开源免费的中国地区速度场

速度场是对一个特定地区板块水平运动的建模,也是地球物理或地震学研究、参考框架维持和坐标转换的基础数据之一。由于国内严格的保密政策等原因,中国地区公开可用的速度场数据少之又少,这对于用户使用非常不便。为此,本文公布一份开源免费的速度场数据,并对其使用方法做了简要说明。以供有需要的读者下载使用。

速度场的作用

我们都知道,地球表面上的点并非固定不变的,而是在地球板块构造作用下缓慢移动,其数量级一般为每年数厘米。因此,高精度的坐标框架使用一组点位的坐标和速度来实现(对于 ITRF2014,还包含震后形变模型 PSD)。将点位坐标在各个坐标框架之间进行转换时,除了坐标框架转换参数,还需要考虑基站速度的影响。在地心地固坐标系中,记某点在某框架 a 下 t1 时刻的坐标和速度分别为 X1aX'a,要得到其在 b 框架下 t2 时刻的坐标 X2b。需首先计算其在 a 框架下 t2 时刻的坐标 X2a

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X2a = X1a + (t2 - t1)·X'a

然后计算两个框架在 t2 时刻的七参数 T2D2R2(分别为平移、缩放和旋转参数)。因为高精度的参考框架之间七参数也是时变的,记 t0 时刻的七参数和速度分别为 T0D0R0T'D'R'。则 t2 时刻的七参数为:

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2
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T2 = T0 + (t2 - t0)·T'
D2 = D0 + (t2 - t0)·D'
R2 = R0 + (t2 - t0)·R'

最后使用 HELMERT 转换公式得到点位在框架 b 下 t2 时刻的坐标 X2b

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X2b = X2a + T2 + D2·X2a + R2·X2a

当然,为了实际使用方便,你也可以将以上三步写成一个公式。以上过程旨在说明速度场在其中的作用。现实情况下,用户点位的速度是很难测量的,但你可以通过其概略坐标从速度场内插得到。

需要补充的是,速度场也是有参考框架概念的,因为参考框架之间可能存在旋转。若将不同框架下的速度混淆,最差会产生厘米级的坐标转换闭合差。由框架 a 下的速度 X'a 得到 b 框架下的速度 X'b 的公式为:

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X'b = X'a + T' + D'·X1a + R'·X1a

数据来源

数据源于中国地壳运动观测网(Crustal Movement Observation Network Of China, CMONOC)于 1998~2014 年间的 GPS 观测数据,由国家地震局完成数据处理,论文成果发表在 2015 年的大地测量与地球动力学英文版(Geodesy and Geodynamics):

Zhao B, et al., Crustal deformation on the Chinese mainland during 1998-2004 based on GPS data, Geodesy and Geodynamics (2015) http://dx.doi.org/10.1016/j.geog.2014.12.006

论文作者使用 GAMIT/GLOBK 软件进行数据处理,得到站点在 ITRF2008 框架下的坐标,然后使用时间序列分析的方法得到基站速度,最后使用三次样条拟合方法对其中粗差进行探测和剔除。但论文给出的数据是以欧亚板块为参考背景的。为了得到基站的绝对速度,需要将原始数据加上欧亚板块的速度。记站点坐标为 X,其相对于欧亚板块的速度为 ΔX',欧亚板块的旋转矢量为 ω,使用如下方法计算绝对速度 X'

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X' = ΔX' + ω × X

这里欧亚板块的旋转矢量取 ITRF2008 板块运动模型的值。本文生成的速度场数据为绝对速度,并已转换至 ITRF2014 参考框架下。效果如下图(棕色为连续观测站点,绿色为定期观测站点):

速度场效果图

下载方式

数据已上传到 Github 网站,读者可以免费下载使用。数据中站点坐标以度为单位,速度单位为毫米每年(mm/yr)。但需要说明的是:本数据目前仅在某些局部地区(上海、北京等)进行过验证,用户在使用前请务必做好测试,如造成任何后果本人不承担任何责任。当然,如果你在某些地区进行了测试,欢迎向作者反馈,以便更多的人可以看到其应用效果。

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