方差矩阵)具有明确的物理意义，并且可以引入先验信息以提高反演结果的可靠性。为此，本发明创新性地提出使用先验协方差矩阵作为求解GPS垂直形变反演区域陆地水储量变化中病态问题的正则化约束矩阵，并通过数据驱动的自适应迭代方式确定最优正则化参数，以进一步提高区域陆地水储量变化反演的精度和可靠性。

相关参考文献如下：

[1]Farrell W E.Deformation of the Earth by surface loads[J].Reviewsof Geophysics,1972,10(3):761–797.

[2]Argus D F,Fu Y,Landerer F W.Seasonal variation in total waterstorage in California inferred from GPS observations of vertical land motion[J].Geophysical Research Letters,2014,41(6):1971–1980.

[3]姜卫平.卫星导航定位基准站网的发展现状、机遇与挑战[J].测绘学报,2017(10):181–190.

[4]Tapley B D,Bettadpur S,Ries J C,et al.GRACE measurements of massvariability in the Earth system[J].science,2004,305(5683):503–505.