第33卷第3期 2 0 1 3年6月 大地测量与地球动力学 JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS Vol|33 No.3 Jun.,2013 文章编号:1671-5942(2013)03-0059-05 基于地形和气象要素的GPS对流层延迟插值 估算研究 刘严萍 张立辉 张飞涟 ’ 、 ,1)中南大学土木工程学院,长沙410075 \2)黑龙江省水文地质工程地质勘察院,哈尔滨150030/ 摘 要 为解决InSAR大气校正受SAR影像数量的限制或天气状况影响问题,提出一种新的对流层延迟估算方 法——基于地形和气象要素的对流层延迟估算模型,并以北京GPS网为例进行对流层延迟估算模型的构建和对流 层延迟估算。结果表明,利用该模型的估算结果与GPS对流层延迟吻合较好,精度基本在nlm级,可满足InSAR大 气校正的要求。 关键词 对流层延迟;全球定位系统;BP神经网络;地形要素;气象要素 中图分类号:P423.31 文献标识码:A ESTIMATIoN OF GPS ZENITH TRoPoSPHERIC DELAY BASED ON TERRAIN AND METEoRoLOGICAL ELEMENTS Liu Yanping¨.Zhang Lihui。)and Zhang Feilian ) /1)School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075 \ \2)Hydrogeology and Engineering Geology Prospecting Institute ofHeilongifang Province,Haerbin 150030 J Abstract In 0rder to so1ve the prob1em that the InSAR atmospheric co1Tection is limited by the number of SAR image and weather conditions,a new tropospheric delay estimation method is proposed,which is based on the ter- rain and meteorological elements.The zenith tropospheric delay model is constructed and the zenith tropospheric delay is estimated by taking the GPS network in Beijing as an example.The result shows that the precision of the model is similar to the GPS tropospheric delay,which is amounted to mm,and can meet the requirements of InSAR atmospheric correction. Key words:zenith tropospheric delay;global positioning system;BP neural network;terrain elements;meteoro— logical elements 1 引言 InSAR技术是监测城市地面沉降的有效手段, 点。同区域不同期SAR数据时间的大气延迟差异 是影响SAR干涉测量的最主要因素之一,易变的大 气条件导致不同的相位延迟,最大可导致数厘米的 形变误差。目前,InSAR大气校正的方法可分为两 类:第一类是利用干涉图自身的图像特性进行大气 如何提高InSAR处理精度,使其满足城市地面沉降 监测要求,是目前InSAR应用研究的一个热点和难 }收稿日期:2012-03-18 基金项目:湖南省研究生科研创新项目(CX2012B061);河北省教育厅项目(ZH2012060);大地测量与地球动力学国家重点实验室开放 基金(SKLGED2013—5—5一E) 作者简介:刘严萍,女,1979年生,讲师,博士生,主要从事GPS应用研究.E—mail:liuxiawy@126.corn 大地测量与地球动力学 33卷 校正,如线性叠加法、堆叠法、随机滤波法和永久散 射体法;第二类是利用外部独立数据计算大气延迟, 将其从干涉图中去除,目前可利用的外部数据有 GPS、MODIS、MERIS以及各种地面气象信息。 利用干涉图自身的图像特性(线性叠加法、堆叠 法、随机滤波法)的不足之处在于:相位梯度不能直接 和地面形变的大地测量值进行比较,需要相位解缠。 采用永久散射体(Ps)技术必须满足:有大量的可用 影像(一般大于3O幅);目标的移动应该足够慢以免 发生混叠现象;在研究区域里应该有足够多的Ps点。 而采用MODIS、MERIS用于InSAR大气校正时,由于 MODIS水汽产品和MERIS水汽产品对视场内云的存 在比较敏感,只有在晴朗的天气条件下收集到的水汽 值才可以用来改正InSAR的测量结果¨j。 由于GPS测站的站间密度一般为数十千米,为 达到InSAR大气校正的要求,需要对GPS对流层延 迟进行插值。部分学者利用克里金、反距离加权、神 经网络等方法进行了GPS对流层延迟的插值研 究 J,王勇利用北京、武汉两地的GPS数据,采用 反距离加权法、克里金法研究不同地形GPS对流层 延迟插值效果,在地形起伏较大地区,对流层延迟插 值效果为cm级,无法满足InSAR大气校正的要 求 J。对流层延迟不仅与GPS站点的平面位置(经 度、纬度)有关,还与站点的海拔以及温度、气压等 气象要素有关。 目前常用的InSAR大气校正方法受天气状况 或SAR图像数量的限制,本文拟综合地形和气象参 数,提出了一种不受天气状况和SAR图像数量限制 的大气延迟估算方法,以北京GPS连续观测网数据 为例,进行综合地形和气象要素的对流层延迟估算 模型的构建和估算,并与实测GPS站点对流层延迟 相比较,验证了该模型的可靠性。 2 GPS数据处理 北京的西、北和东北群山环绕,东南是平原。平 原海拔高2O~60 rn,山地1 000—1 500 In。由表1 可以看出,北京的GPS测站高程差别较大。 本文的实验数据为北京GPS连续网部分站点 数据以及与这些站点对应的温度、气压数据,数据时 间为5天的观测数据(2007—12-03日、2008-02-11 日、2008-03.17日、2008-06.30日、2008-08-04日), GPS对流层延迟的解算采用GAMIT/GLOBK完成, 解算如下:卫星星历采用精密星历,松驰解模式,每 小时估算一个对流层延迟,按天解算,为获得GPS 测站绝对的对流层延迟,GPS数据解算时引入了 SHAO、WUHN、URUM IGS站点。GPS测站对流层 延迟从GPS解算结果文件中提取,并用于对流层延 迟估算。 表1北京GPS测站高程 Tab.1 Elevation of GPS stations in Beijing 3综合地形和气象要素的对流层延迟 估算模型的构建 对流层延迟(大气延迟)与站点的地形(经度、 纬度、海拔)和气象要素(气压、温度)有关,本文综 合地形和气象要素进行大气延迟估算。由于各影响 因素的数值差别较大,以一个直接的、确定化的模型 进行大气延迟估算非常困难。地形参数和气象参数 的数值差异较大,如何构建基于两种类型参数的大 气延迟估算模型是一个复杂的问题。 反向传播(BP,Back Propagation)网络是一种按 误差逆传播算法训练的多层前馈网络,该网络能学 习和存贮大量的输入-输出模式映射关系,而无需事 前揭示描述这种映射关系的数学方程。其学习规则 是使用最速下降法,通过反向传播来不断调整网络 的权值和阈值,使网络的误差平方和最小。 本文采用BP网络综合地形和气象要素,用于 大气延迟的估算。模型构建过程如下: 1)BP网络训练样本的建立 将地形参数和气象参数作为输入训练样本,对 流层延迟作为输出训练样本。对训练样本进行归一 化处理: Xi-Xmin (1) = 式中置为第i个参数的实际值, 为第i个参数的 归一化后的数值, ~和 i 分别为 参数的最大 值和最小值。 2)BP网络控制结构 BP网络控制结构如图1所示,该网络采用 nl—x一1结构,即m个输入节点(m为地形参数和气象 参数的个数)、 个隐层节点、1个输出节点(大气延 迟)。 3)BP网络输出的计算 设网络输入为t/,维向量U,输出为m维向量Y, 输入/输出样本长度为 。 隐层是对作用函数的参数进行调整,采用的是 非线性优化策略和无导师的学习算法。 输出层是对线性权进行调整,采用的是线性优 化策略和有导师的学习算法。网络输出层第k个节 第3期 刘严萍等:基于地形和气象要素的GPS对流层延迟插值估算研究 61 输入层 隐含层 输出层 一一一一一一一一一 大气延迟 图1大气延迟预测结构 Fig.1 Prediction frame of atmospheric delay 点的输出为隐层节点输出的线性组合: Y = g 一0 (2) 式中W 为qi—y 的连接权,0 为第k个输出节点阈 值。 4)BP网络的训练与验证 选取归一化后的前m组样本作为训练样本对 网络进行训练。通过设置扩展常数SPREAD,迭代 运行,当误差接近零,即达到目标误差平方和要求, 此时可以获得BP神经网络隐层单元数,获得训练 好的BP误差曲线。 取归一化后的后n组数据对训练好的网络进行 验证,预测结果与实际结果相符,表明可以用BP网 络进行大气延迟预测。 4大气延迟估算及其可靠性验证 将北京GPS测站对流层延迟提取出来以后,结 合测站的地形与气象要素,利用Levenberg—Marquart 算法改进的BP神经网络进行训练与预测。本文采 用的对流层延迟共有5天的数据,相同时间为一组 数据,每天从1时开始每隔3个小时取一组数据,共 有60组数据。在应用BP神经网络进行对流层延 迟估算时,采用两种模型进行对流层延迟估算,分别 为地形要素(测站经纬度和海拔)模型、综合地形和 气象要素(测站经纬度、海拔、气温和气压)的模型。 在对训练样本训练后,对测试样本进行预测,获得测 试样本的对流层延迟估算值。 在对多组数据训练好的BP网络验证后,利用 该网络进行大气延迟的估算。为了能将预测的对流 层延迟进行实际应用,需要对预测的结果进行检验, 将估算的大气延迟与GPS测站对流层延迟进行比 较。图2为考虑地形要素的对流层延迟估算值、综 合地形和气象要素的对流层延迟估算值与GPS站 点对流层延迟的比较。 图中黑色实线为GPS测站对流层延迟,黑色虚 线为综合地形和气象要素的模型估算的对流层延 迟,黑色实线带上三角标示为地形要素模型估算的 对流层延迟。 由图2各测站对流层延迟估算值与GPS对流层 延迟的比较可以看出,基于地形要素模型的对流层延 迟估算结果与综合地形和气象要素的模型对流层延 迟估算结果基本一致,综合地形和气象要素的模型对 流层延迟估算结果略优于基于地形要素模型的对流 层延迟估算结果。BJFS、DAXN、CHAO、CHPN、PING 、SHIJ、THKO、MYUN 8个测站的对流层延迟真值与 两种方法的估算结果较为吻合,除了个别时间的估算 值与对流层延迟的测量值之间的差值稍大(1 em左 右),其他估算值与实际值差异大都在5 mm左右,而 YANQ、ZHAI两站的对流层延迟与估算值在个别时间 差异较大,2007年12月3日YANQ站点的估算结果 和2008年8月4日ZHAI站点的估算结果与对流层 延迟值的差异为2~4 cm,YANQ、ZHAI其他时间的 估算效果与GPS对流层延迟值一致,差异大都在 5 mm左右,少部分在1 cm左右(表2)。 从表2可知,利用地形要素模型、综合地形和气 象要素的模型估算北京10个GPS站点对流层延迟 与GPS对流层延迟的比较分析,由均方根误差统计 项得出,综合地形和气象要素的模型估算结果优于 地形要素模型估算结果,如BJFS、THKO两站的对 流层延迟估算:综合地形和气象要素的模型估算与 GPS对流层延迟的差异小于1 cm,而地形要素模 表2对流层延迟估算值与GPS对流层延迟值的比较(单 位:cm) Tab.2 Comparison of ZTD between the predietion values and GPS(unit:cm) 注:zTDT& 为综合地形和气象要素模型的对流层延迟估算值, ZTDT为地形要素模型的对流层延迟估算值,ZTDGPS为GPS测站对 流层延迟 62 大地测量与地球动力学 33卷 二 ~0 巨0、 N 暑u/0 N 5 O _u。,(H 5 O 5 O 5 2007.12.03 2008-O3.17 2008.08.04 2007-12-03 2008-O3.17 2008.08.04 (a)BJFS站 (b)DAXN站 2007-12.O3 2008-03.1 7 2008.O8.04 2007.12.03 2008-O3.17 2008.O8.04 IIlu/a N (c)CHAO ̄d 宣0,a N 吕0/0 N (d)CHPN站 舌,0上Z 5 O 5 O 5 5 O 5 O 5 0 5 5 0 5 0 5 O 5 5 O 5 0 2007-12—03 2008-03-l 7 2008-08-04 2007-12-03 2008—03-17 2008.08.04 (e)PING站 (D SHIJ站 2007.12.O3 2008-03-1 7 2008-08-04 2007.12.03 2008-03..17 2008.08..04 (曲YANQ站 (h)THKO站 255 250 薹 s 240 235 230 2007-12.03 2008-03.17 2008.08.04 2007.12.03 2008-03.17 2008.08.04 t/d t/d (i)ZHAI站 (i)MYUN站 ——真值 …….预测值1——一预测值2 图2各测站对流层延迟预测比较 Fig.2 Comparison of ZTD in each station O 5 5 O 5第3期 刘严萍等:基于地形和气象要素的GPS对流层延迟插值估算研究 63 (上接第55页) 11赵辉,张书毕,张秋昭.基于加权总体最小二乘 法的GPS高程拟合[J].大地测量与地球动力 学,2011,(5):88—91.(Zhao Hui,Zhang Shubi and Zhang Qiuzhao.GPS height fitting of weigh— ted total least—squares adjustment[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2011,(5):88— 91 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