京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲空間插值研究

王勇,郝振航,婁澤生,石強(qiáng),李江波

(1.天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院,天津 300384;2.河北省氣象臺(tái),河北 石家莊 050022)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市地面沉降日趨加劇,由此,對(duì)這些地表變化現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)突顯得愈發(fā)重要．InSAR/D-InSAR技術(shù)具有全天候、高精度、高時(shí)空分辨率等特點(diǎn),是監(jiān)測(cè)地表形變、揭示地表變化時(shí)空發(fā)展規(guī)律的重要方法之一[1]．其中大氣水汽延遲是影響InSAR數(shù)據(jù)干涉測(cè)量結(jié)果精度的主要誤差源[2-3]．利用地基全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)觀測(cè)數(shù)據(jù)可反演高時(shí)空分辨率的對(duì)流層延遲序列．不同期對(duì)流層延遲的差異影響InSAR形變結(jié)果精度,多位學(xué)者利用GNSS對(duì)流層延遲進(jìn)行了InSAR大氣校正,有效提高了InSAR形變結(jié)果精度[3-5]．GPS數(shù)據(jù)用于改正InSAR中大氣延遲誤差的方法受GPS站點(diǎn)密度的限制,只利用有限的幾個(gè)站點(diǎn)所觀測(cè)到的大氣數(shù)據(jù)來(lái)生成干涉圖的大氣改正圖,往往達(dá)不到很好的效果[6]．Williams等[7]在1998年證實(shí)利用美國(guó)南加州GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng) (SCIGN)獲得的GPS水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值后可以降低大氣對(duì)InSAR干涉紋圖的影響．GNSS對(duì)流層延遲結(jié)合氣象要素可獲得與探空水汽精度一致的水汽信息,連續(xù)的水汽信息可為災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)[8-10],水汽還可為霧霾的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)提供參考.王勇等人[11-12]通過(guò)將北京、河北省多個(gè)站點(diǎn)在不同時(shí)期(霧霾高發(fā)期、亞洲太平洋經(jīng)濟(jì)合作組織(APEC)會(huì)議大氣污染控制期)與細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度比較,論證了水汽與PM2.5濃度存在顯著正相關(guān)特性．張雙成等人[13-15]以其他地區(qū)為例開(kāi)展了霧霾與GPS水汽的相關(guān)性分析．氣象部門(mén)可依據(jù)GNSS水汽含量變化開(kāi)展人工降水來(lái)減緩霧霾天氣的持續(xù)影響, 進(jìn)而為改善空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)[8]．GNSS水汽在一定程度上可用于霧霾天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)．

京津冀地處平原地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,重度污染過(guò)程頻發(fā),地表沉降較為嚴(yán)重,如何利用該地區(qū)GNSS連續(xù)觀測(cè)資料用于天氣預(yù)報(bào)、InSAR形變等研究具有重要意義．水汽與對(duì)流層延遲變化密切相關(guān),InSAR數(shù)據(jù)處理需要獲得不同期對(duì)流層延遲的差值，進(jìn)而去除大氣延遲差異的影響．京津冀地區(qū)GNSS測(cè)站間距數(shù)十千米,因而有必要開(kāi)展GNSS對(duì)流層延遲插值研究．本文將利用京津冀地區(qū)不同時(shí)期、不同天氣狀況的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展對(duì)流層延遲插值研究,并驗(yàn)證插值精度．

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文研究的京津冀地區(qū)GNSS數(shù)據(jù)包括河北省連續(xù)運(yùn)行參考站(GNSSCORS)站點(diǎn)及中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)中北京、天津的站點(diǎn),共計(jì)71個(gè)GNSS站點(diǎn),站點(diǎn)分布如圖1所示．

圖1 京津冀地區(qū)站點(diǎn)分布圖

GNSS對(duì)流層延遲是本文研究的基礎(chǔ),測(cè)站對(duì)流層延遲的計(jì)算過(guò)程如下:采用國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)精密星歷/松弛解模式結(jié)合的方式,采樣間隔為30s,解算時(shí)間為世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)00:00-24:00,按天解算．對(duì)流層延遲的設(shè)置為每小時(shí)解算一次,GAMIT軟件估算對(duì)流層延遲所用氣象參數(shù)采用默認(rèn)值．為獲得GNSS測(cè)站對(duì)流層延遲絕對(duì)值,引入同期長(zhǎng)距離IGS站(拉薩(LHAZ)、上海(SHAO)、烏魯木齊(URUM)、武漢(WUHN))聯(lián)合處理,通過(guò)GAMIT使用SAAS模型聯(lián)合解算測(cè)站數(shù)據(jù)反演得出對(duì)流層延遲[16]．

GNSS對(duì)流層延遲空間插值時(shí)間為2016年9月-2017年8月,逐月選取一天,并選擇SAR衛(wèi)星過(guò)境的整點(diǎn)時(shí)間的對(duì)流層延遲作為研究數(shù)據(jù),共12組數(shù)據(jù)．對(duì)流層延遲單位為m．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)選?。邓^(guò)程的發(fā)生導(dǎo)致水汽值的下降,同時(shí)對(duì)對(duì)流層延遲數(shù)值產(chǎn)生影響．為反映因降水引起對(duì)流層延遲變化是否對(duì)空間插值精度產(chǎn)生影響時(shí),在數(shù)據(jù)選擇上,保證2016年9月-2017年5月為未發(fā)生降水過(guò)程的數(shù)據(jù),2017年6-8月為發(fā)生降水過(guò)程的數(shù)據(jù)．

利用GNSS數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正時(shí),計(jì)算取得的GNSS對(duì)流層延遲與高程相關(guān),故進(jìn)行空間插值的過(guò)程中除顧及平面位置的影響外,有必要考慮高程差異的影響[17]．故選取其中10個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證時(shí),站點(diǎn)平均分布在京津冀平原地區(qū),除天津武清站缺失2016年9月數(shù)據(jù)外,其他數(shù)據(jù)完整．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取UTC時(shí)間10點(diǎn)的數(shù)據(jù),為InSAR大氣校正提供依據(jù)．京津冀地區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)和驗(yàn)證點(diǎn)分布如圖1所示．

1.2 研究方法

空間插值的方法有很多,通過(guò)隨機(jī)抽取1組整理好的GNSS對(duì)流層延遲數(shù)據(jù),分別采用普通克里金法、反距離權(quán)重法、樣條插值法對(duì)GNSS對(duì)流層延遲進(jìn)行空間插值(如圖2所示)．

由圖2可知,三種方法插值結(jié)果基本接近,但存在微小差異．提取插值獲得的10個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)流層延遲,與GAMIT反演的對(duì)流層延遲比較,計(jì)算平均偏差和均方根誤差,如表1所示．

(a)普通克里金法 (b)反距離權(quán)重法 (c)樣條插值法圖2 三種空間插值方法對(duì)比

平均偏差/cm均方根誤差/cm 普通克里金法0.521.20 反距離權(quán)重法0.140.56 樣條插值法2.284.34

由表1可知,根據(jù)計(jì)算獲得的平均偏差和均方根誤差,發(fā)現(xiàn):反距離權(quán)重法插值精度優(yōu)于普通克里金法和樣條插值法,因此,本文選擇反距離權(quán)重法進(jìn)行對(duì)流層延遲的空間插值．

2 GNSS對(duì)流層延遲插值

2.1 對(duì)流層延遲與水汽的相關(guān)性比較

鑒于部分GNSS站點(diǎn)未安置氣象觀測(cè)儀器,無(wú)法獲得氣壓、溫度等觀測(cè)數(shù)據(jù),因而無(wú)法計(jì)算GNSS站點(diǎn)水汽．水汽與對(duì)流層延遲之間存在什么樣的關(guān)系?是否可以將GNSS對(duì)流層延遲取代水汽?如能解決這兩個(gè)問(wèn)題,則可以利用GNSS對(duì)流層延遲插值結(jié)果用于短期天氣預(yù)報(bào)．為驗(yàn)證水汽與GNSS對(duì)流層延遲之間的關(guān)系,選擇河北省4個(gè)GNSS站點(diǎn)(已安置氣象儀器)開(kāi)展GNSS對(duì)流層延遲與水汽的相關(guān)性研究．4個(gè)站點(diǎn)為保定安新(SZAX)、承德豐寧(SZFN)、張家口懷安(SZHA)、張家口懷來(lái)(SZHL),數(shù)據(jù)時(shí)間為2013年3月1日-2014年2月28日,對(duì)流層延遲單位為m,水汽單位為mm,均為小時(shí)數(shù)據(jù)．GNSS對(duì)流層延遲和水汽的比較如圖3所示．

(a)SZAX (b)SZFN

(c)SZHA (d)SZHL圖3 GNSS對(duì)流層延遲和水汽的比較

由圖3可知,GNSS對(duì)流層延遲和水汽序列變化基本一致,兩者之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．計(jì)算兩者之間的相關(guān)性,相關(guān)性結(jié)果如表2所示．

表2 GNSS對(duì)流層延遲與水汽相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

由表2可知,GNSS 對(duì)流層延遲和水汽存在顯著正相關(guān)特性,兩者的相關(guān)性超過(guò)91.7%,故用GNSS對(duì)流層延遲代替水汽進(jìn)行插值研究分析是可行的．通過(guò)河北省多個(gè)站點(diǎn)分析,驗(yàn)證了GPS氣象學(xué)原理中對(duì)流層延遲與水汽的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系．

2.2 GNSS對(duì)流層延遲插值

利用ArcGIS軟件的反距離權(quán)重插值方法將去除驗(yàn)證點(diǎn)后的GNSS對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,圖4為4組不同季節(jié)的京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲插值圖．按點(diǎn)提取值的方法提取10個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的對(duì)流層延遲估算值,并與對(duì)流層延遲真實(shí)值比較,計(jì)算平均偏值和均方根誤差．圖5為驗(yàn)證點(diǎn)真實(shí)值與估算值的差值圖．表3示出了對(duì)流層延遲估算值,并與對(duì)流層延遲真實(shí)值的誤差統(tǒng)計(jì)．

(c)2017年4月 (d)2017年7月圖4 京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲插值圖

(a)前5個(gè)站點(diǎn) (b)后5個(gè)站點(diǎn)圖5 驗(yàn)證點(diǎn)真實(shí)值與估算值的差值

站點(diǎn)全年平均偏差/cm均方根誤差/cm無(wú)降水過(guò)程平均偏差/cm均方根誤差/cm降水過(guò)程平均偏差/cm均方根誤差/cmSZCD-0.020.950.260.82-0.840.95 SZYQ0.090.440.090.350.080.77 SZME0.530.510.640.480.210.56SZJO0.840.660.760.321.081.38 SZHH0.080.670.270.34-0.511.16 SZHS-0.130.63-0.380.350.610.76 SZXT-0.850.44-0.810.43-0.960.52

站點(diǎn)全年平均偏差/cm均方根誤差/cm無(wú)降水過(guò)程平均偏差/cm均方根誤差/cm降水過(guò)程平均偏差/cm均方根誤差/cm SZNP-0.410.50-0.340.39-0.640.81 SZLX0.210.890.010.770.831.11 TJWQ1.120.641.250.340.781.18

由圖5和表3可知,除武清站點(diǎn)缺失1組數(shù)據(jù)外,其他站點(diǎn)全年數(shù)據(jù)平均偏差最大為-0.85 cm,均方根誤差最大為0.89 cm;未發(fā)生降水過(guò)程平均偏差最大為-0.81 cm,均方根誤差最大為0.82 cm;發(fā)生降水過(guò)程平均偏差最大為1.08 cm,均方根誤差最大1.38 cm．天津武清估算的對(duì)流層延遲與GNSS對(duì)流層延遲之間誤差較大,分析其原因是天津南部和滄州北部無(wú)站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為插值依據(jù)．GNSS對(duì)流層延遲與水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)大致為6∶1,即6 mm GNSS對(duì)流層延遲可以轉(zhuǎn)換為1 mm水汽,除去武清站點(diǎn),其他站點(diǎn)在全年、有無(wú)降水過(guò)程的誤差最大均方根誤差為1.38 cm,折合成水汽為2.07 mm,京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲插值結(jié)果可以滿(mǎn)足氣象預(yù)報(bào)精度和InSAR大氣校正的要求．

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲與水汽進(jìn)行相關(guān)性分析,利用GNSS對(duì)流層延遲代替水汽進(jìn)行空間插值分析研究,獲得以下結(jié)論:

1)GNSS ZTD和PWV之間呈顯著正相關(guān),可以用GNSS對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)代替水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;

2)通過(guò)反距離權(quán)重的方法對(duì)京津冀平原地區(qū)進(jìn)行GNSS對(duì)流層延遲空間插值分析,除去武清站點(diǎn)缺失,其余站點(diǎn)的對(duì)流層延遲插值與實(shí)際值的均方根誤差最大為1.38 cm,對(duì)于武清站點(diǎn),可以通過(guò)天津市GNSS CORS資料補(bǔ)充插值,則京津冀地區(qū)GNSS對(duì)流層延遲插值結(jié)果可以滿(mǎn)足氣象預(yù)報(bào)精度和InSAR大氣校正的要求．