CGCS2000板塊運動模型建立方法研究*

高 樂 成英燕 廖靜娟

(1)中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，北京 100094 2)中國測繪科學研究院，北京100830)

CGCS2000板塊運動模型建立方法研究*

高 樂1，2)成英燕2)廖靜娟1)

(1)中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，北京 100094 2)中國測繪科學研究院，北京100830)

使用國家級CORS站數據，建立了CGCS2000板塊運動模型，該模型可以提供高精度的速度場，實現2000歷元至當前歷元的點位的歸算。

CGCS2000;板塊運動模型;靜態坐標;速度場;歷元歸算

1 引言

我國 CGCS2000坐標系只能提供對應于ITRF97框架2000.0歷元的靜態坐標，這對于廣泛采用的GPS精確定位(ITRF2005框架和當前歷元)帶來不便，若要進行轉換，必須要有高分辨率的速度場資料，其中板塊運動模型是一種有效方法［1-8］。

國外不少學者采用不同的方法建立了全球或區域地殼運動速度場［1-3］，國際地球參考框架ITRF也提供了全球IGS站點在ITRF框架下的速度，國內也有部分學者對中國地區的速度場進行了研究［4-7］。研究均給出了在國際地心坐標參考框架下的中國大陸區域地殼運動的趨勢，獲取了純數學意義的水平運動速度模型，為該領域的深入研究奠定了理論基礎。

在我國CGCS2000網中，目前為止共計有31個國家級CORS站，本文使用其中28個站(圖1)建立了基于合理塊體劃分的CGCS2000板塊運動模型。

2 站點位移的影響因素

建立在固體地球表面的基準站在全球參考框架主要受兩種運動影響：地殼構造運動和地球表面各種流體質量負荷變化引起的地殼形變。

地球構造運動，即板塊構造運動，是指測站附在所在板塊上，隨板塊在地球表面作歐拉運動，它主要表現為水平運動。剛性板塊無板內形變，穩定性好，幾百萬年間歐拉運動矢量基本不變，呈線性運動，其形變主要出現在板塊邊緣地區，ITRF框架內全球各板塊運動的速度在1～10 cm/a［8］。而地球表面的各種流體質量負荷變化引起的地殼形變主要是垂向運動，以季節性的周年和半年運動為主，并且穩定性較差，垂向周年運動的振幅可達厘米級，是流體質量負載引起的地殼形變的主項［9］。因此，目前地球參考框架的動態維持考慮的主要是地殼的構造運動。

全球的板塊運動［10］可用

來描述。式中，Ve、Vn是站點水平方向上的速度分量，Ωx、Ωy、Ωz是歐拉矢量的3個直角坐標分量，r為半徑，λ、φ是經緯度。

3 CGCS2000板塊運動模型的建立

3.1 塊體劃分

根據28個國家級CORS站數據，并參考國內外的研究成果，將我國劃分成7個較大的一級塊體(圖1)，測站的名稱和代碼對應如表1所示。

從圖1可見，每個塊體上至少有2個國家級CORS站，多則7～8個。其中東部地區的站點多，西部站點相對較少。

3.2 數據處理方法與結果

用文獻［9］的處理步驟對28個國家級CORS站1999—2009年的觀測數據進行處理，獲得了28個CORS站在ITRF05框架的位置及速度(圖2)，其中每個地塊上國家級CORS站N、E、U 3個方向的站坐標殘差時間序列如圖3～8所示(每個塊體上隨機選擇兩個CORS站)。

圖1 中國區域一級塊體劃分及國家級CORS站分布Fig.1 Division of first-level block and distribution of national-level CORS stations

從圖2～8可見：1)東部地區的3個塊體(東北、華北、華南)的CORS站具有自北向南、自西向東的運動趨勢，西部地區的4個塊體(青藏、西北)整體上具有順時針旋轉的運動趨勢;2)國家級CORS站水平方向呈明顯的線性運動。

3.3 現框架現歷元坐標到CGCS2000的歸算方法

表1 國家級CORS站代碼表Tab.1 Codelist of the mational-level CORS stations

圖2 國家CORS站速度場Fig.2 Velocity field of national-level CORS stations

圖3 處于東北地塊的海拉爾(HLAR)、長春(CHUN)站時間序列Fig.3 Time series of HLAR and CHUN stations located on Northeast block

利用各個塊體上國家級CORS站的坐標與速度，根據式(1)計算得到了各塊體的歐拉矢量Ωx、Ωy、Ωz。其坐標歸算方法可以按照以下3個步驟進行：

圖4 處于華北地塊的西安(XIAA)、泰安(TAIN)站時間序列Fig.4 Time series of XIAA and TAIN stations located on North China block

圖5 處于華南地塊的武漢(WUHN)、上海(SHAO)站時間序列Fig.5 Time series of WUHN and SHAO stations located on South China block

圖6 處于青藏地塊的拉薩(LHAS)、西寧(XNIN)站時間序列Fig.6 Time series of LHAS and XNIN stations located on Qinghai-Tibet block

1)利用各塊體的歐拉矢量根據式(2)估算站點在ITRF05下的站速度：

圖7 處于西北1地塊的烏什(WUSH)、塔什(TASH)站時間序列Fig.7 Time series of WUSH and TASH stations located on Northwest block 1

圖8 處于西北2地塊的烏魯木齊(URUM)、鼎新(DXIN)站時間序列Fig.8 Time series of URUM and DXIN stations located on Northwest block 2

即

其中V是站點在ITRF05框架下的速度，A是站點位置矩陣，Ω是塊體歐拉矢量。

2)由站速度將現框架現歷元坐標歸算2000.0歷元，即

3)ITRF05轉換到ITRF97框架，得到CGCS2000下的站坐標：

3.4 CGCS2000歸算精度分析

根據CGCS2000坐標歸算方法，求解SHAO、WUHN、BJFS、URUM、KUNM 5個站在CGCS2000下的坐標，其中前4個站與其CGCS2000的坐標真值進行比較;但CGCS2000沒有提供KUNM的真值坐標，因此利用 ITRF05框架下的速度場將現框架(ITRF05)與現歷元(2009.05.11)的坐標轉換到ITRF97及2000歷元下，認為此坐標是KUNM在CGCS2000下的真值坐標，兩個坐標的比較結果如圖9所示。

圖9 計算的X、Y、Z方向的坐標差異Fig.9 Calculated coordinate differences in X，Y，Z directions

圖9中URUM站的Y方向與其他站點相比，精度較差。初步分析是由下面原因造成的：根據式(1)，在板塊運動模型建立過程中僅使用了站點水平方向速度分量(Ve，Vn)，速度垂直分量未考慮在內，而式(2)求得的3個坐標直角站速度分量(Vx，Vy，Vz)中卻包含了垂向方向分量，也就包含了垂向誤差，因為站點垂向主要做周年、半年的周期性運動，而板塊運動模型是基于水平方向的線性運動建立的。因此，評價水平方向上的模型精度會更具說服力。其坐標精度如圖10所示。

圖10 水平方向的坐標差異Fig.10 Coordinate differences in horizontal direction

從圖9～10可見，使用28個國家級CORS站建立的中國地區一級塊體速度場精度可達厘米量級，建立的塊體歐拉運動模型的結果顯示了較高的精度，表明各塊體的歐拉運動的穩定性甚好。同時，結合圖1～2也發現，相對于東部地區，我國西部站點數量明顯偏少，而且運動趨勢比較復雜，導致西部地區模型精度相對有所降低(如URUM)，因此有必要對西部加入更多站點，并進行板塊細化，建立二級甚至三級板塊的運動模型，得到更加精確的CGCS2000板塊運動模型。

4 結語

采用國家級CORS網絡多年連續觀測數據，通過數據處理獲得了ITRF05下精確的站點坐標和速度場成果，結果證明國家級CORS站水平方向上具有明顯的線性運動趨勢，且同一塊體上各站運動趨勢相似，因此適于建立基于合理塊體劃分的板塊運動模型。利用CORS站水平方向的分量求取了中國各塊體的歐拉矢量，在此基礎上實現了現框架現歷元站址坐標到CGCS2000的轉換。所建立的板塊運動模型具有較高的精度，可達到厘米量級，因此該模型可為國內GNSS網的數據處理和平差提供較高精度的測站速度改正信息。

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ON CREATION METHOD FOR CGCS2000 PLATE MOTION MODELS

Gao Le1，2)，Cheng Yingyan1)and Liao Jingjuan1)

China Geodetic Coordinate System 2000(CGCS2000)can only provide static coordinate of stations based on ITRF97，epoch at 2000，using national-level CORS data，we have established the CGCS2000 plate motion model，which provides high-accuracy velocity field to realize stations’epoch reduction from 2000 to current epoch.

CGCS2000;plate motion models;static coordinate;velocity field;epoch reduction

1671-5942(2011)06-0058-05

2011-06-14

國家基礎測繪項目“地心坐標系推廣應用”(B2551);國家重點基礎研究計劃973項目(2009CB723901)

高樂，男，1985年生，博士，現從事對地觀測理論研究及數據處理.E-mail：sdgaole@163.com

P227

A

(1)Center for Earth Observation and Digital Earth，CAS，Beijing 100094 2)Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830)