采用更新后的加拿大速度场的新NAD83V80VG速度模型

《Geomatica》：The New NAD83V80VG Velocity Model Using an Updated Velocity Field for Canada

本研究更新了加拿大国家地壳运动模型至NAD83v80VG版本，整合了2023年底前的GNSS数据，包括987个持续观测站和43个商业RTK站，结合冰川等静调整（GIA）和弹性变形模型预测，以补充北部和偏远地区的数据不足。模型采用加权克里金插值方法，垂直方向结合观测数据与GIA预测，水平方向仅依赖GNSS数据。结果显示大部分区域垂直速度不确定度<1mm/yr，适用于坐标时间转换、海平面变化及灾害评估。

　　加拿大国家尺度的地壳速度模型在持续的更新中扮演着至关重要的角色，这一更新不仅是为了完善加拿大空间参考系统（CSRS）的实现，使其符合NAD83(CSRS) v8标准，还为新北美洲地固参考框架（NATRF2022）的实施提供了支持。这一模型的更新标志着对地壳运动理解的深入，同时为更广泛的科学研究提供了基础数据。通过将全球导航卫星系统（GNSS）观测数据与地物理模型预测相结合，新的速度模型能够在地壳运动复杂或GNSS站点覆盖不足的地区提供更精确的速度估计。

### 1. 模型背景与重要性

加拿大地壳速度模型是加拿大测绘局（CGS）在自然资源部的领导下进行的一项长期工作。这一模型的主要作用在于为用户提供一种方式，将当前的坐标信息与不同时期的参考框架进行转换，从而满足精确到毫米级别的定位需求。特别是在加拿大北部，由于GNSS站点密度较低，模型预测成为填补数据空白的重要手段。通过结合地物理模型，例如冰川等静调整（GIA）和弹性变形模型，模型能够提供更加全面的地壳运动信息。

此外，地壳速度模型对于研究海平面变化、自然灾害等具有重要意义。它不仅能够帮助科学家理解地壳在不同时间尺度上的运动，还能为工程实践提供支持，如土地边界测绘和道路建设等。模型的持续更新反映了科学研究和技术发展的动态过程，确保其能够适应新的数据来源和更精确的计算方法。

### 2. GNSS数据与处理方法

新的地壳速度模型基于GNSS数据的重新处理，数据时间跨度截至2023年底。数据来源包括加拿大境内的活跃GNSS站点、重复高精度的加拿大调查数据，以及阿拉斯加、美国北部和格陵兰的连续GNSS数据。为了提高模型的精度，研究人员还纳入了43个商业实时动态定位（RTK）站点，这些站点的运行数据有助于提高速度场的密度。

在数据处理过程中，CGS使用了SINEX软件，该软件能够将不同时间点的坐标解进行组合和分析。SINEX软件结合了多个GNSS数据源，并确保它们对齐到2020年国际地固参考框架（ITRF2020）。同时，为了更好地理解地壳运动的动态变化，研究人员还使用了TSView等可视化工具来分析和确定数据中的不连续点，这些不连续点可能是由设备更换、地震活动或地表负载变化引起的。

在处理过程中，还采用了加权普通克里金法（kriging）进行插值。这种方法基于空间相关性，通过减少距离较远的站点权重，提高插值的准确性。此外，研究人员还对数据中的异常值进行了剔除，确保速度场的可靠性。这一过程对于提高模型的精度和稳定性至关重要。

### 3. 地物理模型的引入

为了弥补GNSS数据在某些地区的不足，研究人员引入了地物理模型的预测数据。这些模型包括GIA模型和弹性变形模型，它们能够预测地壳在冰川融化和地表负载变化下的运动趋势。GIA模型主要基于冰川覆盖的历史变化，包括最后一次冰川期的长期响应以及小冰期（LIA）和当代冰川消融的短期响应。弹性变形模型则用于预测由于现代冰川和冰盖质量损失导致的地壳运动。

在模型的构建过程中，研究人员发现GIA信号在加拿大北部和格陵兰尤为重要。例如，冰川消融导致的弹性回弹在这些地区尤为显著，因此，地物理模型的引入能够有效补充GNSS数据的不足。然而，由于GIA模型本身的不确定性，研究人员在模型预测中采用了标准差的方法来估算误差范围，确保模型的可靠性。

此外，研究人员还对不同版本的模型进行了对比分析。例如，与版本7相比，版本8包含了更多的数据点，并且更新了GIA模型的预测。这种更新不仅提高了模型的精度，还减少了在数据稀疏区域的不确定性。通过对不同地区的速度场进行比较，研究人员能够更好地理解地壳运动的时空变化，并为未来模型的改进提供依据。

### 4. 模型的应用与挑战

新的地壳速度模型在多个领域具有广泛的应用。首先，它为CSRS的实现提供了关键支持，使得用户能够在不同时期的参考框架之间进行坐标转换。这对于需要精确位置信息的应用，如海平面变化研究和自然灾害评估，尤为重要。

其次，模型能够帮助研究人员更准确地预测地壳运动的趋势。例如，在加拿大北部，由于GNSS站点较少，模型预测成为研究区域地壳运动的重要手段。通过将模型预测与实际观测数据相结合，研究人员能够更全面地了解地壳的动态变化。

然而，模型的构建和应用也面临一些挑战。例如，在数据稀疏的地区，模型预测可能会受到较大不确定性的影响。此外，地壳运动的复杂性，如板块运动和地震活动，使得模型在某些区域的准确性受到限制。因此，未来的工作需要进一步优化数据采集和处理方法，以提高模型在这些区域的可靠性。

### 5. 未来发展方向

随着技术的进步和数据的积累，未来地壳速度模型的开发将继续朝着更高的精度和更广的覆盖范围发展。研究人员计划在未来的模型中引入更多的地物理模型预测，特别是在水平方向上的运动。这将有助于更好地理解加拿大西部海岸和不列颠哥伦比亚省西北部等地区复杂的地壳运动。

此外，研究人员还希望通过引入新的数据来源，如卫星重力测量和合成孔径雷达干涉测量（InSAR），来提高模型的分辨率和准确性。InSAR技术能够提供高精度的地表变形数据，特别是在沿海地区，这将有助于更精确地预测海平面变化和自然灾害的发生。

最后，研究人员将继续优化现有的数据处理和模型构建方法，包括改进速度选择和插值方法，以及更详细地分析数据中的不连续点。这些改进将有助于提高模型在不同区域的适用性和可靠性，为未来的科学研究和工程应用提供更坚实的基础。