地震科普 | 中國大陸地殼運動GPS觀測技術的發展

GPS（全球定位系統）在最初的設計中並未包含高精度測量功能，即GPS空間大地測量技術，是後來由美國宇航局和麻省理工學院的幾位空間大地測量學家基於已有的甚長基線干涉測量原理，額外地開發了這一特別的民用功能，隨即被公認爲是GPS最引人注目的亮點成就之一。

1981年，全球第一套商業化大地測量型GPS設備（TI-4100）在美國問世，這是GPS大地測量技術正式投入使用的里程碑事件。與傳統的大地測量相比，現代GPS大地測量技術不僅將精度提高了2～3個數量級，而且將效率提升了千萬倍。

具體到大地測量應用中最具挑戰的地殼運動和構造變形監測——從全球板塊運動到局域斷層滑動，目前的GPS大地測量技術均能做到“四高四全”的觀測，即高精度、高效率、高機動、高動態；全天候、全時段、全自動、全維度。

中國大陸地殼運動

GPS觀測技術的發展

一.

基於國際合作的開啓階段

我國基於GPS大地測量技術的地殼運動觀測，最早可追溯到3項重要的國際合作。

1.中德紅河斷裂帶GPS觀測合作項目：1988年，國家地震局地震研究所與德國漢諾威大學大地測量研究所合作，在滇西地震試驗場沿紅河斷裂帶兩側佈設了16個GPS觀測站，並於1991年進行了複測。

2.中美青藏高原東部及鄰區GPS觀測合作項目：1991年，地質礦產部成都地質礦產研究所和美國麻省理工學院合作，在青藏高原東部及鄰區，佈設了27個GPS觀測站，通過1991—1995年的4期觀測，定量地初步勾畫了青藏高原東南緣現今構造變形的東向逃逸和順時針渦旋等特徵，爲研究青藏高原隆升擴展的地球動力學機制提供了重要約束。

3.中美意跨喜馬拉雅GPS觀測合作項目：1991年，美國科羅拉多大學博爾德分校和意大利裡雅斯特大學牽頭的跨喜馬拉雅GPS觀測合作項目，實施了青藏高原5個GPS觀測的佈設和觀測，我國的西安地質學院、四川省地震局、新疆地震局等單位協助。

這些國際合作，開啓了我們對GPS地殼運動觀測的實踐，培養和鍛鍊了國內最早一批GPS大地測量專家，尤爲受益的方面是GPS數據處理技術，爲日後我國GPS地殼運動觀測的自主大力發展奠定了至關重要的基礎。

二.

自主嘗試階段

在“八五”期間，隨着美國GPS導航系統的全面建成和國際上GPS地殼運動觀測研究的蔚然興起，我國的GPS地殼運動觀測亦進入了自主佈網、全面嘗試的發展階段。

1992年，國家攀登計劃開展了“現代地殼運動與地球動力學”研究項目，率先在全國佈設了包含22站的“中國地殼運動GPS監測網”。與此同時，由國家地震局統一部署，在中國大陸一些重要的構造活動區域，地震研究所、第一地形變監測中心、第二地形變監測中心、山西省地震局、福建省地震局和新疆地震局等單位陸續佈設了局域性GPS地殼運動觀測網。

中國大陸最早期的GPS地殼運動觀測網

三.

整體佈局階段

隨着GPS大地測量技術的全面成熟，我國在“九五”期間實施了國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網絡”，由中國地震局牽頭聯合總參測繪局、中國科學院和國家測繪局，以統一設計、統一規程、統一部署和統一驗收的先進管理方式，建成了覆蓋中國大陸及部分島礁的“中國地殼運動GPS觀測網絡”。

中國地殼運動觀測網絡GPS站分佈圖

該GPS觀測網絡包括27個連續觀測的GPS基準站，56個年度複測的GPS基本站和1000個不定期複測的GPS區域站。其中，基準站和基本站較爲均勻地分佈於中國大陸，主要監測一級構造塊體之間的相對運動。而區域站的70%密集分佈於一系列主要斷裂帶和地震重點監視區，直接監測斷裂運動和構造變形，服務於地震監測預測和地球科學研究。其餘的30%相對均勻地分佈在中國大陸，站距大約爲250～350km，主要服務於軍事測繪保障和基礎測繪需要。

“九五”階段建成的中國地殼運動GPS觀測網絡，從設計理念、涵蓋範圍、建設標準和數據質量等方面，均到達了同期國際先進水平，因而與全球著名的日本GEONET、美國PBO形成了三足鼎立之勢，受到了全球的廣泛關注。不過，該時期我們基於國情以流動GPS觀測爲主的運行模式，因無法滿足連續化地殼形變監測的需求，日後的大幅升級改造成爲必然。

四.

升級加密階段

2001年，也就是在“中國地殼運動觀測網絡”建成之初就制定了二期發展的規劃。進入“十一五”階段，在國家發改委的大力資助下，在2007—2012年期間實施二期工程，全面升級改造爲“中國大陸構造環境監測網絡”（簡稱“陸態網絡”）。

陸態網絡由中國地震局牽頭，聯合總參測繪局、中國科學院、國家測繪局、中國氣象局和教育部共同建設。其連續GPS觀測站數量由原來27站增加至260站；流動GPS觀測站數量由原來1000站增加至2000站；原來基本網的56個定期流動GPS觀測站，部分升級爲連續觀測站，部分納入2000流動GPS觀測站。

需要指出，在“十一五”階段的二期工程中，鑑於國際上其他三大衛星系統——俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、歐盟的伽利略(GALILEO）和中國的北斗（BDS）相繼發展，我們嘗試將以往單一依靠的GPS大地測量技術，拓寬爲GNSS（全球導航衛星系統）大地測量技術。但時至今日，由於三大系統各自的種種原因，再加之IGS（國際GNSS服務）“幕後支撐”的乏力，GLONASS、GALILEO和BDS的大地測量定位精度尚不能滿足毫米級地殼運動和構造變形的監測需求。

二期工程陸態網絡的實施，建成了覆蓋中國大陸及近海的高精度、高時-空分辨率的地殼運動監測網絡，以完整、連續、可靠的綜合監測數據和數據產品，服務於地震預測、科學研究、軍事測繪、大地測量和氣象預報等多學科領域，使我國在空間對地觀測領域的研究和應用水平躍入國際先進行列。

五.

引領國際階段（2015—）

近年來，中國大陸以增強導航定位精度和（或）服務實時工程測量爲主要目的GNSS地面參考站數量正在迅猛增加，全國各省（直轄市）或許多城市，都有自己的“連續GNSS參考站網系統”。根據粗略的統計，這樣的連續GNSS觀測站總數不少於30000站。

雖然這些觀測站數量龐大，但分佈位置並非專門針對一些緊迫的地震重點監測區。爲此，在一系列地震重點監測區，中國地震局近年來也一直進行連續GNSS觀測站的加密工作。譬如，目前正在穩步推進的川滇“地震科學試驗場”項目，已在該區域加密佈設了近300站，局部的連續GPS觀測臺陣站間距不到15km。而在即將實施的下一步規劃設計中，還將在該區域加密佈設近600站。

中國地殼運動GNSS觀測網絡連續觀測站加密和擴充

因此，中國大陸目前可用於地殼運動觀測的GPS網絡設施無論是整體覆蓋範圍和平均密度，還是局部重點構造區域的針對性密集觀測，均已遙遙領先於世界各國。目前的挑戰和機遇，是如何充分利用全球一流的GNSS觀測網絡和海量的GNSS觀測數據，產出全球一流的科學產品，服務於國內和國際。

觀測技術的應用與成果

中國地殼運動觀測網絡不但服務和應用於地震科學觀測、地震監測預測、地球動力學研究，還可服務於電離層電子密度變化監測、近地空間圈水汽含量變化監測和災害天氣預測、城市地面沉降監測、地質滑坡災害監測、建築物/構築物安全性監測，同時可兼顧國防軍事測繪保障、民用工程測繪基礎、國家大地測量框架維護、高精度導航差分改正服務等。

下圖作爲示例，展示我們基於GPS觀測技術，在不同階段所獲取的中國大陸地殼運動圖像，其空間分辨率的不斷提高，可在一定程度上反映出30年的發展歷程和技術進步。

基於1991—2000年GPS觀測的中國地殼運動圖

基於1991—2004年GPS觀測的中國地殼運動圖

基於1991—2018年GPS觀測的中國地殼運動圖

參考資料：

《中國大陸地殼運動GPS觀測技術進展與展望》甘衛軍

來源：濟震微訊