GPS在濱海新區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

□ 王建營張琦（.天津市測繪院，天津西青30038；.天津市武清區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)所，天津武清30700）

GPS在濱海新區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

□ 王建營1張琦2
（1.天津市測繪院，天津西青300381；2.天津市武清區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)所，天津武清301700）

本文簡要介紹了濱海新區(qū)沉降監(jiān)測中GPS數(shù)據(jù)處理方案，研究了高精度GPS數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理中涉及到的成果精度評定。結(jié)合GPS基準(zhǔn)站和一級GPS監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域地表形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)分析，簡單論述了濱海新區(qū)地面沉降分布發(fā)育情況以及引起濱海新區(qū)地面沉降的影響因素，找出數(shù)據(jù)之間存在的規(guī)律性，為今后濱海新區(qū)地面沉降防治與研究提供數(shù)據(jù)支持。

GPS高程；濱海新區(qū)；地表沉降；形變監(jiān)測

0.引言

地面沉降是一種導(dǎo)致區(qū)域性地面高程降低的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，常發(fā)生在人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)的城市，具有沉降速度相對較慢難以明顯察覺、危害面積廣、破壞嚴(yán)重、幾乎不可恢復(fù)性等特點(diǎn)，越來越引起人們的重視[1]。伴隨著各種測量儀器、相關(guān)地面沉降監(jiān)測技術(shù)方法的不斷改進(jìn)，地面沉降的自動(dòng)化監(jiān)測工作取得了巨大的進(jìn)步，近年來興起的GPS（Global Position System）技術(shù)應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)研究課題[2]。

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS（Global Navigation Satellite System）技術(shù)的發(fā)展，很多國家和地區(qū)建立了GPS形變監(jiān)測網(wǎng)，用于研究區(qū)域性地面沉降[3]。利用GPS建立大區(qū)域的形變監(jiān)測網(wǎng)可有效地克服常規(guī)監(jiān)測網(wǎng)的弊端。它以地心坐標(biāo)系為參考系，很好地解決了各種形變監(jiān)測的基準(zhǔn)難題，而且GPS監(jiān)測成果不存在誤差累積[4]。

本文從理論上探討正高、正常高與大地高以及地面沉降量的關(guān)系，論述了由GPS和精密水準(zhǔn)測量所獲得的地面沉降量在理論上的一致性。

并將GPS測量技術(shù)應(yīng)用于濱海新區(qū)地面沉降監(jiān)測的實(shí)踐中，通過GPS測量結(jié)果與一等水準(zhǔn)測量結(jié)果的對比分析，從而論證了采用GPS測量方法可以用于大范圍的地面沉降監(jiān)測。

本文簡要介紹了濱海新區(qū)GPS形變監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)和GPS數(shù)據(jù)處理方案，研究了高精度GPS數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理中涉及到的成果精度評定。結(jié)合濱海新區(qū)范圍內(nèi)的GPS基準(zhǔn)站和一級GPS監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域地表形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)分析，簡單論述了全市地面沉降分布發(fā)育情況以及引起濱海新區(qū)地面沉降的影響因素，找出數(shù)據(jù)之間存在的規(guī)律性，為今后濱海新區(qū)地面沉降防治與研究提供數(shù)據(jù)支持。

1.數(shù)據(jù)采集

濱海新區(qū)地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)和一級GPS監(jiān)測網(wǎng)兩部分組成。濱海新區(qū)及周邊共有3座GPS基準(zhǔn)站和10個(gè)一級GPS監(jiān)測點(diǎn)，基本形成了GPS監(jiān)測的骨干網(wǎng)絡(luò)體系。3個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站10個(gè)一級GPS監(jiān)測點(diǎn)位置分布如圖1所示，圖中，CH02、KC01以及TJA1為連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，其余為一級GPS監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 濱海新區(qū)GPS監(jiān)測網(wǎng)1絡(luò)點(diǎn)位分布圖

3個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行參考站屬于市GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)，實(shí)行全天候長期監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。10個(gè)一級GPS監(jiān)測點(diǎn)每年11月進(jìn)行外業(yè)測量1次。監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)觀測采用參照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）B級GPS網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，基于GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)的點(diǎn)觀測模式。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測3個(gè)時(shí)段，共計(jì)72小時(shí)，采樣率設(shè)定30秒[5]。各批次涉及點(diǎn)同步觀測，各站點(diǎn)平均距離約為50km。

2.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括監(jiān)測站基線解算以及平差處理兩部分。

2.1 基線處理

原始數(shù)據(jù)采集并整理完成以后，選擇適當(dāng)數(shù)量的IGS站數(shù)據(jù)，并使用精密星歷解算GPS數(shù)據(jù)，可求得高精度基線向量和測站坐標(biāo)。GPS基線解算是基于 Linux fedora 16平臺(tái)上運(yùn)行GAMIT軟件完成的。

表1 控制參數(shù)設(shè)置

2.2 平差處理

對GPS基線處理結(jié)果的平差方法是利用GLOBK軟件對GAMIT軟件計(jì)算的單天結(jié)果進(jìn)行平差處理，使用數(shù)據(jù)是GAMIT軟件解算產(chǎn)生的H文件，處理結(jié)果給出最終的GPS測站坐標(biāo)和精度評定及速率和精度評定。

此次GPS觀測結(jié)果的數(shù)據(jù)處理中，平差計(jì)算使用的軟件是GLOBK軟件5.18版本。計(jì)算方案為。

（1）對本期數(shù)據(jù)的GAMIT計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行單期的平差合并處理，計(jì)算出的GPS測站坐標(biāo)的最佳估計(jì)值和它的精度估計(jì)值。

（2）坐標(biāo)參考框架為ITRF2005全球坐標(biāo)系統(tǒng)框架，使用ITRF2005系統(tǒng)的核心觀測站的坐標(biāo)和坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率為坐標(biāo)系統(tǒng)平差控制參數(shù)。對核心站的坐標(biāo)給予強(qiáng)約束，東西向和南北向?yàn)?mm，豎向?yàn)?0mm，對坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率給予東西向和南北向約束為2mm/a，豎向?yàn)?mm/a[6]。本次數(shù)據(jù)處理中ITRF2005系統(tǒng)的核心觀測站有6個(gè)，它們分別是：SHAO、BJFS、USUD、IRKT、YSSK、POL2。對其余的GPS觀測站的坐標(biāo)和坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率給予松約束，坐標(biāo)東西向和南北向約束為10m，豎向?yàn)?0m，速度約束為東西向和南北向?yàn)?0mm/a，豎向?yàn)?00mm/a[7]。

3.沉降提取

水準(zhǔn)測量測得的是正常高的變化，而GPS測得的是大地高的變化，同一個(gè)點(diǎn)上的正常高與大地高是不同的，兩者不能直接比較。同一個(gè)點(diǎn)上正常高的變化Δh與大地高的變化ΔU兩者存在如下關(guān)系。

其中cosa是該點(diǎn)上垂線偏差的余弦。由于天津地區(qū)a很?。ㄒ话阍趲资氲牧考墸虼丝梢灾苯佑忙代替Δh表示地面沉降的變化，即直接將GPS測得的大地高的變化代替水準(zhǔn)測量正常高的變化。于是，可用周期監(jiān)測的大地高變化量來表示當(dāng)年該點(diǎn)的沉降。

2013年沉降量值由2013年與2012年GPS站點(diǎn)大地高相減所得。根據(jù)2012～2013年GPS解算成果年度沉降值表，做出2012～2013年沉降速率等值線圖，如圖2所示。

圖2 2012-2013年濱海新區(qū)地面沉降速率等值線圖

從圖2可以得知，2012～2013年下沉量最大的GPS點(diǎn)為TJA1，沉降值達(dá)到了-85.4mm，下沉值最小的為TJ10，沉降值為-6.2mm，濱海新區(qū)所有GPS點(diǎn)沉降量平均值為-35.83mm。

4.成果比較

由上節(jié)可知，兩期GPS測量所獲得大地高變化量ΔU表示地面沉降量，與應(yīng)用兩期精密水準(zhǔn)測量方法所獲得的正常高變化量Δh表示地

面沉降量，在變化趨勢上基本一致。為了進(jìn)一步比較2012～2013年GPS測量成果與水準(zhǔn)測量成果的一致性，特從相關(guān)部門收集到2012年與2013年部分GPS監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)測量成果，通過對比分析，二者較差見表2。

表2 GPS測量與水準(zhǔn)測量成果較差表

從表2可知，GPS測量成果與水準(zhǔn)測量成果二者較差小于±5mm的站點(diǎn)有5個(gè)，占比為50%；較差介于5-10mm之間的站點(diǎn)有3個(gè)，占比30%；較差介于10-20mm之間的站點(diǎn)有2個(gè)，占比20%;較差大于20mm的站點(diǎn)有2個(gè)。統(tǒng)計(jì)以上數(shù)據(jù)可知，80%的站點(diǎn)較差小于10mm，充分說明數(shù)據(jù)解算的高精度和可靠性。兩種測量方法成果較差分段統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 GPS測量成果與水準(zhǔn)測量成果較差占比圖

有研究文章指出，通過十年GPS沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)試驗(yàn)，全天津市GPS測量大地高變化與水準(zhǔn)測量大沽高變化之差的均值約為10mm。因此，表2里80%的對比結(jié)果正常。對比結(jié)果大于15mm只有TJA1。仔細(xì)分析TJA1站GPS測量與水準(zhǔn)測量之差差異大的原因，有以下三條：一是GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，GPS信號產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，影響了數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量；二是地質(zhì)環(huán)境改變，TJA1周圍2013年5月有大型建筑工地開工，沉降加?。蝗撬疁?zhǔn)觀測與GPS觀測不完全同步。由此造成水準(zhǔn)觀測與GPS測量之間差異。

通過不同監(jiān)測方法比較，GPS監(jiān)測精度滿足要求，可以應(yīng)用于濱海新區(qū)地面沉降監(jiān)測，一是GPS監(jiān)測能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大節(jié)省了人力物力財(cái)力；二是它以地心坐標(biāo)系為參考系，很好地解決了形變監(jiān)測的基準(zhǔn)難題；三是GPS監(jiān)測不像水準(zhǔn)測量存在誤差累積的現(xiàn)象，使得監(jiān)測成果更接近于沉降真值。

5.結(jié)論

本文通過同期水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了GPS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測的可行性。

從2012～2013年濱海新區(qū)沉降等值線圖，得出濱海新區(qū)沉降概況?；厩闆r是以TJA1為中心，沉降逐漸擴(kuò)散，中間沉降大，周邊沉降逐步減小。

通過GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站觀測結(jié)果可知，基準(zhǔn)站所在地區(qū)地面沉降呈線性下沉，無法恢復(fù)。

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2095-7319（2015）03-0062-05

王建營（1981—），男，雙學(xué)士，工程師，天津市測繪院，現(xiàn)在主要從事GNSS應(yīng)用研究。