CN109061753B - 一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法。所述通化方法包括：确定搜索半径，提取所述搜索半径内的台站数据，获得台站在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；检核所述台站数据，并获得所述台站数据的地磁要素；计算搜索半径内已知地磁台站与待求点的纬度方向差、经度方向差，组建权值观测方程；根据相关系数计算纬度方向的权值和经度方向的权值；根据所述纬度方向的权值和所述经度方向的权值和通化处理观测方程计算待求点的地磁测量数据。结合经度方向和纬度方向的双重影响的数据通化方法提高了远距离地磁台站测量数据通化处理的精度。

Description

一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法

技术领域

本发明涉及地磁测量领域，特别是涉及一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法。

背景技术

地球磁场是由地球内部的磁性岩石以及分布在地球内部和外部的电流体系所产生的各种磁场成分叠加而成的三维矢量物理场，是空间位置和时间的函数。由于磁场起源不同，各种磁场成分的空间分布和时间变化规律也大不相同。按照场源位置划分，地磁场分为内源场和外源场两大部分。

内源场起源于地表地下的磁性物质和电流，包括地核场和地壳场。地核场又称主磁场，是由地核磁性岩石产生的，主磁场和局部异常场变化缓慢，有时又合成为稳定磁场，年变化率在0.1％以下。内源场中还应包括外部变化磁场在地球内部的感应场，与稳定磁场不同的是，感应场变化较快。

外源场起源于地表以上的空间电流体系，主要分布在电离层、磁层和行星际空间。由于这些电流体系及磁场的变化特点，能够将变化磁场分为平静变化磁场和扰动磁场。外源场的变化比较复杂，有太阳日变化、太阳月变化、27天变化、季节变化和不规则的磁暴变化。

地面台站观测的地球磁场成分主要包含了主磁场、岩石圈磁场、变化磁场和感应磁场，用地面台站地磁观测资料研究地磁场主磁场的空间分布特征或者是研究岩石圈磁场的变化捕捉地震地磁异常时，需要消除变化磁场和感应磁场成分。地磁场变化受多种因素的影响，在地磁导航，地磁匹配以及地震预报领域有着广泛的应用，所以获取精确的地磁场日变化就显得尤为重要，而全球台站分布是不均匀且稀少的，因此，要获取指定点的地磁日变数据，就需要利用周围已知地磁台站的测量数据，对指定点地磁值进行估计，进行地磁数据通化处理。

在现有的地磁台站测量数据通化处理的定权方法中，采用的方法是反距离定权方法。

反距离定权方法的基本原理是以待求点为中心，确定一定搜索半径内所有已知地磁台站的数量，计算每个台站到待求点的距离，以距离的倒数的k次方为权值，计算待求点的值并作为观测值。

由于磁力测量数据的量值与该地区的纬度方向大小密切相关，而与经度方向的变化关系较小，因此，直接依靠台站之间的距离来定权，相当于将纬度方向和经度方向的影响来综合考虑，这一方面降低了纬度方向的变化对于磁力测量的影响，另一方面扩大了经度方向的影响，而且通化结果与地磁场的时空变化特性匹配性较弱，在远距离地磁台站测量数据通化处理中的精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高在远距离地磁台站测量数据通化处理的精度的纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，所述通化方法包括：

确定搜索半径，提取所述搜索半径内的台站数据，获得台站在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

检核所述台站数据，并获得所述台站数据的地磁要素；

计算搜索半径内已知地磁台站与待求点的纬度方向差、经度方向差，组建权值观测方程；

根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子；

根据所述纬度方向和所述经度方向的权因子以及通化处理观测方程计算待求点的地磁测量数据。

可选的，所述地磁要素具体包括：地磁在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

水平分量H：

磁偏角D：

磁倾角I：

可选的，所述根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子具体包括：

权因子k、l需要在具体数值试验中确定，将待求点的通化结果与周围已知台站观测数据之间求相关系数，相关系数最高的权因子k、l就是权值观测方程中的最优因子；

相关系数计算公式为：

Cov(x,y)＝E{[x-E(x)][y-E(y)]}

其中，E(X)、E(Y)表示变量X、Y的数学期望，也称为均值；Cov(X,Y)表示变量X、Y的协方差；σ(x)、σ(y)表示变量X、Y的标准差；cof(x,y)表示变量X、Y的相关系数；

可选的，所述通化方法还包括：

通过待求点的实测数据计算通化结果的标准差，标准差越小，说明通化结果的精度越高；

计算公式为

其中，u表示通化结果与实测数据之间的差值，

表示通化结果与实测数据之间差值和的平均值，t表示观测数据的个数，S表示通化结果的标准差。

可选的，所述通化方程为

其中，X为已知台站的观测数据，n为台站个数，M为待求点的计算值，B为已知台站和待求点之间的纬度方向差，L为已知台站和待求点之间的经度方向差，k、l分别为权因子。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，即在通化处理的定权过程中分别考虑了地磁台站的纬度方向与经度方向在权值中的影响，进而通化获得待求点的地磁测量数据，且通化结果精度较高，与该地区地磁测量数据的实际物理属性吻合度也很好。该发明解决了传统地磁台站测量数据通化处理时依靠距离定权时存在的缺陷，不仅可以计算获得沙漠、沼泽、冰川、原始森林、陆海交界等一些难以开展地面磁力测量区域的地磁日变数据，也可以为全球热点和关键地区的地磁导航、地磁匹配、地震预报、矿产调查等领域提供可靠的地磁基础数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法的流程图；

图2为本发明提供的地磁台站的分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高在远距离地磁台站测量数据通化处理的精度纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，所述通化方法包括：

确定搜索半径，提取所述搜索半径内的台站数据，获得台站在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

检核所述台站数据，并获得所述台站数据的地磁要素；

计算搜索半径内已知地磁台站与待求点的纬度方向差、经度方向差，组建权值观测方程；

根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子；

根据所述纬度方向和所述经度方向的权因子以及通化处理观测方程计算待求点的地磁测量数据。

所述地磁要素具体包括：地磁在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

水平分量H：

磁偏角D：

磁倾角I：

所述根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子具体包括：

权因子k、l需要在具体数值试验中确定，将待求点的通化结果与周围已知台站观测数据之间求相关系数，相关系数最高的权因子k、l就是权值观测方程中的最优因子；

相关系数计算公式为：

Cov(x,y)＝E{[x-E(x)][y-E(y)]}

其中，E(X)、E(Y)表示变量X、Y的数学期望，也称为均值；Cov(X,Y)表示变量X、Y的协方差；σ(x)、σ(y)表示变量X、Y的标准差；cof(x,y)表示变量X、Y的相关系数；

所述通化方法还包括：

通过待求点的实测数据计算通化结果的标准差，标准差越小，说明通化结果的精度越高；

计算公式为

其中，u表示通化结果与实测数据之间的差值，

表示通化结果与实测数据之间差值和的平均值，t表示观测数据的个数，S表示通化结果的标准差。

所述通化方程为

其中，X为已知台站的观测数据，n为台站个数，M为待求点的计算值，B为已知台站和待求点之间的纬度方向差，L为已知台站和待求点之间的经度方向差，k、l分别为权因子。

在反距离加权平均法中，令k＝2.5，通化结果的精度统计见表1所示，相关系数见表2所示：

表1反距离加权平均法通化结果精度统计

地磁要素	最大值	最小值	平均值	标准差
					X/nT	1071.00	1061.90	1067.10	2.18
Y/nT	-20.91	-25.26	-23.84	0.99
					Z/nT	174.79	173.18	173.99	0.31
F/nT	619.13	615.28	616.99	0.86
					H/nT	1066.30	1057.30	1062.40	2.13
D/′	-17.37	-18.09	-17.82	0.16
					I/′	-62.96	-63.53	-63.29	0.14

表2反距离加权平均法通化结果相关系数

地磁要素	X	Y	Z	F	H	D	I
								相关系数	0.95663	0.99745	0.99864	0.99299	0.93713	0.99759	0.98537

顾及纬度方向和经度方向的双因子定权的通化方法，其结果精度统计如表3所示，相关系数如表4所示：

表3顾及纬度方向和经度方向的双因子定权通化方法结果精度估计

地磁要素	最大值	最小值	平均值	标准差
					X/nT	1899.20	1890.50	1895.30	1.34
Y/nT	59.98	56.56	58.52	0.70
					Z/nT	319.77	318.40	319.11	0.25
F/nT	483.88	480.44	481.69	0.78
					H/nT	1850.80	1845.20	1847.00	1.35
D/′	-1.09	-1.56	-1.30	0.10
					I/′	-147.67	-148.04	-147.77	0.08

表4顾及纬度方向和经度方向的双因子定权的通化方法结果相关系数

地磁要素	X	Y	Z	F	H	D	I
								相关系数	0.98530	0.99868	0.99879	0.99314	0.97987	0.99873	0.98833

与反距离加权平均法通化结果精度相比较，顾及纬度方向和经度方向的双因子定权的通化结果，其地磁分量X和地磁水平分量H提高了约0.8nT，地磁分量Y提高了0.3nT，地磁分量Z提高了约0.1nT，地磁总强度F提高了约0.1nT，磁偏角D和磁倾角I提高了约3.6″；计算结果与待求点实际地磁测量数据的相关性很高(相关系数在0.98以上)，基本反映了待求点实际地磁测量数据的基本物理属性。

本发明的具体的原理方法：

一种顾及方向和距离的地磁台站测量数据通化处理的双因子定权方法。采用已知台站和待求点之间的距离倒数的k次方来定权，相当于将纬度方向和经度方向的影响来综合考虑，这一方面降低了纬度方向的变化对于磁力测量的影响，另一方面扩大了经度方向的影响，因此，直接采用距离倒数的k次方来定权是不合理的，需要研究新的定权方法。

顾及纬度方向和经度方向的双因子定权的通化方法，是在定权时将纬度方向和经度方向的变化分开考虑。依据地磁场空间变化特性，地磁台站纬度方向上差值越大，测量数据差异越大，权重越小；经度方向上差值越大，测量数据差异较小，权值变化幅度较缓。计算公式为

其中，X_i为已知台站的观测数据(包括七个地磁要素，主要有地磁X分量、地磁Y分量、地磁Z分量、地磁总强度F、地磁水平分量H、磁偏角D、磁倾角I)，n为台站个数，M为待求点的计算值，B_i为已知台站和待求点之间的纬度方向差，L_i为已知台站和待求点之间的经度方向差，k、l分别为权因子。

本发明的有益效果：

通化结果考虑了地磁场空间变化特性，分别考虑了地磁台站测量数据纬度方向与经度方向在权值中的影响，并且受已知台站和待求点之间的距离影响较小，通化精度高于传统使用的反距离加权法；

计算结果与待求点实际地磁测量数据的相关性很高(相关系数在0.98以上)，基本反映了待求点实际地磁测量数据的基本物理属性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，其特征在于，所述通化方法包括：

确定搜索半径，提取所述搜索半径内的台站数据，获得台站在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

检核所述台站数据，并获得所述台站数据的地磁要素；

计算搜索半径内已知地磁台站与待求点的纬度方向差、经度方向差，组建权值观测方程；

根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子；

根据所述纬度方向和所述经度方向的权因子以及通化处理观测方程计算待求点的地磁测量数据；

一种纬度方向和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，是在定权时将纬度方向和经度方向的变化分开考虑。

2.根据权利要求1所述的一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，其特征在于，所述地磁要素具体包括：地磁在X、Y、Z方向上的分量数据和地磁总强度F；

水平分量H：

磁偏角D：

磁倾角I：

。

3.根据权利要求1所述的一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，其特征在于，所述根据相关系数计算纬度方向和经度方向的权因子具体包括：

权因子k、l需要在具体数值试验中确定，将待求点的通化结果与周围已知台站观测数据之间求相关系数，相关系数最高的权因子k、l就是权值观测方程中的最优因子；

相关系数计算公式为：

Cov(x,y)＝E{[x-E(x)][y-E(y)]}

其中，E(X)、E(Y)表示变量X、Y的数学期望，也称为均值；Cov(X,Y)表示变量X、Y的协方差；σ(x)、σ(y)表示变量X、Y的标准差；cof(x,y)表示变量X、Y的相关系数；

。

4.根据权利要求1所述的一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，其特征在于，所述通化方法还包括：

通过待求点的实测数据计算通化结果的标准差，标准差越小，说明通化结果的精度越高；

计算公式为

其中，u表示通化结果与实测数据之间的差值，

表示通化结果与实测数据之间差值和的平均值，t表示观测数据的个数，S表示通化结果的标准差。

5.根据权利要求1所述的一种纬度和经度方向双因子定权的地磁数据通化方法，其特征在于，所述通化方程为

其中，X为已知台站的观测数据，n为台站个数，M为待求点的计算值，B为已知台站和待求点之间的纬度方向差，L为已知台站和待求点之间的经度方向差，k、l分别为权因子。

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