《中国大陆现代垂直形变图集的编制与资料整编》项目数据集
2021-12-07薄万举郑智江董运洪刘文龙张立成万文妮杜雪松李林蔚
陈 欣 薄万举 郑智江 宋 雯 董运洪 刘文龙 张立成 万文妮 杜雪松 马 青 李林蔚
(中国天津 300180 中国地震局第一监测中心)
0 引言
20 世纪80 年代,我国地震形变与地震地质专家合作,利用大量精密水准资料和地震水准资料编制了第1 张中国大陆垂直形变图;90 年代初,在全面收集资料的基础上,编制了第2 张中国大陆垂直形变图。2 套图在现今构造运动和强震中长期预测等领域发挥了重要作用。研究发现,大多数强震均发生在垂直形变的高梯度带部位。2001 年,测绘专家利用20 世纪90 年代以前的3 期精密水准资料编制了第3 张中国大陆垂直形变图(黄立人等,1993;黄立人等,2004;顾国华,2005),其结果进一步证明了地壳(表)运动存在空间上的差异性和时间上的动态性,并明确了静态大地测量与动态大地测量相结合是维持高精度高程控制网的基本保障,为确定高程控制网复测周期、基准修订、高程修订与更新等奠定了基础(王文利等,2019)。上述3 张垂直形变图在多领域发挥重要作用的同时,表现出共同的不足之处:①采用各自假定的参考基准,不利于多种信息的融合使用和新图系列化编研;②缺乏必要的多点约束,导致误差积累较大;③资料种类单一,全球定位系统(GPS)和雷达干涉测量(InSAR)等技术的作用尚未体现;④图件信息比较单一,未充分兼顾多方面需求;⑤时效性已无法满足需求,不同时空尺度的形变信息有待进一步挖掘。
随着国民经济的快速发展,汶川大地震等造成的社会易损性凸显,城市地面沉降已经对社会发展造成了显著影响,以防灾减灾为主要目标的地震预测预报工作,以区域经济可持续发展为目标的地面沉降控制工作,均需要密切关注多时空分辨率的地壳垂直形变及其变化情况。2015 年起为期5 年的国家科技基础性工作重点专项“中国大陆现代垂直形变图集的编制与资料整编”完成了新一代多时空垂直形变图集的编制工作。形成的图集包含中国大陆20 世纪60 年代—90 年代、20 世纪90 年代—21 世纪10 年代和20 世纪60 年代—21 世纪10 年代共11 幅垂直形变图件(每幅包含1:400 万和1:2 400 万2 种尺度)以及相关数据。多时空分辨率垂直形变图将为我国城市规划、国防建设、重大工程的地震安全性评价、抗震设防等提供科学依据和基本信息,为强震趋势和危险区预测工作提供支持(张祖胜等,1981,1996;杨国华,1991;薄万举等,2001;武艳强等,2013)。
1 数据采集和处理
1.1 数据基础
1.1.1 组织收集、录入整编中国大陆历史精密水准测量资料。具体工作步骤如下:①全面收集1950—2016 年中国大陆尺度的精密复测水准资料,不少于3 期:1959—1979 年中国大陆尺度的精密水准资料(约10 万千米,监测时段1959—1979 年,第1 期);20 世纪90 年代前后中国大陆尺度的精密水准资料(约12 万千米,监测时段1980—1989 年,第2期);2012 年前后中国大陆尺度的精密水准资料(约13 万千米,第3 期);②全面收集具有较高时空分辨率的典型构造区多期水准复测资料(包括南北地震带、张渤地震带、山西断陷带和燕山构造带等地区)、强震区多期水准复测资料(包括1966 年邢台、1975 年海城、1976 年唐山、1989 年大同、1998 年张北、2008 年汶川和2013 年芦山等地震);③京津唐沧地面沉降区多期复测资料;④完成纸介质资料的数字化录入工作,立项时估算需收集、整理、手工录入的水准资料约76万千米,累计水准测点数约18万个(复测水准点重复计算);⑤进行相关的改正、同点异名的确认与补充、粗差剔除、数据校核、强震等典型事件影响分离等工作;⑥进行数据整编。(Hanssen et al,1999;张四新等,2006,2008)
1.1.2 收集、筛选GNSS 连续站和流动站点的全部复测资料。(1)收集和筛选GNSS 连续观测资料和解算结果。由于GNSS 资料具有统一的参考基准,在大范围地形变观测中可在一定程度上用于约束和抑制水准测量误差随路线长度的传递与积累,因此本项目首次将 GNSS垂向运动速率引入全国垂直形变图编制工作。为了获取GNSS 连续观测结果中包含的周期信号,本项目拟从不同系统和单位收集筛选400 多个时间累计长度6 年以上的GNSS 连续站观测资料和相关解算成果。数据收集工作兼顾点位空间分布的均匀性、不同观测站点的毗邻性、测站的稳定性等特点(符养,2002;陶芸等,2014;王庆良等,2014)。
(2)收集和筛选GNSS 流动站点复测资料。在保证GNSS 连续资料中时序信息(特别是周期信息)有效提取的基础上,根据数据分布特点、测站稳定性、有效数据时长等筛选条件,收集900 个以上观测时间跨度达10 年的GNSS 流动站点的全部复测资料。另外,2009 年以来陆态网络区域站增加1 000 多个,项目研究过程中可选择将一些相对稳定的测点和活动构造带上的特征点纳入垂直形变信息提取工作(杨建图等,2006)。
1.1.3 收集代表性年份每月气象观测资料。(1)大陆范围气温、气压、降水等实际观测资料收集。根据课题“多源信息协调处理与融合产出方法的研制与优选”中“形变信息修正方法和计算方案”专题的实际需求,收集代表性年份的中国大陆范围内气温、气压、降水等实际观测资料按月分布结果,同时收集中国大陆范围内气温、气压、降水的模型化资料。
(2)构建气温、气压和降水分布的时空变化模型。具体操作如下:①根据“形变信息修正方法和计算方案”专题的实际需求,对收集的中国大陆范围内气温、气压、降水等实际观测资料,按照专题要求的格式进行整理;②在资料收集基础上,利用代表性年份的中国大陆范围内气温、气压、降水等实际观测资料的按月分布结果及其模型化资料,构建气温、气压和降水分布的时空变化模型,为后续对垂直形变结果的修正工作提供数据支撑。
1.1.4 InSAR 观测资料收集。探索水准、GNSS、InSAR 资料的融合应用,一方面力争在可能的区域和时段,给出融合应用的结果,另一方面对自然环境特殊、难以实施常规大地测量的区域,可用InSAR 资料补充必要的地壳垂直形变信息(Gens et al,1998;Andrew Hooper,2008;许才军,2010;罗三明等,2014)。
1.1.5 弥补性联测加测。联测水准测线长度累计2 700 km;联测任务由中国地震局第一监测中心(以下简称一测中心)和中国地震局第二监测中心(以下简称二测中心)共同承担完成。其中:一测中心负责联测测线长度1 500 km,工作区域以中国东部为主;二测中心负责联测测线长度1 200 km,工作区域以中国西部为主。
1.2 数据处理过程
中国大陆历史水准资料数据具有空间覆盖范围大、时间跨度长、分布散乱的特点,各个时期的数据存放方式(纸质、电子)、分布领域(地震系统内外)、存储格式等有较大不同,尤其是早期数据资料,基本是以纸质形式、分散存放的。对这些纷繁复杂的大量历史水准资料,抢救性整理、录入工作量大,需要耗费大量人力、物力和时间。对此,将项目要求的历史水准资料整理工作分期分类,由一测中心和二测中心2 个任务承担单位共同完成。
1.2.1 一测中心完成的历史水准资料录入整理及数据预处理情况。(1)水准数据预处理(水准复测资料环线拼接计算):完成2015 期水准复测资料(全国一等水准复测从2012 年初开始观测,截至2016 年10 月已经收集全国12 万千米水准观测资料,简称2015 期水准复测资料)和1990 期水准复测资料(我国1990 年前后进行了一等水准网联测,简称1990 期水准复测资料)的拼环工作。步骤如下:①以1990 年前后施测的全国一等水准网为基础,删去一些未复测资料的路线,舍掉未重复观测的水准点及部分突跳点,整理得到7 204 个同名水准点;②对整理所得同名点后的数据进行环线拼接计算;③将预处理结果提交项目进一步使用。
(2)历史水准数据录入情况:第一期录入工作需要对20 世纪80 年代13 册共计2 954页纸质存放的测线长度157 810.7 km 水准资料进行录入。为此成立7 个小组,共25 人参与第一期长度约16 万千米的数据录入工作。第二期录入工作需要对20 世纪50 年代、60年代、70 年代58 册(图集中图2-8、图2-9)共计3 572 页纸质水准资料进行录入。为此成立8 个小组,共32 人参与第二期长度约18 万千米的数据录入工作。这些历史水准资料录入工作已完成,并经检查后全部提交项目成图计算使用。
1.2.2 二测中心完成的历史水准资料录入、整理情况。(1)历史水准高差成果整理完成情况:将二测中心现存的中国大陆中西部地区(主要是南北地震带及附近水准网、新疆天山中段和郯庐断裂带中南段附近水准网线)20 世纪70 年代以来大量历史水准观测成果,按资料存放方式(纸质、电子)、存储格式和完整程度进行分类录入整理。
从现存的大量纷繁复杂的历史水准资料结构看,各个时间阶段的数据存放方式(纸质、电子)和存储格式有较大不同。尤其是资料时间较早的1970—1979 年、1980—1995 年、1996—2003 年3 个时间段,数据均以纸质存放。操作步骤如下:①对不同存放方式(纸质、电子)和存储格式的历史水准资料进行归集整理,分析判断资料的可靠性和完整性;②参照《大地形变流动观测数据库》数据入库格式,完成批量录入程序编写工作;③按项目课题数据交换的既定格式,分阶段整理并提交电子高差成果表。为此,累计整理历史水准线路1 536 条,录入校对提交水准资料测线长度合计141 313 km。
(2)历史水准点之记收集整理情况:由于水准高差成果和观测点信息的强关联性,水准点之记及点位信息(主要是经纬度)整理是重要的基础工作。二测中心1970—2016 年高差成果涉及观测点约16 200 个,观测年代跨度较大,且丢失点、破坏点、别名点、纸质点之记较多。结合《大地形变流动观测数据库》数据入库目标要求,针对以上3 种点位信息,完成批量入库程序编写工作,入库内容包含点之记携带的所有信息及附件;对以上3 种来源点之记数据进行去重等整理,完成39 000 个点之记数据结构化整理工作。
2 数据内容描述
本数据集含11 幅中国大陆垂直形变图,包括3 幅不同时段的中国大陆水准垂直形变矢量图、3 幅等值线图、3 幅垂直形变梯度图、1 幅中国大陆GNSS 垂直矢量图和1 幅GNSS 等值线图。20 世纪80 年代—21 世纪10 年代的图形示例见图1、图2。
图1 中国大陆垂直形变矢量图Fig.1 The vector map of the Chinese mainland vertical deformation
图2 中国大陆垂直形变等值线图Fig.2 The contour map of the Chinese mainland vertical deformation
2.1 要素项
本数据集数据要素项内容说明详见表1。
表1 数据要素项内容说明Table 1 Description of the content of data element items
(1)图名。11 幅图每幅图的图名不同,尽量由图名反映不同图所含要素的差异,如主要数据手段(水准或GNSS)、覆盖时段、比例尺、形变信息要素(速率矢量、等值线或梯度)等。
(2)断层。采用中国地震局为预报研究人员提供的断层分布图,叠加到断层地图之上。
(3)主要构造的中英文标注。为了便于观察垂直形变空间分布在不同构造区块间的差异,对典型构造空间的概略位置进行人工标注(中英文),如部分主要构造带、断裂带、盆地和典型构造块体等。
(4)比例尺。11 幅中国大陆垂直形变图为1:400 万及1:2 400 万2 个比例尺尺度,图上均有标注。
(5)垂直形变速率矢量。11 幅图中有4 幅为不同时段的中国大陆垂直形变速率矢量图,其中有3 幅以精密水准测量资料为主给出,1 幅以GNSS 测量资料为主给出;为了更清楚地展示不同区域垂直形变的差异,垂直形变速率矢量比例尺是有变化的,详见各图图例。垂直形变矢量的量纲为“mm/a”,即“毫米/年”。
(6)等值线。使用计算机绘制等值线。11 幅图中有4 幅不同时段的中国大陆垂直形变速率等值线图,有3 幅中国大陆垂直形变速率梯度等值线图。各图的图例中均有标注。
(7)国境线。基于国家测绘局1996 年出版发行的标准地图制作。
(8)底图。基于国家测绘局提供共享的底图,在等值线图与底图叠加合成时,采用半透明功能,图形放大后可见地形的凹凸分布,便于观察垂直形变速率分布与地形之间的关系。
(9)投影。11 幅中国大陆垂直形变图均采用割圆锥投影。
2.2 时间范围
11 幅图覆盖的时间范围为1960s—2010s,即为20 世纪60 年代至21 世纪10 年代。每幅图覆盖的时间范围均为形变信息时段,在图名中给出。如图2 所示,图名为“中国大陆垂直形变速率等值线图(1980s—2010s)”,其中“1980s—2010s”表示该图代表的时段为“20 世纪80 年代到21 世纪10 年代”。上述表示格式由其特殊性所决定。计算垂直形变速率,至少需要2 期水准测量资料,算出垂直形变量,进而求出速率。对于中国大陆,全面测量一期水准,需要几年至几十年的时间,而1980s 代表本图所用第一期资料的中心时间段为20世纪80年代,2010s代表本图所用第二期资料的中心时间段为21世纪10年代,依此类推。
2.3 空间范围
11 幅图所涉及研究区空间范围均为中国大陆。
3 数据输出质量及准确度
3.1 时间频度
该图集在时间上分4 个时段,每个时段需要2 期以上观测资料才能计算垂直形变变化量,进而求出地壳垂直形变速率。其中:①第一时段(1960s—1980s):20 世纪60 年代至80 年代,分别给出垂直形变矢量图、等值线图和梯度图。20 世纪60 年代数据因早期资料不足,在时间上,覆盖了20 世纪50 年代、70 年代及少量80 年代的数据,中心时间近似表述成“1960s”,即20 世纪60 年代;后面关于时间表述的含义基本一致,只是随着观测数据在时间上获取频度的增加,测量数据覆盖全国一次所需时间越来越短。因此,时间频度具有变化。为解决这一矛盾,用赫尔默特迭代确权、多手段融合的动态速率平差法,求得大时间尺度、大空间尺度的低频垂直形变速率信息,主要用于地壳形变中长期演化规律及强震中长期预测研究;②第二时段(1980s—2010s):20 世纪80 年代至21 世纪10 年代;③第三时段(1960s—2010s):20 世纪60 年代到21 世纪10 年代;④第四时段:1999—2018 年。
前3 个时段均以精密水准测量资料为主体,求出地面垂直形变速率,沿水准路线的测点相对较密,相邻测点间的高差精度较高,可获得相对可信度较高的垂直形变速率在水平方向变化梯度的信息,故前3 个时段均给出矢量图、等值线图和梯度图。而第4 个时段为以GNSS 观测资料为主给出的1999—2018 年时段的垂向变化速率结果,相邻点距比水准大得多,得不到相应空间分辨率的梯度信息,故只给出垂直形变矢量图和等值线图。
3.2 空间基准和精度
(1)空间基准。垂直形变速率的空间基准以往采用经典基准、广义逆基准、拟稳基准或均衡基准。本数据集的11 幅形变图的速率基准处理方法为:使用全球框架下遍布全国、联测到水准路线上的几十个GNSS 连续站垂向运动速率做带误差约束,利用赫尔默特动态速率平差求得全国水准点的垂向速率,再转换到均衡基准。其精度通过平差计算,每个点的垂向速率均给出精度估计值。但等值线和梯度数据的精度含义有所不同,等于在时间上和空间上进行滤波,去掉了相应的高频成分,相当于在原有点位速率集精度意义下提取特定频率信息,用于中长期地壳形变演化和强震中长期预测研究。
(2)空间精度。矢量图的比例尺是变化的,详见各图图例;等值线图采用栅格数据,分辨率为0.25°×0.25°。
(3)空间粒度。中国大陆境内,未分省、县。实际信息的空间粒度与全国一等水准路线分布有关,不同区域相差较大,但与行政区划无关。
4 数据应用前景
本数据集所包含的新一代中国大陆垂直形变图是对前几代垂直形变图的更新和完善,为研究中国大陆地壳变化提供了重要依据,可广泛应用于科学研究、抗震设防、地震安全性评价、城市规划、沉降控制、国防建设,为强震趋势和危险区预测工作提供支持。
5 结束语
中国大陆垂直形变多时间和空间分辨率图集的产出,进一步展示了地壳垂直形变的多样性与复杂性。为了强震中长期预测研究的需要,本项目主要侧重于时间域和空间域内中长期形变信号与图像的获取,因此假定地壳形变速率在较长时段内不变,受条件所限,不得不忽略了中高频形变信息的存在和影响;在有条件的地方,对垂直形变演化过程进行了展示与探索。相信随着科学技术的不断进步和资料的不断积累,对时间域和空间域的地表垂直形变信息频谱及其演化规律,会进行不断深入的研究,也会不断产出新的成果。