基于高分辨率重力及其梯度数据的海底地形反演若干关键问题研究

It is an ill-posed problem to inverse sea-floor topography only using gravity data. However, available data also include gravity gradient data, ship-depth data and density distribution information derived from seismic data. Hence, how to inverse sea-floor topography with high resolution and high accuracy using the above data is an important subject. Although the data we can use become more and more, some key problems which need to be resolved still exist. For example, is there precision limit and resolution limit for sea-floor topography inversion using gravity and gravity gradient data? In other words, if the precision and resolution of gravity and gravity gradient and ultimately high, how could precision and resolution of the sea-floor topography change? The object of this subject is to try to answer these questions and also construct high accurate algorithm for sea floor topography inversion. The job will start from analyzing spectrum and correlation characteristic of gravity, gravity gradient and sea-floor topography, and then discuss the sensitivity level of gravity anomaly and gravity gradient to sea-floor topography. In the next step, some algorithms for sea-floor topography inversion including non-linear algorithm, adaptive grid and wavelet analysis and etc, are constructed. Finally, sea-floor topography is derived to test the reliability of the theoretical work.

仅利用重力数据来反演海底地形本质上是一个病态问题，然而当前可供利用的数据还有重力梯度数据，一定数量的船测水深数据和由地震波数据所确定的海底密度分布信息等，因此如何利用上述数据来反演高分辨率高精度的海底地形则成为了一个很重要的课题。尽管可供利用的数据越来越多，但也有许多关键的理论问题需要进一步研究，例如：利用重力及其梯度数据反演海底地形是否存在极限的精度和分辨率？即如果重力及其梯度数据的分辨率和精度无限提高，海底地形反演的精度和分辨率如何变化呢？如何利用高分辨率重力及其梯度数据来对海底地形进行高精度反演呢？项目的目的就是试图回答上述问题，并建立高精度的海底地形反演算法。研究工作将首先从海面重力异常、重力梯度与海底地形的频谱特征、相关性等特性出发，来研究重力异常及其梯度数据对海底地形的敏感程度，并通过建立非线性算法、自适应格网和小波分析等来对海底地形进行反演，以验证理论工作的有关结论。

海底地形具有重要的经济、军事和科学研究价值。项目针对海底地形反演中的若干关键问题开展了如下研究：.（1）分析了重力异常和重力梯度对海底地形的敏感性，得到了海底地形反演对重力异常、重力梯度以及测高卫星海面高的精度指标要求；针对不同水深，得出了重力梯度相对于重力异常的优势波段。.（2）提出并验证了基于垂直重力梯度（顾及非线性效应）、垂线偏差的海底地形反演新算法，证明了梯度数据对海底地形短波部分的反演有优势，梯度反演得到的最敏感波段与理论分析结果较为一致。当采用垂线偏差来反演海底地形，建议采用北向分量；当采用垂直重力梯度反演海底地形，建议在地形变化剧烈的区域考虑非线性效应的影响。.（3）针对船测数据分布不均，研究了长波重力异常的自适应三角格网构建方法，解决了格网化尺寸与数据间隔不一致之间的矛盾。分析得出：在平坦海域，控制点数量对地形反演精度影响较小，但密度差异常数不容易收敛；地形剧烈变化区域，需要更多的控制点数据来提高精度。.（4）创新性地提出了基于船测水深数据和重力异常数据的海底密度差异常数反演，并通过滤波处理显著提高了反演精度，与CRUST1.0在研究区域的整体差异小于0.06g/cm3。.（5）为了摆脱对国外数据的依赖，处理了我国首颗海洋测高卫星HY-2A数据，得到全球重力异常和垂线偏差产品，并在部分海域进行了海底地形反演；证明并验证了HY-2A垂线偏差东西分量低于南北分量的原因；针对新体制测高卫星，给出了重力异常产品精度与干涉SAR相位误差的函数关系并进行了验证。.（6）实现了基于测高卫星数据反演海洋重力场、海底地形的一整套程序，得到相关的可视化软件。. 项目提出的算法、软件可为全球未知海域的海底地形探测和反演提供帮助；密度差异反演算法对海底内部结构研究、矿产勘查具有重要意义。研究成果还可为船测数据补充方案的设计提供依据，为国产卫星数据的业务化处理及应用提供帮助，并可牵引或支撑相关卫星的设计。