当前,海平面上升、冰川消融、陆地水储量变化等全球环境变化问题,与地表物质迁移过程都有着密切联系。开展地表物质迁移反演研究,充分了解全球以及典型区域地表物质迁移的时空分布规律,对气候和环境变化预测和机理研究等科学问题以及人类社会活动和经济发展都具有重要意义。GRACE卫星的成功发射实现了地表物质迁移的长期监测,在大尺度上定量揭示了地表物质迁移。地表物质迁移会引起地球重力场变化,同时也会引起地表产生垂直形变。GNSS技术则为实时连续监测地表垂直形变提供了有效技术手段,利用GNSS垂直位移数据也可提取得到地表物质迁移信号。当前卫星大地测量技术发展迅猛,GRACE Follow-on卫星的成功发射以及以GPS、BDS等为代表的GNSS技术的发展,为研究地表物质迁移反演提供了更有力的解决途径。因此,开展地表物质迁移的卫星大地测量反演理论与方法研究,不仅是当前地球科学研究的热点,更对地球环境变化监测等问题具有重要现实意义和显著应用价值。本文围绕地表物质迁移的卫星大地测量反演理论与方法开展了相关研究,基于GRACE和GNSS观测技术,系统研究了基于GRACE卫星数据的反演理论与方法和基于GNSS垂直位移的反演理论与方法及其相关问题,主要研究工作及创新点如下:1.总结了当前地表物质迁移的卫星大地测量反演理论与方法研究现状,梳理了基于GRACE卫星数据的反演方法和基于GNSS垂直位移数据的反演方法研究进展,对GRACE卫星时变重力场滤波方法以及GRACE卫星时变重力场在陆地水储量变化、海平面变化和冰川质量变化等方面的应用研究进展进行了评述。2.阐述和分析了球谐系数反演方法基本原理及相关问题。针对采用线性拟合模型研究分析年际变化趋势时不够充分的问题进行了改进尝试,在线性拟合模型基础上增加了二次项,并应用于全球和区域陆地水储量长期变化趋势分析,结果表明:增加二次项可描述地表质量变化快慢程度,对地表质量变化显著区域的研究分析具有一定现实意义。并从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C20项等方面对GRACE RL06和RL05时变重力场模型数据作了初步比较和分析,由于RL06模型数据采用了新的解算模型和改进的解算方法,数据质量和精度较RL05有明显改善,在相同条件下,CSR RL06模型阶方差最小、JPL RL06模型阶方差最大,采用CSR RL06模型的反演结果信噪比值最大、采用JPL RL06模型的反演结果信噪比值最小。3.针对南北条带噪声问题,深入研究了卫星时变重力场滤波方法。以信噪比值最大为准则,分析确定了常用高斯类滤波方法参数选取。通过反演结果图像判定,确定了改进去相关滤波方法参数选取。基于GRACE时变重力场模型球谐系数误差特性,建立了一种新的滤波组合方式,仅需一步处理,计算更为简单。并基于新的滤波组合方式提出了一种各向异性组合滤波新方法,该方法结合了各向异性高斯滤波和均方根滤波的特点,保留更多低次项信号并压制高次项噪声,能够有效消除条带噪声,相比单一滤波和传统两步法组合滤波方法,提高了反演结果信噪比。4.分析了星间距离变率观测值对区域地表质量变化的敏感程度,分别讨论了基于动力学法原理和能量法原理的Mascon方法数学模型,并从全球和区域尺度对CSR、JPL和GSFC机构发布的Mascon模型解进行了比较分析。结果表明,高精度的星间距离变率观测值对区域地表质量变化非常敏感,地表质量变化对星间距离变率观测数据的影响在空间分布上是有限的;与球谐系数反演方法相比,Mascon反演方法无需滤波处理,提高了反演结果信噪比值,保留了更多有效信号,时空分辨率更高,与GLDAS水文模型相关性也更好,其中JPL Mascon模型解的信噪比值最大。5.改进了点质量模型反演方法,引入了符合实际的附加空间约束条件以增加待估参数的约束信息和降低法方程组病态程度,采用赫尔默特方差分量估计自适应确定虚拟观测方程组和原始观测方程组权比,使反演结果更符合实际和物理意义。改进的点质量模型反演方法可有效应用于区域陆地水储量变化反演,为利用卫星重力监测陆地水储量变化提供了一种新途径。6.解算了2013年9月至2016年12月间陕甘宁区域内甘肃省CORS网和陆态网48个观测台站GPS原始观测数据,得到GPS垂直位移时间序列,并与GRACE数据计算垂直形变进行了比较,分析了研究区域垂直形变特征。结果表明,GPS垂直位移和GRACE垂直形变时间序列一致性较好,GRACE垂直形变能有效解释50%以上的GPS垂直位移周年信号振幅,GPS垂直位移时间序列包含的非构造形变中平均约29%来源于环境负荷变化引起的形变。7.仿真验证了基于GNSS垂直位移的区域陆地水储量变化反演方法,并采用2014年1月至2016年12月甘肃省CORS网和陆态网GPS实测数据反演分析了陕甘宁区域陆地水储量变化。结果表明:观测台站数量、分布以及区域外质量变化对反演结果影响较大,反演时应选取观测台站密集区域并尽可能扣除区域外质量变化影响;研究区域内GPS垂直位移季节信号中大气变化引起的垂直形变占主要成分,能解释平均38.4%的GPS垂直位移信号,陆地水变化对GPS垂直位移影响较小;研究区域内大气和陆地水总质量变化反演结果呈现季节性周期变化,与GAC数据计算大气质量变化结果在空间分布上具有较好的整体一致性,周年振幅空间分布整体基本吻合,均呈现由东向西减少趋势,其中大气质量变化周年振幅约为10~80mm,大气和陆地水总质量变化周年振幅约为50~250mm。8.总结了GRACE/GRACE FO和GNSS观测技术特点,由于二者在时空分辨率、空间覆盖等方面具有一定互补性,针对基于单一观测技术反演方法的局限性,研究了基于两类观测技术的区域陆地水储量变化的联合反演方法理论模型。采用GRACE/GRACE FO卫星Level-1B数据和GNSS垂直位移数据,分别以Mascon方法和负荷格林函数方法建立观测方程,初步构建了联合反演理论模型;针对观测方程组系数矩阵误差问题,引入附有相对权比的加权总体最小二乘联合平差方法,理论上更严密。由于GRACE/GRACE FO Level-1B和GNSS观测数据采样率高、对地表质量变化更敏感,理论上联合反演能进一步提高反演精度和时空分辨率。