融合多源数据的局部重力场建模方法研究

Regional gravity field refinement is always one of the main scientific objectives of physical geodesy. This project aims at determining regional gravity field model with high resolution and high accuracy from the fusion of the along-track satellite observations of GRACE and GOCE missions, terrestrial, airborne and shipborne gravity data, gravity anomaly derived from satellite altimetry, and so on. The main contents are as follows: firstly,studying the pre-processing methods of heterogeneous gravity data, including spectral analysis, noise estimation, systematic errors correction, outliers detection and datum unification; secondly, determining the regional gravity field model based on multi-resolution least squares collocation and radial basis functions; finally, developing a software for regional gravity field modeling in line with engineering applications. The anticipated goal of this project is to provide efficient data processing methods and relevant software for high-resolution, high-accuracy regional gravity field modeling. Moreover, it has great scientific significance and practical value in relevant earth science fields, such as geodesy, geophysics, oceanography, geodynamics, and national economic and defensive construction.

精化局部地球重力场始终是物理大地测量学的主要科学目标之一。本项目以确定高分辨率高精度局部重力场为目标，开展重力卫星（如GRACE和GOCE）沿轨观测数据、地面重力数据、航空重力数据、船测重力数据、测高重力异常等多源信息的融合方法研究，主要内容包括：多源重力场信息的频谱分析、噪声估计、系统误差纠正及粗差探测、基准统一等预处理方法，局部重力场逼近的多分辨率最小二乘配置法和径向基函数法，满足工程化应用的局部重力场建模软件研制。预期研究成果将为高精度高分辨率局部重力场建模提供高效实用的数据处理方法和软件系统，在大地测量、地球物理、海洋学、地球动力学等地球科学相关研究领域及国家经济建设与国防建设中具有重要的科学意义和应用价值。

精化局部地球重力场始终是物理大地测量学的主要科学目标之一。以确定高分辨率高精度局部重力场为目标，本项目深入研究了重力卫星（如GRACE和GOCE）沿轨观测数据、地面重力数据、航空重力数据、船测重力数据、测高重力异常等多源信息的融合方法。主要成果包括：（1）给出了多源重力数据的精细预处理方法，包括多源重力场信息的频谱分析、噪声估计、系统误差纠正及粗差探测、基准统一等。（2）针对厘米级精度大地水准面精化，提出了基于球冠体积分的广义残差地形模型（GRTM）逼近短波重力场信号，以恢复地形因素引入的高频重力场效应。（3）建立了融合多源重力场信息的数据自适应泊松小波径向基函数法，结合广义交叉检验法（GCV）确定了径向基函数的个数、空间分布以及最佳深度，给出了多源重力数据合理定权的Monte-Carlo方差分量估计（MCVCE）及大型矩阵求逆的Cholesky 分解法，基于ScaLAPACK 并行计算库设计了高性能的并行算法。（4）联合沿轨GOCE重力梯度、多代卫星测高和其它多源重力观测数据构建了高精度局部重力场模型，量化了不同类型数据对局部重力场建模的贡献。（5）建立了基于小波多尺度分解和位场频谱分析理论构建多层基函数网络的方法，提出了局部重力场逼近的多层泊松小波径向基函数法，并通过实例比较验证了多层泊松小波径向基函数网络逼近局部重力场的有效性。（6）基于多分辨率最小二乘配置法和泊松小波径向基函数法，研制了融合多源重力场信息的局部重力场建模软件，通过实例分析验证了局部重力场建模方法及软件的正确性、可靠性和有效性。（7）利用GRACE和GOCE卫星观测数据分别构建了60阶次时变重力场模型WHU-Grace01s、160阶次静态重力场模型HUST-Grace2016s和240阶次静态重力场模型IGGT_R1，并收录于国际地球重力场模型中心。项目研究成果为高精度高分辨率局部重力场建模提供了高效实用的数据处理方法和软件系统，在大地测量、地球物理和海洋学等相关地球科学研究领域具有重要的科学意义和应用价值。