一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法,利用SDCORS站网的连续观测数据，通过重构大地高时间序列，结合全球和区域的大气压、陆地水、海平面资料，消除地表环境负荷引起的高程异常变化，从而得到站点正常高变化的时间序列；在16个CORS站点上与水准数据的检核表明，基于CORS数据的正常高变化与两期水准测量的正常高变化的的最大差值为29.5mm，平均差值为3.5mm；在CORS站点具有长期连续观测数据、数据质量良好的情况下，利用CORS站数据确定的正常高变化对CORS站点的历史观测正常高进行动态修正，实现基于CORS站数据的区域高程参考框架动态维持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法
本专利技术涉及区域高程参考框架动态监测与维护，具体为一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法。
技术介绍
大地坐标框架不仅可以为测绘和工程提供几何和物理的基准，还可以为研究和检测地球和气候等变化提供重要的参考信息。在构建地理信息系统、导航定位、卫星定轨、地表运动等诸多实际应用中扮演着重要的角色。随着国家测绘地理信息事业的发展，我国许多省份和地区已经建设了相对完善的连续运行参考站网络。山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统(ShandongContinuouslyOperatingReferenceStationSystem，SDCORS)项目由山东省国土资源厅建设、山东省国土测绘院组织实施，于2007年正式启动，2011年通过验收。该系统纳入地市和行业已建CORS系统，可为山东省内提供实时定位和区域参考框架服务，并在建立和维持国家和区域大地参考框架中发挥了重要的作用。大地参考框架是地心坐标参考系统的物理实现，构成坐标参考框架的物理点通常固定与地球表面，由于地球的动态性质框架点会随地球表面一起运动变化，使得维持坐标参考框架的精确性成为一个动态的问题。就高程参考框架而言，引起站点在高程方向变化的地球物理因素主要分为两大类，一类是潮汐形变，主要包括固体地球潮汐，海洋负荷潮和极潮，另一类是地球表面的大气以及各态水的质量迁移引起的地表质量负载变化。主要有大气质量负载、水文负载、海洋非潮汐重量负载等，这些负载具有明显的季节性变化特征(非线性的周期性变化)。对于第一类潮汐形变，在CORS站的原始数据处理时，已经通过相应的数学模型对其进行了补偿和改正，第二种形变，目前主要采用负荷格林函数处理。利用卫星对地观测数据集相关地球物理模型，改正非构造形变对CORS站坐标时间序列的影响。为保持国家大地坐标系的高精度和现势性，需要对现有高程参考框架进行持续的动态监测与维护。由于传统的平面控制网和高程控制网分离的测量模式受技术条件和作业方式的限制，通过水准测量监测站点正常高变化的效率低下且不利于长期连续的监测。近年来，随着CORS站网的互联共享机制和实时高精度定位技术的日益成熟，通过区域内若干连续运行的CORS站组网，充分利用CORS站观测的全天候高精度的特点，以及长期连续观测的累积历史数据，即可对区域乃至全国地壳运动、气象等瞬态和长期变化进行监测，又可提供各种高精度空间定位服务和多源信息服务。高程基准维持常规方法是利用高等级水准测量实现。这种方法有两个重大缺陷：一是这种测量方法耗费大量人力、物力。二是完成一次复测周期非常长，通常测完后，由于地面沉降导致测完的高程值发生变化而不能使用，因此急需找到一种替代方法，能够动态监测点位高程值变化，实现高程基准框架变化监测和维持。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是如何提供通过连续性、多年度精密卫星定位数据处理结合水汽负荷改正，获得点位实时变化高程基准值，实现区域框架高程数据动态变化监测，从而能够替代高等级水准测量维持高程基准的一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用技术方案是：一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法，具体方法步骤如下：步骤一：生成CORS站点三维坐标时间序列，在区域内或周边选定若干个稳定的国际或国家基准站作为约束，解算CORS站网站点三年观测数据，生产单日解，同时获得连续多年的综合解，解算得到CORS站点相对于综合解三维坐标变化时间序列；步骤二：开展CORS站大地高时间序列分析与重构，针对每座CORS站大地高单日解时间序列，以切比雪夫函数为基函数，对时间序列进行低频参数估计，分离线性项；按低频参数重构大地高非线性变化时间序列，作为粗差探测的基准，按3倍残差标准差，探测并剔除粗差，得到干净的大地高非线性变化时间序列；对时间序列散点进行周期估计，估计得到周期项参数，然后重构大地高非线性变化时间序列；步骤三：推算大气压负荷引起的高程异常变化，(1)在各个气象站点，以观测周期内的平均大气压作为基准值，每个月的实测大气压与该基准值作差，得到每个月大气压相对于基准值的变化值，转换得到等效水高的变化，1hPa(百帕)大气压变化对应1cm的垂直负荷形变。(2)利用全球大气压模型数据，展开得到负荷球谐系数模型，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，利用大气压数据计算得到CORS站点由于大气压变化引起的高程异常变化。步骤四：推算陆地水负荷引起的高程异常变化(1)利用GLDAS模型水文数据，以观测周期内的平均陆地水储量(等效水高)作为基准值，每个月的陆地水储量与该基准值作差，得到每个月陆地水储量相对于基准值的变化值；(2)将全球陆地水储量变化格网展开得到球谐系数模型，基于地球负荷形变理论，利用球谐系数模型，计算得到CORS站点由于陆地水储量变化引起的高程异常变化；步骤五：推算区域海平面变化引起的高程异常变化(2)利用AVISO全球海面高数据，以观测周期内的平均海面高作为基准值，每个月的海面高与该基准值作差，得到每个月海面高相对于基准值的变化值，并展开得到球谐系数模型；(2)利用高分辨率区域海平面变化数据，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，计算得到CORS站点由于海平面变化引起的高程异常变化。步骤六：推算CORS站点点位高程变化值，实现高程基准动态监测与维持。根据步骤一重构的CORS站大地高时间序列值确定点位大地高变化值再加上步骤二到步骤五确定的高程异常改正数，从而确定地单位正常高的变化量，实现高程基准动态监测与维持。本专利技术能够有效解决现有技术存在的问题,主要利用地表形变区内选定的CORS站网连续观测数据，采用面向地表变形监测的数据处理策略，处理得到三维坐标时间序列并开展时间序列分析。综合CORS站时间序列分析成果和大气、陆地水文和海平面变化等观测资料，获取CORS站点的正常高变化，实现区域内高程参考框架的动态监测，总结得到高程参考框架动态监测技术方案，提升地面沉降客观存在条件下高程参考框架的可用性；是对现有技术一次扩展性的技术创新，具有很好的推广和使用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本专利技术基于CORS站网的高程参考框架动态监测结构示意图；图2是本专利技术基于移去恢复法的高程异常变化推算流程示意图；图3是本专利技术实施例中用于时间序列分析的CORS站点；图4是本专利技术CORS站大地高时间序列分析与重构结果；图5是本专利技术16个CORS站的总负荷高程异常变化时间序列图；图6是本专利技术实施例中2015年和2019年山东省水准路线图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法，其特征在于：具体方法步骤如下：/n步骤一：生成CORS站点三维坐标时间序列，在区域内或周边选定若干个稳定的国际或国家基准站作为约束，解算CORS站网站点三年观测数据，生产单日解，同时获得连续多年的综合解，解算得到CORS站点相对于综合解三维坐标变化时间序列；/n步骤二：开展CORS站大地高时间序列分析与重构，/n针对每座CORS站大地高单日解时间序列，以切比雪夫函数为基函数，对时间序列进行低频参数估计，分离线性项；按低频参数重构大地高非线性变化时间序列，作为粗差探测的基准，按3倍残差标准差，探测并剔除粗差，得到干净的大地高非线性变化时间序列；对时间序列散点进行周期估计，估计得到周期项参数，然后重构大地高非线性变化时间序列；/n步骤三：推算大气压负荷引起的高程异常变化，/n(1)在各个气象站点，以观测周期内的平均大气压作为基准值，每个月的实测大气压与该基准值作差，得到每个月大气压相对于基准值的变化值，转换得到等效水高的变化，1hPa百帕大气压变化对应1cm的垂直负荷形变；/n(2)利用全球大气压模型数据，展开得到负荷球谐系数模型，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，利用大气压数据计算得到CORS站点由于大气压变化引起的高程异常变化；/n步骤四：推算陆地水负荷引起的高程异常变化/n(1)利用GLDAS模型水文数据，以观测周期内的平均陆地水储量等效水高作为基准值，每个月的陆地水储量与该基准值作差，得到每个月陆地水储量相对于基准值的变化值；(2)将全球陆地水储量变化格网展开得到球谐系数模型，基于地球负荷形变理论，利用球谐系数模型，计算得到CORS站点由于陆地水储量变化引起的高程异常变化；/n步骤五：推算区域海平面变化引起的高程异常变化/n(1)利用AVISO全球海面高数据，以观测周期内的平均海面高作为基准值，每个月的海面高与该基准值作差，得到每个月海面高相对于基准值的变化值，并展开得到球谐系数模型；(2)利用高分辨率区域海平面变化数据，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，计算得到CORS站点由于海平面变化引起的高程异常变化；/n步骤六：推算CORS站点点位高程变化值，实现高程基准动态监测与维持。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法，其特征在于：具体方法步骤如下：
步骤一：生成CORS站点三维坐标时间序列，在区域内或周边选定若干个稳定的国际或国家基准站作为约束，解算CORS站网站点三年观测数据，生产单日解，同时获得连续多年的综合解，解算得到CORS站点相对于综合解三维坐标变化时间序列；
步骤二：开展CORS站大地高时间序列分析与重构，
针对每座CORS站大地高单日解时间序列，以切比雪夫函数为基函数，对时间序列进行低频参数估计，分离线性项；按低频参数重构大地高非线性变化时间序列，作为粗差探测的基准，按3倍残差标准差，探测并剔除粗差，得到干净的大地高非线性变化时间序列；对时间序列散点进行周期估计，估计得到周期项参数，然后重构大地高非线性变化时间序列；
步骤三：推算大气压负荷引起的高程异常变化，
(1)在各个气象站点，以观测周期内的平均大气压作为基准值，每个月的实测大气压与该基准值作差，得到每个月大气压相对于基准值的变化值，转换得到等效水高的变化，1hPa百帕大气压变化对应1cm的垂直负荷形变；
(2)利用全球大气压模型数据，展开得到负荷球谐系数模型，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，利用大气压数据计算得到CORS站点由于大气压变化引起的高程异常变化；
步骤四：推算陆地水负荷引起的高程异常变化
(1)利用GLDAS模型水文数据，以观测周期内的平均陆地水储量等效水高作为基准值，每个月的陆地水储量与该基准值作差，得到每个月陆地水储量相对于基准值的变化值；(2)将全球陆地水储量变化格网展开得到球谐系数模型，基于地球负荷形变理论，利用球谐系数模型，计算得到CORS站点由于陆地水储量变化引起的高程异常变化；
步骤五：推算区域海平面变化引起的高程异常变化
(1)利用AVISO全球海面高数据，以观测周期内的平均海面高作为基准值，每个月的海面高与该基准值作差，得到每个月海面高相对于基准值的变化值，并展开得到球谐系数模型；(2)利用高分辨率区域海平面变化数据，采用基于负荷球谐系数模型的移去恢复方法和负荷格林函数积分公式，计算得到CORS站点由于海平面变化引起的高程异常变化；
步骤六：推算CORS站点点位高程变化值，实现高程基准动态监测与维持。


2.根据权利要求1所述的一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法，其特征在于：步骤一重构的CORS站大地高时间序列值确定点位大地高变化值再加上步骤二到步骤五确定的高程异常改正数，从而确定地单位正常高的变化量，实现高程基准动态监测与维持。


3.根据权利要求1所述的一种基于CORS站网的高程参考框架动态监测方法，其特征在于：步骤二根据CORS站大地高时间序列的线性项和非线性低频周期参数，即可内插或外推给定两个时刻的大地高变化

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杰，董传胜，孟静，武剑，张鹏，杜彬，
申请(专利权)人：山东省国土测绘院，
类型：发明
国别省市：山东;37