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Behavior Modelling of Multi-Annual GPS Stations Using Time Series Analysis Alex Boava Meza Prof. Dr. Edvaldo Simões da Fonseca Junior Escola Politécnica Universidade de São Paulo Mestrado em Engenharia de Transportes – Informações Espaciais

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Behavior Modelling of Multi-Annual GPS Stations Using Time Series

Analysis

Alex Boava Meza

Prof. Dr. Edvaldo Simões da Fonseca Junior

Escola Politécnica

Universidade de São Paulo

Mestrado em Engenharia de Transportes – Informações Espaciais

Page 2: Alex Boava Meza Prof. Dr. Edvaldo Simões da Fonseca Junior · 2019. 12. 5. · Behavior Modelling of Multi-Annual GPS Stations Using Time Series Analysis Alex Boava Meza Prof. Dr

1. INTRODUCTION

2. TIME SERIES ANALYSIS

– Parametric method

– Non-parametric methods

3. RESULTS

4. DYNAMIC MODELLING

5. CONCLUSION

SUMMARY

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Page 3: Alex Boava Meza Prof. Dr. Edvaldo Simões da Fonseca Junior · 2019. 12. 5. · Behavior Modelling of Multi-Annual GPS Stations Using Time Series Analysis Alex Boava Meza Prof. Dr

• What is deformation?

• What is modelling?

• Modelling methods in Geodesy

– Congruence

– Kinematic

– Dynamic

INTRODUCTION

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TIME SERIES ANALYSIS

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• Time series analysis?

– According to Morettin and Toloi (2018)....

TIME SERIES ANALYSIS

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Spectral-DomainTime-Domain

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• Aims to define certain components that, in general, compose a Time

Series (TS)

Parametric Method

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TrendTS = Sazonality+ + Stochastic

Polynomial Regression

𝑇 𝑡𝑖 =

𝑘=0

𝑚

𝛽𝑘𝑡𝑖𝑘

Trigonometric Functions

𝑆 𝑡𝑖 =

𝑘=1

𝑠

[𝑎𝑘 cos 2𝜋𝑓𝑘𝑡𝑖 + 𝑏𝑘𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝑓𝑘𝑡𝑖)]

White noiseARMA

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• Concerns to the spectral-domain, also called frequency-domain.

• The analysis can be:

1. Univariate

– Autocorrelation (ACF) and Partial-Autocorrelation (PACF);

– Fast Fourier Transform;

– Periodograms; etc....

2. Bivariate

– Cross-correlation;

– Cross-spectral correlation; etc...

Non-parametric Methods

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SOME RESULTS….

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• Binomial Model:

Trend

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𝑇𝑆𝑓 𝑡𝑖 = 𝛽0 + 𝛽1𝑡𝑖

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The main frequencies in a time series can be identified with PERIODOGRAMS.

Sazonality

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𝑆 𝑡𝑖 =

𝑘=1

𝑠

[𝑎𝑘 cos 2𝜋𝑓𝑘𝑡𝑖 + 𝑏𝑘𝑠𝑒𝑛(2𝜋𝑓𝑘𝑡𝑖)]

Using the selected frequencies, parameters 𝑎𝑘and 𝑏𝑘 were estimated and subject to t-test. Iftheir value were lower than 1.96, it wasdiscarded.

Period (days)

1461,00 365,25 182,63

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• ARMA (q,p) – Best fit -> ARMA (1, 3)

Stochastic

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Result - Residuals

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Mean = 0.5 mmStd. = 7.8 mm

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DYNAMIC MODELLING

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• According to Welch and Heunecke (2001), the definition of a

model for a transfer function is feaseble if the input (𝑦𝑘) and the

output (𝑥𝑘) quantities are measured. And they pose one way to

model the system using ARMA (q, p):

• 𝑥𝑘 - Altimetric coordinate

• 𝑦𝑘 - River level

• 𝑥𝑘 = 𝑎1𝑥𝑘−1 + 𝑎2𝑥𝑘−2 +⋯+ 𝑎𝑞𝑥𝑘−𝑞 + 𝑏0𝑦𝑘 + 𝑏1𝑦𝑘−1 +⋯+ 𝑏𝑝𝑦𝑏−𝑝

Dynamic Modelling

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Autoregressive Moving Average

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Dynamic Modelling

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• In order to validate the hypothesis that the river level has influence in the station

coordinates, several time series cross-correlation were calculated between:

ALTIMETRY and/or RIVER LEVELS

Dynamic Modelling

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cm

Lag = 1 day

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Dynamic Modelling

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RIVER LEVELLag = 65 days

cm

STATIONSLag = 40 days

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• ARMA (p,q) – Best fit -> ARMA (2, 1) with lag = 6

Dynamic Modelling

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met

ers

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• By this work, it cannot be said that the river levels in Amazonian region

strictely affect station coordinates;

• Nevertheless, the RIVER x STATION system has some similarities and river

data will be used in the modelling process.

• The portryed methods of analysis showed to be robust for the porpuses of

this work;

• The main problem to be attacked is the existence of gaps in the time

series. Which may lead to a bad estimation of parameters.

CONCLUSION

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• CHINARRO, D. System Engineering applied to Fuenmayor Karst Aquifer (San Julián de Banzo, Huesca) and Collins Glacier (King George Island, Antartica). 2014. Tese (Doutorado em Ciência da Computação e Engenharia de Sistemas) - Departamento de Computação e Engenharia de Sistemas, Universidade de Zaragoza, Zaragoza.

• GÜLAL, E.; ERDOĞAN, H.; TIRYAKIOĞLU, I. Research on the stability analysis of GNSS reference stations network by time series analysis. Digital Signal Processing, v. 23, n. 6, p. 1945-1957, 2013

• WELSCH, W. M., HEUNECKE, O. Committee of FIG (2001) Report of Ad-Hoc Committee of Working Group 6.1. No. 25 Models and Terminology for the Analysis of Geodetic Monitoring Observations. FIG Guide, 2001.

• MORETIN, P. A.; TOLOI, C. M. C. Análise de séries temporais: modelos lineares univariados. 3ª ed. São Paulo:Blucher, 2018, p. 474.

REFERENCES

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