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利用垂直重力梯度异常反演海底地形的解析方法

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测绘学报 2022年第1期51卷 53-62页

作者：徐焕于锦海安邦万晓云中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国地质大学(北京)土地科学与技术学院北京100083

目前,基于重力数据反演海底地形方法的主要原理是利用测深数据拟合出海底地形与重力(或重力梯度)数据之间的线性关系,这会导致对不同的海底地形会有不同的线性关系。为了克服这种不确定性的制约,本文基于长方体海山产生的垂直重力梯度... 详细信息

目前,基于重力数据反演海底地形方法的主要原理是利用测深数据拟合出海底地形与重力(或重力梯度)数据之间的线性关系,这会导致对不同的海底地形会有不同的线性关系。为了克服这种不确定性的制约,本文基于长方体海山产生的垂直重力梯度的表达式,通过将研究海域进行格网化,建立了垂直重力梯度(vertical gravity gradient,VGG)与海深之间的函数关系,即关于海深的观测方程组,在此基础上,通过模拟计算,验证了观测方程组的解不仅唯一可解,而且具有较好的抗误差干扰性质。由于观测方程组受到研究海域外海山的影响(分为边界效应、远区影响),因此,需要相应的数学方法来处理这些影响。本文将研究海域进行扩充得到扩展区域,然后在扩展海域上研究观测方程组,此时为了避免观测方程组出现奇异性,引入了正则化方法对扩展后的观测方程组进行求解,并从中截取研究海域上的海深。模拟试验表明,使用正则化方法后,边界效应对反演海深的均方根误差为0.48 m。最后,对南中国海真实海底地形进行了反演计算,将反演的海深与研究海域内的289个船测数据点进行对比,反演结果的均方根误差达到109 m。

关键词：海底地形垂直重力梯度边界效应远区影响正则化

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全球海底地形精细建模进展与发展趋势

武汉大学学报（信息科学版） 2022年第10期47卷 1555-1567页

作者：孙和平李倩倩鲍李峰吴自银武凛中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室湖北武汉430077 中国科学院大学北京100049 国家海洋局海底科学重点实验室浙江杭州310012 国家海洋局第二海洋研究所浙江杭州310012

精细的海底地形模型在海底板块构造运动、水下载体航行保障、海洋资源勘探等方面具有重要作用。回顾国内外海底地形探测技术和模型构建的发展,讨论当前全球海底地形精细建模的研究现状和面临的主要挑战,总结今后全球海底地形精细建模的... 详细信息

精细的海底地形模型在海底板块构造运动、水下载体航行保障、海洋资源勘探等方面具有重要作用。回顾国内外海底地形探测技术和模型构建的发展,讨论当前全球海底地形精细建模的研究现状和面临的主要挑战,总结今后全球海底地形精细建模的发展趋势,认为基于卫星测高技术的海洋重力场反演仍是未来全球海底地形精细建模的主要技术手段,并且新体制测高卫星如双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)二维海面高测量任务将为进一步提升海洋重力场以及海底地形模型精度提供数据源,结合地形复杂度优化海底地形反演理论方法有望带来理论创新,探索人工智能技术用于海底地形精细建模值得关注。

关键词：海底地形卫星测高重力场反演多波束测深双星跟飞测高全球水深模型

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利用卫星测高数据反演全球海底地形研究进展

吉林大学学报（地球科学版） 2023年第6期53卷 2029-2044页

作者：蒋涛姜笑郭金运张忠辉中国测绘科学研究院北京100830 山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 自然资源部第一大地测量队西安710054

高精度高分辨率全球海底地形模型是研究地球形状及内部结构的重要基础数据,在海底板块运动研究、海啸监测预警、深海资源勘探、海底工程建设、航海安全保障和海洋国土划界等方面具有重要价值。广袤而深邃的海洋使得人类精准测绘海底地... 详细信息

高精度高分辨率全球海底地形模型是研究地球形状及内部结构的重要基础数据,在海底板块运动研究、海啸监测预警、深海资源勘探、海底工程建设、航海安全保障和海洋国土划界等方面具有重要价值。广袤而深邃的海洋使得人类精准测绘海底地形面临艰巨挑战,由于卫星测高技术具备全球覆盖、高精度高分辨率和周期性重访海洋动态观测能力,已成为全球海底地形测绘的主要手段。本文概述了利用卫星测高数据反演全球海底地形的研究现状与最新进展,研究内容主要包括卫星测高数据反演海底地形的基本原理、主要卫星测高模式与任务、海洋重力场反演、海底地形反演方法及模型产品等。最后,展望了构建高精度动态全球海底地形模型的发展趋势,并从卫星测高数据、船测水深数据和海底地形反演技术等方面开展了可行性分析。

关键词：卫星测高海洋重力场海底地形导纳函数法线性回归法重力地质法

联合重力异常和重力垂直梯度异常数据反演皇帝山海域海底地形

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海洋学报 2022年第12期44卷 126-135页

作者：阳凡林沈瑞杰梅赛屠泽杰辛明真山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 自然资源部海洋测绘重点实验室山东青岛266590 中国地质调查局青岛海洋地质研究所山东青岛266237

海底地形对开展海洋科学调查和研究十分重要。以多波束为主的回声测深技术测量成本高且效率低,几十年来仅实现了全球约20%的海床测绘。对于空白区(特别是深海区域),可以借助重力异常和重力垂直梯度异常进行回归分析反演得到,但该方法得... 详细信息

海底地形对开展海洋科学调查和研究十分重要。以多波束为主的回声测深技术测量成本高且效率低,几十年来仅实现了全球约20%的海床测绘。对于空白区(特别是深海区域),可以借助重力异常和重力垂直梯度异常进行回归分析反演得到,但该方法得到的比例因子鲁棒性不强。为了解决这一问题,同时考虑到两种重力数据在表征海底地形长短波长的不同优势,本文结合滑动窗口赋权和稳健回归分析来反演海底地形。在太平洋皇帝山海域(35°~45°N,165°~175°E)的实验结果表明:在船测检核点处,本文构建模型的标准差为61.02 m,相比于单一重力数据反演模型,精度分别提高了14.92%(重力异常)和2.08%(重力垂直梯度异常),能较好地反映皇帝海山链的地形走势。

关键词：重力异常重力垂直梯度异常海底地形稳健回归分析滑动窗口

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利用重力地质法反演南极阿蒙森海海底地形

极地研究 2023年第1期35卷 24-33页

作者：袁寒箫王永康李杰张化疑唐秋华自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 国家海洋环境监测中心辽宁大连116023

根据船测单波束数据和V30.1重力异常模型,采用重力地质法(Gravity Geologic Method,GGM)反演得到南极阿蒙森海1'×1'分辨率海底地形。在精度分析中,首先通过GGM反演模型与其他常用的水深模型对比,验证了使用GGM水深模型所反演的南极阿... 详细信息

根据船测单波束数据和V30.1重力异常模型,采用重力地质法(Gravity Geologic Method,GGM)反演得到南极阿蒙森海1'×1'分辨率海底地形。在精度分析中,首先通过GGM反演模型与其他常用的水深模型对比,验证了使用GGM水深模型所反演的南极阿蒙森海海底地形的整体精度最高;然后,分析了水深控制点数量和地形起伏度对反演精度的影响,结果表明地形起伏对反演精度影响较大,而通过增加水深控制点数量则能够提高反演精度;最后,对研究区域进行水深分区处理,分析了密度差异常数与外界因素的关系,得出密度差异常数也受地形起伏影响较大,为此提出了一种基于水深分区计算局部区间最优密度差异常数的GGM法,相比采用全局最优密度差异常数反演海底地形,该方法使反演精度有了明显提高。

关键词：重力地质法重力异常海底地形阿蒙森海水深分区

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测高数据反演海底地形研究进展与展望

地球物理学进展 2022年第6期37卷 2291-2300页

作者：欧阳明达地理信息工程国家重点实验室西安710054 信息工程大学地理空间信息学院郑州450052 西安测绘研究所西安710054

针对卫星测高技术发展研究现状,重点突出海洋重力场建模和海底地形反演技术,分析两者相关关系,介绍了国际上公开发布的两款海洋重力模型,阐述了国内相关技术发展现状;对测高数据反演海底地形的重力地质方法、S&S法、导纳函数法、垂直重... 详细信息

针对卫星测高技术发展研究现状,重点突出海洋重力场建模和海底地形反演技术,分析两者相关关系,介绍了国际上公开发布的两款海洋重力模型,阐述了国内相关技术发展现状;对测高数据反演海底地形的重力地质方法、S&S法、导纳函数法、垂直重力梯度异常的解析算法研究进展情况进行了梳理,给出了算法基本原理和数理基础.

关键词：卫星测高海洋重力场海底地形导纳函数

单层/双层地壳物理参数对重力数据反演海底地形影响分析

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地球物理学进展 2022年第6期37卷 2258-2266页

作者：范雕李姗姗孟书宇单建晨黄炎王傲明刘鑫宇信息工程大学郑州450001 32022部队广州5106303 31201部队广州510630

针对利用海面重力数据构建海底地形模型质量受诸多地壳地球物理参数影响现状,以重力异常反演海底地形的频率域算法模型为基础,讨论了不同地球物理参数对单层/双层地壳仿真结构和不同均衡补偿模式下导纳函数各频段影响程度,推导给出了不... 详细信息

针对利用海面重力数据构建海底地形模型质量受诸多地壳地球物理参数影响现状,以重力异常反演海底地形的频率域算法模型为基础,讨论了不同地球物理参数对单层/双层地壳仿真结构和不同均衡补偿模式下导纳函数各频段影响程度,推导给出了不同地球物理参数及其组合对海底地形反演结果影响的定量数学表达.仿真试验结果表明,单层地壳的密度变化导致单层导纳函数和双层导纳函数明显分离;双层地壳仿真结构中海山载荷密度对导纳函数影响显著且几乎为全频段影响;因此,建议应用解析法开展数值试验分析时,重点考虑海山载荷密度(双层地壳)或者地壳密度(单层地壳)变化.就当前海底地形反演精度而言,运用相关解析算法建立海底地形数值模型时,应重点关注有效弹性厚度、平均海深、海山和海水密度差异参数取值准确性,特别是顾及地壳均衡补偿恢复海底地形,岩石圈有效弹性厚度(通过有效弹性厚度可获取挠曲刚度)取值准确程度将较大程度影响最终海底地形模型效能高低.

关键词：重力异常海底地形单层地壳模型双层地壳模型地球物理参数

倾倒活动对嵊泗上川山倾倒区及周边海域海底地形的影响研究

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海洋环境科学 2022年第4期41卷 489-495,503页

作者：蒋芸芸邱桔斐席颖邓艳芬赵建丽国家海洋局东海海洋环境调查勘察中心上海200137 中国极地研究中心上海200136

嵊泗上川山海洋倾倒区于2010年11月正式获批,至今已使用10年,共接纳疏浚物4108.4万m3,为洋山深水港区的建设提供了有力保障。本文对2015-2017年的水深地形跟踪监测数据进行冲淤变化分析,分析了倾倒区及周边海域海底地形的变化特征,研究... 详细信息

嵊泗上川山海洋倾倒区于2010年11月正式获批,至今已使用10年,共接纳疏浚物4108.4万m3,为洋山深水港区的建设提供了有力保障。本文对2015-2017年的水深地形跟踪监测数据进行冲淤变化分析,分析了倾倒区及周边海域海底地形的变化特征,研究了疏浚物倾倒对海底地形的影响程度,探讨了影响倾倒区海底地形变化的因素。研究表明,短期内倾倒活动对倾倒区及周边海域的海底地形淤高起到了一定的作用,但该海域水动力条件较好,长期来看,海底地形的变化趋近于自然状态下的演变。

关键词：倾倒区疏浚物海底地形地形冲淤

一种局部海域扰动重力数据反演海底地形的非线性序列相关方法

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地球物理学进展 2023年第2期38卷 631-640页

作者：翟振和孙中苗马健李楠管斌欧阳明达地理信息工程国家重点实验室西安710054 宇航动力学国家重点实验室西安710043

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率... 详细信息

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率时并不明显收敛,因此在用重力数据反演高分辨率海底地形时应顾及展开级数的高阶项并采取相应处理方法.在大量统计分析基础上,构建了局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形的非线性序列相关方法,该方法利用少量船测重力/水深测线数据获取非线性相关参数,而后利用卫星测高重力数据按非线性相关函数模型反演海底地形.试验分析表明,2次非线性相关函数反演效果表现较优,对于海底地形平缓海域,1°×1°区域内单条船载测线数据获得的相关参数即可达到2%相对精度.对于海底地形复杂海域,论文方法适用范围应该尽量缩小,30′×30′区域范围基于单条船载测线数据反演的相对精度可优于7%.从论文试验结果分析,海底地形与重力数据之间存在2次非线性相关函数特征,且这种特征在高分辨率情况下仍然适用,利用非线性函数模型并结合稀疏船载测量数据、密集卫星测高重力数据可为局部海域高分辨率海底地形反演提供一种可行的解算方法.

关键词：海底地形卫星测高船载重力/水深测量扰动重力 2次非线性相关函数