《中國大陸現代垂直形變圖集的編制與資料整編》項目數據集

陳 欣 薄萬舉 鄭智江 宋 雯 董運洪 劉文龍 張立成 萬文妮 杜雪松 馬 青 李林蔚

（中國天津 300180 中國地震局第一監測中心）

0 引言

20 世紀80 年代，我國地震形變與地震地質專家合作，利用大量精密水準資料和地震水準資料編制了第1 張中國大陸垂直形變圖；90 年代初，在全面收集資料的基礎上，編制了第2 張中國大陸垂直形變圖。2 套圖在現今構造運動和強震中長期預測等領域發揮了重要作用。研究發現，大多數強震均發生在垂直形變的高梯度帶部位。2001 年，測繪專家利用20 世紀90 年代以前的3 期精密水準資料編制了第3 張中國大陸垂直形變圖（黃立人等，1993；黃立人等，2004；顧國華，2005），其結果進一步證明了地殼（表）運動存在空間上的差異性和時間上的動態性，并明確了靜態大地測量與動態大地測量相結合是維持高精度高程控制網的基本保障，為確定高程控制網復測周期、基準修訂、高程修訂與更新等奠定了基礎（王文利等，2019）。上述3 張垂直形變圖在多領域發揮重要作用的同時，表現出共同的不足之處：①采用各自假定的參考基準，不利于多種信息的融合使用和新圖系列化編研；②缺乏必要的多點約束，導致誤差積累較大；③資料種類單一，全球定位系統（GPS）和雷達干涉測量（InSAR）等技術的作用尚未體現；④圖件信息比較單一，未充分兼顧多方面需求；⑤時效性已無法滿足需求，不同時空尺度的形變信息有待進一步挖掘。

隨著國民經濟的快速發展，汶川大地震等造成的社會易損性凸顯，城市地面沉降已經對社會發展造成了顯著影響，以防災減災為主要目標的地震預測預報工作，以區域經濟可持續發展為目標的地面沉降控制工作，均需要密切關注多時空分辨率的地殼垂直形變及其變化情況。2015 年起為期5 年的國家科技基礎性工作重點專項“中國大陸現代垂直形變圖集的編制與資料整編”完成了新一代多時空垂直形變圖集的編制工作。形成的圖集包含中國大陸20 世紀60 年代—90 年代、20 世紀90 年代—21 世紀10 年代和20 世紀60 年代—21 世紀10 年代共11 幅垂直形變圖件（每幅包含1:400 萬和1:2 400 萬2 種尺度）以及相關數據。多時空分辨率垂直形變圖將為我國城市規劃、國防建設、重大工程的地震安全性評價、抗震設防等提供科學依據和基本信息，為強震趨勢和危險區預測工作提供支持（張祖勝等，1981，1996；楊國華，1991；薄萬舉等，2001；武艷強等，2013）。

1 數據采集和處理

1.1 數據基礎

1.1.1 組織收集、錄入整編中國大陸歷史精密水準測量資料。具體工作步驟如下：①全面收集1950—2016 年中國大陸尺度的精密復測水準資料，不少于3 期：1959—1979 年中國大陸尺度的精密水準資料（約10 萬千米，監測時段1959—1979 年，第1 期）；20 世紀90 年代前后中國大陸尺度的精密水準資料（約12 萬千米，監測時段1980—1989 年，第2期）；2012 年前后中國大陸尺度的精密水準資料（約13 萬千米，第3 期）；②全面收集具有較高時空分辨率的典型構造區多期水準復測資料（包括南北地震帶、張渤地震帶、山西斷陷帶和燕山構造帶等地區）、強震區多期水準復測資料（包括1966 年邢臺、1975 年海城、1976 年唐山、1989 年大同、1998 年張北、2008 年汶川和2013 年蘆山等地震）；③京津唐滄地面沉降區多期復測資料；④完成紙介質資料的數字化錄入工作，立項時估算需收集、整理、手工錄入的水準資料約76萬千米，累計水準測點數約18萬個（復測水準點重復計算）；⑤進行相關的改正、同點異名的確認與補充、粗差剔除、數據校核、強震等典型事件影響分離等工作；⑥進行數據整編。（Hanssen et al，1999；張四新等，2006，2008）

1.1.2 收集、篩選GNSS 連續站和流動站點的全部復測資料。（1）收集和篩選GNSS 連續觀測資料和解算結果。由于GNSS 資料具有統一的參考基準，在大范圍地形變觀測中可在一定程度上用于約束和抑制水準測量誤差隨路線長度的傳遞與積累，因此本項目首次將 GNSS垂向運動速率引入全國垂直形變圖編制工作。為了獲取GNSS 連續觀測結果中包含的周期信號，本項目擬從不同系統和單位收集篩選400 多個時間累計長度6 年以上的GNSS 連續站觀測資料和相關解算成果。數據收集工作兼顧點位空間分布的均勻性、不同觀測站點的毗鄰性、測站的穩定性等特點（符養，2002；陶蕓等，2014；王慶良等，2014）。

（2）收集和篩選GNSS 流動站點復測資料。在保證GNSS 連續資料中時序信息（特別是周期信息）有效提取的基礎上，根據數據分布特點、測站穩定性、有效數據時長等篩選條件，收集900 個以上觀測時間跨度達10 年的GNSS 流動站點的全部復測資料。另外，2009 年以來陸態網絡區域站增加1 000 多個，項目研究過程中可選擇將一些相對穩定的測點和活動構造帶上的特征點納入垂直形變信息提取工作（楊建圖等，2006）。

1.1.3 收集代表性年份每月氣象觀測資料。（1）大陸范圍氣溫、氣壓、降水等實際觀測資料收集。根據課題“多源信息協調處理與融合產出方法的研制與優選”中“形變信息修正方法和計算方案”專題的實際需求，收集代表性年份的中國大陸范圍內氣溫、氣壓、降水等實際觀測資料按月分布結果，同時收集中國大陸范圍內氣溫、氣壓、降水的模型化資料。

（2）構建氣溫、氣壓和降水分布的時空變化模型。具體操作如下：①根據“形變信息修正方法和計算方案”專題的實際需求，對收集的中國大陸范圍內氣溫、氣壓、降水等實際觀測資料，按照專題要求的格式進行整理；②在資料收集基礎上，利用代表性年份的中國大陸范圍內氣溫、氣壓、降水等實際觀測資料的按月分布結果及其模型化資料，構建氣溫、氣壓和降水分布的時空變化模型，為后續對垂直形變結果的修正工作提供數據支撐。

1.1.4 InSAR 觀測資料收集。探索水準、GNSS、InSAR 資料的融合應用，一方面力爭在可能的區域和時段，給出融合應用的結果，另一方面對自然環境特殊、難以實施常規大地測量的區域，可用InSAR 資料補充必要的地殼垂直形變信息（Gens et al，1998；Andrew Hooper，2008；許才軍，2010；羅三明等，2014）。

1.1.5 彌補性聯測加測。聯測水準測線長度累計2 700 km；聯測任務由中國地震局第一監測中心（以下簡稱一測中心）和中國地震局第二監測中心（以下簡稱二測中心）共同承擔完成。其中：一測中心負責聯測測線長度1 500 km，工作區域以中國東部為主；二測中心負責聯測測線長度1 200 km，工作區域以中國西部為主。

1.2 數據處理過程

中國大陸歷史水準資料數據具有空間覆蓋范圍大、時間跨度長、分布散亂的特點，各個時期的數據存放方式（紙質、電子）、分布領域（地震系統內外）、存儲格式等有較大不同，尤其是早期數據資料，基本是以紙質形式、分散存放的。對這些紛繁復雜的大量歷史水準資料，搶救性整理、錄入工作量大，需要耗費大量人力、物力和時間。對此，將項目要求的歷史水準資料整理工作分期分類，由一測中心和二測中心2 個任務承擔單位共同完成。

1.2.1 一測中心完成的歷史水準資料錄入整理及數據預處理情況。（1）水準數據預處理（水準復測資料環線拼接計算）：完成2015 期水準復測資料（全國一等水準復測從2012 年初開始觀測，截至2016 年10 月已經收集全國12 萬千米水準觀測資料，簡稱2015 期水準復測資料）和1990 期水準復測資料（我國1990 年前后進行了一等水準網聯測，簡稱1990 期水準復測資料）的拼環工作。步驟如下：①以1990 年前后施測的全國一等水準網為基礎，刪去一些未復測資料的路線，舍掉未重復觀測的水準點及部分突跳點，整理得到7 204 個同名水準點；②對整理所得同名點后的數據進行環線拼接計算；③將預處理結果提交項目進一步使用。

（2）歷史水準數據錄入情況：第一期錄入工作需要對20 世紀80 年代13 冊共計2 954頁紙質存放的測線長度157 810.7 km 水準資料進行錄入。為此成立7 個小組，共25 人參與第一期長度約16 萬千米的數據錄入工作。第二期錄入工作需要對20 世紀50 年代、60年代、70 年代58 冊（圖集中圖2-8、圖2-9）共計3 572 頁紙質水準資料進行錄入。為此成立8 個小組，共32 人參與第二期長度約18 萬千米的數據錄入工作。這些歷史水準資料錄入工作已完成，并經檢查后全部提交項目成圖計算使用。

1.2.2 二測中心完成的歷史水準資料錄入、整理情況。（1）歷史水準高差成果整理完成情況：將二測中心現存的中國大陸中西部地區（主要是南北地震帶及附近水準網、新疆天山中段和郯廬斷裂帶中南段附近水準網線）20 世紀70 年代以來大量歷史水準觀測成果，按資料存放方式（紙質、電子）、存儲格式和完整程度進行分類錄入整理。

從現存的大量紛繁復雜的歷史水準資料結構看，各個時間階段的數據存放方式（紙質、電子）和存儲格式有較大不同。尤其是資料時間較早的1970—1979 年、1980—1995 年、1996—2003 年3 個時間段，數據均以紙質存放。操作步驟如下：①對不同存放方式（紙質、電子）和存儲格式的歷史水準資料進行歸集整理，分析判斷資料的可靠性和完整性；②參照《大地形變流動觀測數據庫》數據入庫格式，完成批量錄入程序編寫工作；③按項目課題數據交換的既定格式，分階段整理并提交電子高差成果表。為此，累計整理歷史水準線路1 536 條，錄入校對提交水準資料測線長度合計141 313 km。

（2）歷史水準點之記收集整理情況：由于水準高差成果和觀測點信息的強關聯性，水準點之記及點位信息（主要是經緯度）整理是重要的基礎工作。二測中心1970—2016 年高差成果涉及觀測點約16 200 個，觀測年代跨度較大，且丟失點、破壞點、別名點、紙質點之記較多。結合《大地形變流動觀測數據庫》數據入庫目標要求，針對以上3 種點位信息，完成批量入庫程序編寫工作，入庫內容包含點之記攜帶的所有信息及附件；對以上3 種來源點之記數據進行去重等整理，完成39 000 個點之記數據結構化整理工作。

2 數據內容描述

本數據集含11 幅中國大陸垂直形變圖，包括3 幅不同時段的中國大陸水準垂直形變矢量圖、3 幅等值線圖、3 幅垂直形變梯度圖、1 幅中國大陸GNSS 垂直矢量圖和1 幅GNSS 等值線圖。20 世紀80 年代—21 世紀10 年代的圖形示例見圖1、圖2。

圖1 中國大陸垂直形變矢量圖Fig.1 The vector map of the Chinese mainland vertical deformation

圖2 中國大陸垂直形變等值線圖Fig.2 The contour map of the Chinese mainland vertical deformation

2.1 要素項

本數據集數據要素項內容說明詳見表1。

表1 數據要素項內容說明Table 1 Description of the content of data element items

（1）圖名。11 幅圖每幅圖的圖名不同，盡量由圖名反映不同圖所含要素的差異，如主要數據手段（水準或GNSS）、覆蓋時段、比例尺、形變信息要素（速率矢量、等值線或梯度）等。

（2）斷層。采用中國地震局為預報研究人員提供的斷層分布圖，疊加到斷層地圖之上。

（3）主要構造的中英文標注。為了便于觀察垂直形變空間分布在不同構造區塊間的差異，對典型構造空間的概略位置進行人工標注（中英文），如部分主要構造帶、斷裂帶、盆地和典型構造塊體等。

（4）比例尺。11 幅中國大陸垂直形變圖為1:400 萬及1:2 400 萬2 個比例尺尺度，圖上均有標注。

（5）垂直形變速率矢量。11 幅圖中有4 幅為不同時段的中國大陸垂直形變速率矢量圖，其中有3 幅以精密水準測量資料為主給出，1 幅以GNSS 測量資料為主給出；為了更清楚地展示不同區域垂直形變的差異，垂直形變速率矢量比例尺是有變化的，詳見各圖圖例。垂直形變矢量的量綱為“mm/a”，即“毫米/年”。

（6）等值線。使用計算機繪制等值線。11 幅圖中有4 幅不同時段的中國大陸垂直形變速率等值線圖，有3 幅中國大陸垂直形變速率梯度等值線圖。各圖的圖例中均有標注。

（7）國境線。基于國家測繪局1996 年出版發行的標準地圖制作。

（8）底圖。基于國家測繪局提供共享的底圖，在等值線圖與底圖疊加合成時，采用半透明功能，圖形放大后可見地形的凹凸分布，便于觀察垂直形變速率分布與地形之間的關系。

（9）投影。11 幅中國大陸垂直形變圖均采用割圓錐投影。

2.2 時間范圍

11 幅圖覆蓋的時間范圍為1960s—2010s，即為20 世紀60 年代至21 世紀10 年代。每幅圖覆蓋的時間范圍均為形變信息時段，在圖名中給出。如圖2 所示，圖名為“中國大陸垂直形變速率等值線圖（1980s—2010s）”，其中“1980s—2010s”表示該圖代表的時段為“20 世紀80 年代到21 世紀10 年代”。上述表示格式由其特殊性所決定。計算垂直形變速率，至少需要2 期水準測量資料，算出垂直形變量，進而求出速率。對于中國大陸，全面測量一期水準，需要幾年至幾十年的時間，而1980s 代表本圖所用第一期資料的中心時間段為20世紀80年代，2010s代表本圖所用第二期資料的中心時間段為21世紀10年代，依此類推。

2.3 空間范圍

11 幅圖所涉及研究區空間范圍均為中國大陸。

3 數據輸出質量及準確度

3.1 時間頻度

該圖集在時間上分4 個時段，每個時段需要2 期以上觀測資料才能計算垂直形變變化量，進而求出地殼垂直形變速率。其中：①第一時段（1960s—1980s）：20 世紀60 年代至80 年代，分別給出垂直形變矢量圖、等值線圖和梯度圖。20 世紀60 年代數據因早期資料不足，在時間上，覆蓋了20 世紀50 年代、70 年代及少量80 年代的數據，中心時間近似表述成“1960s”，即20 世紀60 年代；后面關于時間表述的含義基本一致，只是隨著觀測數據在時間上獲取頻度的增加，測量數據覆蓋全國一次所需時間越來越短。因此，時間頻度具有變化。為解決這一矛盾，用赫爾默特迭代確權、多手段融合的動態速率平差法，求得大時間尺度、大空間尺度的低頻垂直形變速率信息，主要用于地殼形變中長期演化規律及強震中長期預測研究；②第二時段（1980s—2010s）：20 世紀80 年代至21 世紀10 年代；③第三時段（1960s—2010s）：20 世紀60 年代到21 世紀10 年代；④第四時段：1999—2018 年。

前3 個時段均以精密水準測量資料為主體，求出地面垂直形變速率，沿水準路線的測點相對較密，相鄰測點間的高差精度較高，可獲得相對可信度較高的垂直形變速率在水平方向變化梯度的信息，故前3 個時段均給出矢量圖、等值線圖和梯度圖。而第4 個時段為以GNSS 觀測資料為主給出的1999—2018 年時段的垂向變化速率結果，相鄰點距比水準大得多，得不到相應空間分辨率的梯度信息，故只給出垂直形變矢量圖和等值線圖。

3.2 空間基準和精度

（1）空間基準。垂直形變速率的空間基準以往采用經典基準、廣義逆基準、擬穩基準或均衡基準。本數據集的11 幅形變圖的速率基準處理方法為：使用全球框架下遍布全國、聯測到水準路線上的幾十個GNSS 連續站垂向運動速率做帶誤差約束，利用赫爾默特動態速率平差求得全國水準點的垂向速率，再轉換到均衡基準。其精度通過平差計算，每個點的垂向速率均給出精度估計值。但等值線和梯度數據的精度含義有所不同，等于在時間上和空間上進行濾波，去掉了相應的高頻成分，相當于在原有點位速率集精度意義下提取特定頻率信息，用于中長期地殼形變演化和強震中長期預測研究。

（2）空間精度。矢量圖的比例尺是變化的，詳見各圖圖例；等值線圖采用柵格數據，分辨率為0.25°×0.25°。

（3）空間粒度。中國大陸境內，未分省、縣。實際信息的空間粒度與全國一等水準路線分布有關，不同區域相差較大，但與行政區劃無關。

4 數據應用前景

本數據集所包含的新一代中國大陸垂直形變圖是對前幾代垂直形變圖的更新和完善，為研究中國大陸地殼變化提供了重要依據，可廣泛應用于科學研究、抗震設防、地震安全性評價、城市規劃、沉降控制、國防建設，為強震趨勢和危險區預測工作提供支持。

5 結束語

中國大陸垂直形變多時間和空間分辨率圖集的產出，進一步展示了地殼垂直形變的多樣性與復雜性。為了強震中長期預測研究的需要，本項目主要側重于時間域和空間域內中長期形變信號與圖像的獲取，因此假定地殼形變速率在較長時段內不變，受條件所限，不得不忽略了中高頻形變信息的存在和影響；在有條件的地方，對垂直形變演化過程進行了展示與探索。相信隨著科學技術的不斷進步和資料的不斷積累，對時間域和空間域的地表垂直形變信息頻譜及其演化規律，會進行不斷深入的研究，也會不斷產出新的成果。