一、川滇GNSS-InSAR融合形变场与鲜水河断裂震间滑动特征研究
开展GNSS站点的加密观测和GNSS数据的精细处理，为地块运动模型、断层运动模型等提供输入数据；完成川滇地区统一参考基准的构建，开展GNSS水准与水准资料联合平差方法研究，给出川滇地区三维地壳运动场；结合GNSS形变时间分辨率高和InSAR资料空间分辨率高的优势，发展高精度的融合策略，给出川滇地区鲜水河断裂带周边高精度、高分辨率连续形变场。
完成高精度GNSS数据优化解算策略研究，获取了高精度GNSS测站坐标时间序列。收集了陆态网络、中国气象局观测网络及中国地震局地震预测研究所区域监测网络所有测站1998-2021年的原始观测资料（图1-3），大多数连续站的观测起始时间为2010年左右，目前已有近12年观测数据，近半数流动站的观测期数超过10期。
图1 中国地震科学实验场及周边区域GNSS测站分布及数据统计情况
CMC_CON表示陆态网络连续站，CMA_CON表示气象局监测网络连续站，IEF_CON表示预测所区域网络连续站，CMC_CAM表示陆态网络流动站，IEF_CAM表示预测所区域网络流动站，图中颜色表示连续站连续观测时间/流动站观测期次。
图2 参考框架迭代绑定前GNSS测站坐标时间序列拟合残差统计
图3 参考框架迭代绑定后GNSS测站坐标时间序列拟合残差统计
采用Bernese 5.2软件对所有GNSS观测资料进行统一解算。针对Bernese软件数据解算中，由卫星轨道固定所引入的坐标单日解估计误差，采用控制基准滤波法进行正则方程滤波和系统误差消减。滤波过程中，通过矩阵变换，剔除正则方程中与外部基准有关的冗余信息，恢复正则方程的“秩亏”特性，确保坐标参数估计满足“自由网平差”的要求，消除单日解坐标估值中由卫星星历引入的系统误差。控制基准滤波后，测站坐标单日解正则方程由“满秩”转变为“秩亏”。
针对坐标参数估计中由参考框架站空间分布不均匀和坐标推估不精确所引入的参考框架网效应和“实现误差”，采用参考框架迭代绑定策略消减上述系统误差。挑选测网中稳定的，时间序列中没有显著瞬态信号的连续站作为“伪”参考框架站，利用包含线性项、周期项和非线性项的完整的拟合函数模型进行坐标时间序列拟合，并将拟合模型值作为下一次迭代的“标准”坐标，基于迭代前后时间序列拟合残差中误差的改进比率作为迭代阈值，确定迭代的次数，最后，挑选测网中稳定的ITRF2014参考框架站，将其坐标和速度估计值与ITRF2014“标准”值进行相似变换，实现测网的ITRF2014参考框架绑定，给出系统误差消减后的高精度三维坐标时间序列。图2和3给出了参考框架迭代绑定前后，陆态网络GNSS测站坐标时间序列拟合残差中误差的统计结果，由图可知：参考框架迭代绑定前，南北向坐标时间序列的拟合残差中误差显著大于东西向坐标时间序列的拟合残差中误差；参考框架迭代绑定后，水平向（东西向和南北向）坐标时间序列的拟合精度保持一致，拟合残差中误差约为1.5 mm，垂向坐标时间序列的拟合残差中误差约为4.5 mm。
完成三维形变场优化提取研究，获取高精度三维速度场。实验场区域GNSS测站坐标时间序列中包含显著的地震效应——同震和震后两个部分。基于Bernese 5.2软件的FODITS模块，根据震中距与震级的经验关系公式，分析2004年苏门答腊M9.1级、M8.6级、2008年汶川M8.0级地震、2010年玉树M7.1级地震、2013年芦山M7.0级地震和2017年九寨沟M7.0级地震等地震对实验场地区GNSS测站的影响，并结合震前和震后时间序列拟合速度场对比分析，识别出每个测站时间序列中可能存在的同震和震后效应，并利用阶跃函数和指数函数模型予以拟合。
针对连续站时间序列噪声模型，本项目采用噪声分析的方法逐个提取每个时间序列的噪声特征（白噪声分量和有色噪声的类型与分量），并据此构建连续站时间序列的最小二乘拟合随机模型。对于GNSS流动站，由于流动站时间序列的时间分辨率很低，速度场拟合中无法有效地约束时间序列中的周期信号，因此，对于流动站中显著的周期性运动特征，采用外部模型修正的策略扣除垂向时间序列中的周期信号，恢复流动站时间序列的线性特征。
综上所述，针对连续站时间序列，选用包含线性项、周期项、阶跃项和指数/对数项参数的完整拟合函数模型，结合地震效应约束方程和与噪声特征相关的拟合随机模型，基于最小二乘准则，拟合获得连续站三维速度场。针对流动站时间序列，选用去除周期项参数的拟合函数模型，连同地震效应约束和与共模误差噪声特征相关的拟合随机模型，拟合获得流动站三维速度场（图4和5）。
图4 实验场地区GNSS拟合水平速度场（相对于欧亚框架），图中红色箭头表示连续站速度场，蓝色箭头表示流动站速度场
图5 实验场地区GNSS拟合垂向速度场，速度单位为mm/a
图6 实验场地区GNSS统一水平速度场（相对于欧亚框架）
融合拟合获取的GNSS水平速度场与Wang et al.（2020）给出的速度场成果，挑选出两组速度场中的共同测站，利用共同测站的相似变换，给出实验场地区完整的GNSS水平速度场结果。由图可知，速度场融合后，实验场地区的GNSS水平速度场的空间分辨率获得显著提高（图6）。
完成应变率场解算，获取高精度高分辨率地壳应变率场。基于融合后的GNSS水平速度场数据，采用高斯距离加权法进行应变率场解算。基于测站的空间分布构建Voronoi多边形，根据GNSS测站所在Voronoi多边形的面积构建该测站速度的空间权重（多边形面积越大空间权重越大）。对研究区域进行格网划分，根据测站与格网点的空间距离构建该测站速度的高斯距离权重（距离越远距离权重越小）。将测站速度场的空间权和距离权相乘，构建格网点应变率解算的权阵，并以权阵的迹控制应变率场的平滑程度（迹越大应变率场越平滑）。联合测站速度场和权阵数据，基于最小二乘平差准则，解算出所有格网点的应变率参数，利用应变率参数的线性组合，给出实验场地区地壳主应变率场、最大剪切应变率场和旋转率场（图7、8）。
图7 实验场地区GNSS主应变率和旋转率场
图中红色箭头表示主压方向，蓝色箭头表示主拉方向
图8 实验场地区GNSS最大剪切应变率场
图中红色箭头对应右旋剪切方向，蓝色箭头对应左旋剪切方向
联合InSAR和GNSS观测数据，完成鲜水河断裂带炉霍-道孚段震间运动特征分析。
图9 (a) 鲜水河-小江断裂地震构造（b）炉霍-道孚段地震构造和观测数据分布
图（a）中，BYB：巴颜喀拉块体，CDB：川滇块体，GZYSF：甘孜-玉树断裂，XSHF：鲜水河断裂，ANHF：安宁河断裂，ZMHF：则木河断裂，XJF：小江断裂，EHS：东喜马拉雅构造结；图（b）中，右上角南北箭头指向表示卫星飞行方向，近东西向箭头表示视线向；图中黑色实线表示断层，蓝色、红色、紫色和棕色椭圆分别表示1973年M7.6地震、1923年M7.3地震、1904年M7地震和1981年M6.9地震的同震破裂区.
收集2016年1月25日至2019年12月11日30期Sentinel-1A降轨影像进行时序干涉处理（图9）。选取2018年3月27日的SLC影像作为主影像，各像对垂直基线长度为-150 m至100 m。使用ISCE软件topsStack数据处理模块进行影像配准和差分干涉处理，影像配准采用综合考虑主辅影像脉冲响应函数差异以及重叠区域偏差的增强谱分集方法，距离向和方位向多视比为4:1。使用StaMPS软件实现干涉图时序处理，使用永久散射体方法提取雷达波后向散射较强且时序上相对稳定的地物目标，数据信噪比较高，大气效应较小，轨道误差和地形误差分别使用POD精密定轨星历数据（精度5 cm）和SRTM-1sec数字高程模型（分辨率为30 m×30 m）进行校正，以提高永久散射体的形变速率精度。
InSAR形变速率场处理结果如图10所示，LOS向形变速率范围在-5 mm/a至5 mm/a之间，时间序列标准差整体分布于0-2 mm/a，部分区域受地形影响相对较大。炉霍-道孚段断层两侧形变速率存在明显差异，西南侧形变场以正值为主，代表卫星重访时间内，地面以靠近卫星视线方向运动为主，反之，东北侧以远离卫星视线方向为主，降轨卫星由北向南飞行且右侧视成像，呈现断层左旋运动现象。图10中黑色实线框表示断层两侧各10 km区域，速度场在断层两侧存在明显的速度不连续性，并且沿断层走向呈现变化特征，表现出空间差异的浅层蠕滑现象。
图10 InSAR LOS向形变速度场，正值表示地表靠近卫星的运动，黑色矩形框表示近断层10 km区域.
为了定量研究炉霍-道孚之间沿断层走向地表蠕滑速率的变化特征，分别选取断层两侧各5 km、10 km和15 km范围内LOS向形变速率进行分析。沿走向1 km等间隔划分垂直断层的剖面，并将各剖面内永久散射体速率投影至垂直断层的剖面上，分别拟合断层两侧数据点，断层处偏移量作为LOS向蠕滑速率。图11为采样点分布和滤波结果，断层两侧各5 km、10 km和15 km区域内PS数据等间隔采样得到的LOS向蠕滑速率沿走向具有较好的连续性，整体上分布于0.3-3.5 mm/a之间。三条速率曲线沿断层走向变化特征一致，炉霍至道孚呈现速率增大、减小，再次增大的变化特征。格篓、墟虚处表现出低速蠕滑运动，LOS向蠕滑速率为0.3-1.3 mm/a，炉霍处蠕滑速率为1.0-1.7 mm/a，虾拉沱处上升至~1.8 mm/a；道孚段蠕滑速率明显高于炉霍段，沟普和道孚处LOS向蠕滑速率达3.0 mm/a，道孚南东侧具有速率减小趋势。不同的跨断层剖面长度得到的地表蠕滑速率差异较小，为0-1.0 mm/a，但随着跨断层长度的增加，引入部分远场长波形变信号，蠕滑速率曲线波动性明显增强，如道孚两侧15 km跨断层长度采样得到的蠕滑速率相邻点变化梯度偏大，较为离散，考虑到近断层5 km区域InSAR形变场误差相对较大，因此确定断层两侧10 km作为近断层蠕滑效应的跨断层距离（图12）。
图12 LOS向地表蠕滑速率，图中D表示所选取断层两侧的距离，红色、黑色、蓝色标记和线条分别表示利用跨断层两侧各5 km、10 km、15 km区域内PS点统计的沿断层走向1 km等间隔蠕滑速率和移动均值滤波结果，灰色区域表示高程.
利用InSAR技术获取的地表连续速度场LOS向精度达毫米级，但作为近极地轨道卫星，其对南北向形变并不敏感。利用GNSS长时间连续观测得到的水平速度精度可达毫米级，但空间分辨率较低，监测范围较为局限。联合InSAR和GNSS则可以提高研究区域的时空观测能力，捕捉到详细的断层形变特征。融合InSAR和GNSS数据的方法主要分为如下步骤：对GNSS速度场进行插值，获取连续的地壳运动场；将InSAR和GNSS速度场统一转换至平行断层方向，借助InSAR数据去除GNSS速度场参考框架影响；基于远场形变反映断层长期构造运动的稳定性以及近场形变沿断层走向表现出的差异性，分别对远场和近场采用均值采样和四叉树采样，并保留近场的细节形变特征和远场的运动趋势特征。图13为GNSS、InSAR采样结果和速度场融合结果，融合后的速度场保持了近场局部短波长形变和远场长波形变。
图13 （a） GNSS形变采样 （b）InSAR形变采样 （c）GNSS和InSAR形变融合结果，速度场均为平行断层方向速率，图（c）中插图对应P1-P2段（黑色实线）的历史强震破裂区域.
图14 InSAR和GNSS速度场剖面数据分布和位错模型反演结果，图中黑色实线为模型速度
为了同时考虑浅层蠕滑和断层两侧块体深部长期的运动特征，我们建立包含两个螺旋位错的均质弹性半空间模型，以提取的鲜水河断裂带炉霍-道孚段两侧的GNSS和InSAR融合速度场数据为约束，对模型参数进行贝叶斯反演分析。对炉霍-道孚段的反演结果如图14所示，结果显示该段深部滑动（构造加载）速率约为8.74 mm/yr，在95%置信区间滑动速率为8.12 mm/yr至9.30 mm/yr；浅层蠕滑速率约3.80 mm/yr，蠕滑运动从地表延伸至深度9.85 km，向下至16.87 km断层闭锁。
二、基于GNSS和地表负荷模型获取青藏高原及周边地区垂直速度场
利用区域最优地表负荷模型（SML），获取高精度高空间分辨率的GNSS垂向地壳运动信息。根据地质地貌和构造活动板块差异，分区域构建最优地表负荷模型，再利用区域最优地表负荷模型来修正数千个GNSS流动站时间序列中所包含的非构造信号影响，重构时间序列中的构造形变信号。结果表明，采用区域最优SML对数千个GNSS流动站时间序列进行修正后，超过75%的测站的RMS减小，且大部分GNSS流动站的垂向速度场都能与其周围的连续站保持一致，表明了利用最优SML来修正非构造信号的可行性和可靠性。基于GNSS数据提取的青藏高原及周缘地区垂向构造形变场，精确刻画了青藏高原地区地壳垂向形变的运动学特征，同时为区域构造运动的地球动力学机制研究提供更全面的约束。
图12 实验场地区GNSS主应变率和旋转率场
图中红色箭头表示主压方向，蓝色箭头表示主拉方向
图13 实验场地区GNSS最大剪切应变率场
图中红色箭头对应右旋剪切方向，蓝色箭头对应左旋剪切方向
联合InSAR与GNSS观测深化断层运动研究：收集2016年1月25日至2019年12月11日30期Sentinel–1A降轨影像（垂直基线–150 m至100 m），以2018年3月27日SLC为主影像，用ISCE软件topsStack模块配准（增强谱分集法）与差分干涉（多视比4:1），StaMPS软件时序处理提取永久散射体（PS），用POD星历（精度~5 cm）与SRTM–1sec DEM（30 m）校正轨道与地形误差；获得LOS向形变速率场（–5至5 mm/a，标准差0~2 mm/a）（图14、图15）。
图14 (a) 鲜水河-小江断裂地震构造，（b）炉霍-道孚段地震构造和观测数据分布
图（a）中，BYB：巴颜喀拉块体，CDB：川滇块体，GZYSF：甘孜-玉树断裂，XSHF：鲜水河断裂，ANHF：安宁河断裂，ZMHF：则木河断裂，XJF：小江断裂，EHS：东喜马拉雅构造结；图（b）中，右上角南北箭头指向表示卫星飞行方向，近东西向箭头表示视线向；图中黑色实线表示断层，蓝色、红色、紫色和棕色椭圆分别表示1973年M7.6地震、1923年M7.3地震、1904年M7地震和1981年M6.9地震的同震破裂区.
图15 InSAR LOS向形变速度场，正值表示地表靠近卫星的运动，
黑色矩形框表示近断层10 km区域.
定量分析炉霍–道孚段蠕滑：沿断层走向1 km等间隔剖面，将PS速率投影至垂直断层方向拟合，得LOS向蠕滑速率；5/10/15 km跨断层采样结果连续（0.3–3.5 mm/a），炉霍–道孚呈“增–减–增”变化，格篓–墟虚低速（0.3–1.3 mm/a），炉霍中速（1.0–1.7 mm/a），虾拉沱~1.8 mm/a，道孚段高速（沟普–道孚达3.0 mm/a）；跨断层距离增大引入远场信号致曲线波动，结合5 km内InSAR误差较大，确定10 km为最优跨断层距离（图16）。
图16 LOS向地表蠕滑速率，图中D表示所选取断层两侧的距离，红色、黑色、蓝色标记和线条分别表示利用跨断层两侧各5 km、10 km、15 km区域内PS点统计的沿断层走向1 km等间隔蠕滑速率和移动均值滤波结果，灰色区域表示高程.
融合InSAR与GNSS数据：对GNSS场插值得连续场；统一转至平行断层方向，用InSAR去除GNSS参考框架影响；对远场用均值采样、近场用四叉树采样，保留细节与趋势（图17）；建立双螺旋位错均质弹性半空间模型，以融合速度场为约束贝叶斯反演，得炉霍–道孚段深部构造加载速率8.74 mm/yr（95% CI: 8.12–9.30 mm/yr），浅层蠕滑速率3.80 mm/yr（地表–9.85 km），闭锁深度9.85–16.87 km（图18）。
图17 （a） GNSS形变采样 （b）InSAR形变采样 （c）GNSS和InSAR形变融合结果，速度场均为平行断层方向速率，图（c）中插图对应P1-P2段（黑色实线）的历史强震破裂区域.
图18 InSAR和GNSS速度场剖面数据分布和位错模型反演结果，图中黑色实线为模型速度
进一步，利用区域最优地表负荷模型（SML）修正数千个GNSS流动站垂向非构造信号：依据地质–构造差异分区域构建SML，重构构造形变信号；结果表明>75%测站RMS减小，垂向速度场与周边连续站一致性显著改善，首次获得青藏高原及周缘高精度高分辨率构造垂向形变场，精确刻画垂向运动学特征，为地球动力学机制研究提供全面约束。
发表文章成果
Weiwei Wu, Guojie Meng, Jicang Wu, Guoqiang Zhao. (2021). Optimizing realization of the terrestrial reference frame on a regional basis: A case study using the crustal movement observation network of China. Advances in Space Research, 68(2021): 2367–2382, https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.06.045.
引用来源：吴伟伟等，2026，解剖地震：川滇地区大地测量模型2.0（doi:https://dx.doi.org/10.12484/jpdz.ycs.2026004）
