城市CORS參考站穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與區(qū)域地表變形分析

劉志強(qiáng)，劉全海，王解先，謝中華

（1.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海 200092；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213002；4.現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

隨著城市信息化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)的一些城市近年來(lái)紛紛開展連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)CORS（Continuously Operating Reference Stations）的建設(shè)。城市CORS是在傳統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）差分定位的基礎(chǔ)上快速發(fā)展起來(lái)的一種基于多基準(zhǔn)站的區(qū)域衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)。它不僅是動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的空間數(shù)據(jù)參考框架，同時(shí)也是快速、高精度獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的重要手段。由于受板塊運(yùn)動(dòng)、人類活動(dòng)等因素影響，CORS系統(tǒng)建成后各參考站會(huì)隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生不同程度的三維位移變化。對(duì)CORS參考站的位移變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，既可解決CORS運(yùn)營(yíng)維護(hù)者普遍關(guān)心的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，又能夠?yàn)槌鞘袇^(qū)域的地表變形提供一種高精度、有效的監(jiān)測(cè)手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者利用區(qū)域CORS開展了一系列有關(guān)參考站穩(wěn)定性分析、板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地表變形監(jiān)測(cè)的研究工作［1－5］。在對(duì)CORS數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，不同學(xué)者對(duì)參考框架的選擇、變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)合理性等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)仍存在不同程度的差異，針對(duì)不同研究對(duì)象得到的參考站位移和區(qū)域地表變形速度場(chǎng)的結(jié)果亦不盡相同。本文以常州市CZCORS系統(tǒng)為例，對(duì)比分析不同參考框架和變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)對(duì)參考站位移監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，并探討利用城市CORS進(jìn)行區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)與分析的方法。

1 CORS觀測(cè)數(shù)據(jù)與基線解算

常州市CZCORS系統(tǒng)由CZSM、JTAN、LYNG、WJIN、XBEI共5個(gè)連續(xù)運(yùn)行GNSS參考站組成，參考站間平均距離43.9km。各參考站均采用高精度雙頻GNSS接收機(jī)（LEICA GRX1200GGPRO），并采用統(tǒng)一的雙頻大地型天線（LEIAX1202GG）。各參考站的GNSS天線均安置于基礎(chǔ)相對(duì)穩(wěn)定的建筑物頂部，周圍觀測(cè)天空開闊，受多路徑效應(yīng)影響較小。CZCORS各參考站空間分布合理，能較好地覆蓋常州市各行政區(qū)劃，可作為區(qū)域地表變形的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

本文選取2009年10月至2011年10月期間24個(gè)月的CZCORS參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，且設(shè)定監(jiān)測(cè)周期為6個(gè)月。為增強(qiáng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線處理的可靠性，每期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別取連續(xù)7d的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，得到連續(xù)7d的單天解作為本期觀測(cè)的重復(fù)基線?；€解算采用GAMIT軟件（10.4版），在進(jìn)行基線處理時(shí)，下載BJFS、KUNM、SHAO、WUHN、TWTF共5個(gè)IGS站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算。聯(lián)測(cè)的IGS（International GNSS Service）站近似坐標(biāo)為ITRF2005參考框架、瞬時(shí)歷元坐標(biāo)，并設(shè)置各IGS站東西向、南北向及徑向 先 驗(yàn) 坐 標(biāo) 約 束 為0.005m、0.005m和0.010m。其中，固定SHAO站作為起算點(diǎn)，其余IGS站作松弛約束，可得到基線單天無(wú)約束解。在采用IGS精密星歷和高精度起算點(diǎn)時(shí)，其解算長(zhǎng)基線的相對(duì)精度能達(dá)到10－9量級(jí)，能滿足高精度變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的要求。

2 參考框架與監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的選擇

2.1 ITRF框架

在進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析時(shí)，首先要將GNSS技術(shù)獲得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)納入到合理、統(tǒng)一的參考框架中。國(guó)際地球參考框架ITRF（Internatial Terrestrial Reference Frame）是利用GNSS、VLBI、SLR、LLR及DORIS等多種空間技術(shù)，由全球測(cè)站觀測(cè)資料成果推算得到的四維地心坐標(biāo)參考框架。迄今為止，IERS已發(fā)布11個(gè)版本的ITRF框架。目前最新、精度最高的坐標(biāo)參考框架是ITRF2008，于2010－05－28日 發(fā) 布。相 對(duì) 于ITRF2005，ITRF2008在原點(diǎn)、尺度等框架定義參數(shù)方面有較大的改進(jìn)和修正，其參考站坐標(biāo)和速率的精度也均有明顯提高［6］。每次ITRF的更新，都意味著對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的不斷深入。ITRF的實(shí)現(xiàn)能夠充分顧及到地殼板塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且具有高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而可以作為較為理想的大尺度范圍內(nèi)地表變形分析的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)參考基準(zhǔn)。

由于CORS得到的區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間周期一般較長(zhǎng)，期間通常會(huì)涉及到不同時(shí)期的ITRF坐標(biāo)參考框架。由于不同的ITRF框架的定義不同，這就導(dǎo)致了ITRF框架間會(huì)存在系統(tǒng)性差異。在求取各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)成果時(shí)，應(yīng)歸算到統(tǒng)一的ITRF框架下，由此消除因坐標(biāo)參考基準(zhǔn)差異引起的位置、尺度、方位和時(shí)間演變的系統(tǒng)性誤差。本文分析的CZCORS數(shù)據(jù)涉及ITRF2005和ITRF2008兩種坐標(biāo)參考框架。二者之間的轉(zhuǎn)換可通過(guò)基于歐氏空間的相似變換實(shí)現(xiàn)。

式中：T，˙T為轉(zhuǎn)換參數(shù)及其變化率；D，˙D為尺度因子及其變化率；R，˙R分別為旋轉(zhuǎn)矩陣及其變化率。ITRF2005和ITRF2008在2005.0歷元的14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)具體值可參見文獻(xiàn)［6］。

2.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差基準(zhǔn)

在對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析時(shí)，一般采用經(jīng)典的所謂固定參考基準(zhǔn)。然而，對(duì)于大尺度范圍內(nèi)的CORS監(jiān)測(cè)網(wǎng)而言，則需將參考基準(zhǔn)納入到國(guó)際地球參考框架ITRF中，這時(shí)就應(yīng)充分顧及基準(zhǔn)的時(shí)空變化規(guī)律，將其視為動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)。從監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平差方式來(lái)看，若僅固定單個(gè)IGS站進(jìn)行三維無(wú)約束平差，則不會(huì)使CORS網(wǎng)形產(chǎn)生畸變。由此得到的是各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的相對(duì)ITRF坐標(biāo)，其僅相對(duì)于所選的IGS測(cè)站具有較高的精度。但在由不同期監(jiān)測(cè)成果計(jì)算點(diǎn)位位移時(shí)，要考慮所選IGS站的坐標(biāo)及速率的誤差影響，選取固定不同的IGS站所得到的位移場(chǎng)結(jié)果可能不同。若固定多個(gè)IGS站進(jìn)行約束平差，則可將監(jiān)測(cè)網(wǎng)納入到由所選的IGS站組的坐標(biāo)及其速率所確定的坐標(biāo)參考系統(tǒng)中，由此得到的是各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的絕對(duì)ITRF坐標(biāo)。由于約束平差的方式是將CORS網(wǎng)與所選IGS站組進(jìn)行強(qiáng)制符合，理論上會(huì)引起監(jiān)測(cè)網(wǎng)形的畸變。這取決于所選IGS站組坐標(biāo)及速率的精度及相互之間是否有較好的兼容性。

2.3 對(duì)比分析

CZCORS基線解算完成后，進(jìn)行網(wǎng)平差得到的是對(duì)應(yīng)ITRF框架下的三維空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）。將2009－10的CZCORS網(wǎng)的平差結(jié)果作為首期成果，其后4期的平差結(jié)果與之相減得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移變化值（dX，dY，dZ）。為直觀地分析點(diǎn)位變化情況，通常需要將地心坐標(biāo)系中的點(diǎn)位位移結(jié)果轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系中，得到平面（North、East）和高程（Up）分量的位移變化值（N，E，U）。各期位移（dN，dE，dU）除以時(shí)間間隔即可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)在平面和高程方向上的位移速率。地心坐標(biāo)系和站心坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式

（3）所示［7］。

式中：B，L分別為測(cè)站點(diǎn)的大地緯度和大地經(jīng)度。

為比較采用不同ITRF框架、不同平差基準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位移結(jié)果的影響，分別采用如下兩種方案對(duì)CZCORS監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行處理：

方案1：在ITRF2005和ITRF2008框架下進(jìn)行無(wú)約束平差（僅固定SHAO站），結(jié)果如表1所示；

表1 ITRF2005和ITRF2008框架各期無(wú)約束平差位移值mm

方案2：在ITRF2008框架下，分別進(jìn)行無(wú)約束平差（僅固定SHAO站）和約束平差（固定5個(gè)IGS站，即BJFS、SHAO、KUNM、TWTF、WUHN），結(jié)果如表2所示。

表1中SHAO站的各期位移值由ITRF公布的已知值計(jì)算得到。從表1可以看出，分別采用ITRF2005和ITRF2008框架進(jìn)行三維無(wú)約束平差，在不同框架下各CORS監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位移的平面分量值與參考基準(zhǔn)SHAO站的變化規(guī)律表現(xiàn)出高度一致性；而高程分量值的變化差異較大，這主要是由于城市CORS參考站與全球IGS站的標(biāo)墩基礎(chǔ)構(gòu)造條件不同所引起的。由此可見，采用不同的ITRF框架進(jìn)行無(wú)約束平差，各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移結(jié)果主要取決于所選取的IGS站在不同ITRF框架下的坐標(biāo)及速率差異。在同一參考框架下，固定不同的IGS站作為參考基準(zhǔn)，得到的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位移結(jié)果會(huì)有所不同。無(wú)約束平差結(jié)果得到的各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)為相對(duì)坐標(biāo)，其相對(duì)于作為參考基準(zhǔn)的IGS站具有較高精度，而且監(jiān)測(cè)網(wǎng)形無(wú)畸變。

從表2可以看出，在ITRF2008框架下，僅固定SHAO站進(jìn)行無(wú)約束平差，得到的BJFS、KUNM、TWTF、WUHN參考站的各期位移結(jié)果，與ITRF2008已知值計(jì)算出的結(jié)果相比均存在不同程度的差異。這反映出無(wú)約束平差結(jié)果所確定的尺度與ITRF2008框架的尺度存在較為明顯的差異。從CZCORS各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移結(jié)果互差值來(lái)看，采用無(wú)約束和約束平差對(duì)各測(cè)站的影響值基本一致。這說(shuō)明約束平差僅對(duì)CZCORS網(wǎng)有整體的平移效應(yīng)，并未改變CZCORS各網(wǎng)點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系。不同期的約束平差結(jié)果對(duì)CZCORS網(wǎng)的平移程度略有不同，這種差異的量級(jí)取決于不同期基線解算的精度變化，在能保證基線解算結(jié)果精度和可靠性的情況下，不會(huì)對(duì)分析各期位移結(jié)果變化情況產(chǎn)生明顯影響。采用固定多個(gè)IGS站進(jìn)行約束平差，可以得到各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)在ITRF框架下的絕對(duì)坐標(biāo)結(jié)果，其所確定的尺度與ITRF2008框架本身的尺度較為接近。在現(xiàn)有GNSS基線解算所能達(dá)到的精度水平下，由無(wú)約束和約束平差結(jié)果計(jì)算得到的各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)間的相對(duì)位移變化結(jié)果并無(wú)顯著差異。

表2 ITRF2008框架各期無(wú)約束與約束平差位移結(jié)果互差 mm

3 位移結(jié)果與地表變形分析

在ITRF2008框架下，固定5個(gè)IGS站（BJFS、SHAO、KUNM、TWTF、WUHN）對(duì)CZCORS網(wǎng)進(jìn)行約束平差，可得到各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)相對(duì)于2009年10月首期坐標(biāo)成果的位移變化值，如表3所示。

表3 ITRF2008框架各期約束平差位移結(jié)果 mm

表3中5個(gè)IGS站的各期位移值由ITRF公布的已知值計(jì)算得到。CZCORS各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值平面分量（North，East）變化與已知的各IGS站變化規(guī)律有較好吻合。在ITRF2008框架下，CZCORS網(wǎng)有向東南方向整體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，其平面位移變化值及其運(yùn)動(dòng)方向與各IGS站對(duì)應(yīng)的結(jié)果基本一致。由表3中CZCORS各監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的位移變化值，可以計(jì)算出常州市區(qū)域地表水平位移速度場(chǎng)如圖1所示。

圖1 ITRF2008框架下水平位移速度場(chǎng)

從表3中給出的各測(cè)站垂直方向位移變化值可以看出，不同IGS站及各CZCORS參考站間存在較大差異。對(duì)IGS站而言，BJFS、TWTF存在明顯的抬升趨勢(shì)，而KUNM、SHAO及WUHN站在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的變化并不明顯。圖2為CZCORS各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直分量變化情況。其中，CZSM、JTAN站表現(xiàn)出一定的抬升趨勢(shì)，LYNG、XBEI站總體變化量不大，而WJIN站則表現(xiàn)出較為明顯的下沉趨勢(shì)。該監(jiān)測(cè)結(jié)果與城市二等幾何水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)果基本一致。由于GNSS高程方向的測(cè)量精度一般要比水平方向低2～3倍，而且CZCORS各參考站均為屋頂標(biāo)墩，季節(jié)溫度變化因素會(huì)一定程度上影響建筑物垂直方向上的位移，因此，僅由CZCORS得到的各參考站的垂直分量位移結(jié)果可靠性往往難以保證。將ITRF框架下測(cè)站點(diǎn)垂直方向上的相對(duì)位移計(jì)算結(jié)果與城市二等幾何水準(zhǔn)成果進(jìn)行相互驗(yàn)證，可以為城市CORS各參考站高程穩(wěn)定性變化提供一種較為有效、可靠的檢驗(yàn)方法。由于受城市CORS網(wǎng)參考站的數(shù)量及空間分布密度限制，CORS站的變形監(jiān)測(cè)成果尚不足以精確、可靠地反映城市大面積區(qū)域的地表垂直位移變化狀況，為此還可進(jìn)一步結(jié)合該區(qū)域的差分干涉測(cè)量D－InSAR（Differential－InSAR）技術(shù)成果進(jìn)行分析［8］。

圖2 ITRF2008框架下垂直位移變化值

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)常州市CZCORS網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，對(duì)比分析了不同ITRF參考框架和變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)對(duì)城市CORS參考站位移及區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論和建議：

1）在利用城市CORS網(wǎng)進(jìn)行參考站穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與區(qū)域地表變形分析時(shí)，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)，并將其納入到國(guó)際地球參考框架ITRF中。

2）采用不同的ITRF框架進(jìn)行無(wú)約束平差，主要取決于所選取的IGS站在不同ITRF框架下的坐標(biāo)及速率差異，而且得到的監(jiān)測(cè)成果為相對(duì)坐標(biāo)，僅相對(duì)于作為參考基準(zhǔn)的IGS站具有較高精度。

3）在統(tǒng)一的ITRF框架下，在現(xiàn)有GNSS基線處理所能達(dá)到的精度水平下，由無(wú)約束和約束平差結(jié)果計(jì)算得到的各期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)間的相對(duì)位移變化結(jié)果并無(wú)顯著差異。在最新的ITRF2008框架下固定一定數(shù)量的IGS站進(jìn)行約束平差，得到的監(jiān)測(cè)成果為絕對(duì)坐標(biāo)，其所確定的尺度與ITRF2008框架本身的尺度較為接近。

4）利用城市CORS網(wǎng)的監(jiān)測(cè)成果，可以精確地建立城市區(qū)域地表水平位移速度場(chǎng)；若進(jìn)一步結(jié)合精密水準(zhǔn)測(cè)量、D－InSAR等監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行相互驗(yàn)證，則可獲得精確的城市區(qū)域地表垂直位移速度場(chǎng)。

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