GNSS連續(xù)站錨標(biāo)觀測(cè)墩穩(wěn)定性測(cè)試研究

王巖 張勇 洪敏 邵德盛 黎煒 黎志軍

摘要：基于中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)彌勒站點(diǎn)的鋼筋混凝土觀測(cè)墩與彌勒錨標(biāo)觀測(cè)墩所采集的數(shù)據(jù)，采用Gamit/Globk軟件對(duì)其進(jìn)行處理。通過建設(shè)初期的基線變化、日周期變化等分析錨標(biāo)觀測(cè)墩自身的穩(wěn)定性，結(jié)果表明錨標(biāo)觀測(cè)墩在建設(shè)初期自身穩(wěn)定性良好；通過一年的點(diǎn)位移時(shí)間序列對(duì)比錨標(biāo)與鋼筋混凝土觀測(cè)墩之間的差異變化，發(fā)現(xiàn)兩者具有高度的一致性；利用高精度全站儀與多路溫度計(jì)測(cè)試錨標(biāo)觀測(cè)墩，發(fā)現(xiàn)其在溫度極端變化時(shí)穩(wěn)定性較高；因此錨標(biāo)觀測(cè)墩可以作為監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)站點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：GNSS；觀測(cè)墩；錨標(biāo)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：P315.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）04-0686-06

0 引言

中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（以下簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)）主要用于獲取中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)細(xì)部特征，服務(wù)于地震預(yù)測(cè)和科學(xué)研究，同時(shí)兼顧軍事測(cè)繪、大地測(cè)量等綜合應(yīng)用。站點(diǎn)主要分布于中國(guó)大陸及周邊，并且在一系列主要活動(dòng)構(gòu)造區(qū)、活動(dòng)斷裂帶、地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)等進(jìn)行了針對(duì)性的加密布設(shè)，這些站點(diǎn)的觀測(cè)墩均采用鋼筋混凝土澆灌，并建設(shè)了觀測(cè)室以確保觀測(cè)墩不受外界環(huán)境變化的干擾（地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，2014）。為應(yīng)對(duì)一些施工困難或要求快速建站的特殊地區(qū)的需要，中國(guó)地震局地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心（以下簡(jiǎn)稱工程中心）引入了已在國(guó)外廣泛應(yīng)用的錨標(biāo)站作為站點(diǎn)觀測(cè)標(biāo)墩建設(shè)的補(bǔ)充。2015年1月，在云南彌勒站增設(shè)了一座錨標(biāo)基巖標(biāo)墩，并進(jìn)行高精度的長(zhǎng)期對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。本文基于彌勒錨標(biāo)站與彌勒基準(zhǔn)站的基線變化，通過點(diǎn)位移時(shí)間序列對(duì)鋼筋混凝土觀測(cè)墩與錨標(biāo)觀測(cè)墩進(jìn)行對(duì)比分析研究，并通過人工加溫的方法對(duì)錨標(biāo)觀測(cè)墩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析測(cè)試，研究錨標(biāo)觀測(cè)墩是否能應(yīng)用于地殼形變觀測(cè)（張銳等，2014）。

1 數(shù)據(jù)解算方法

云南彌勒GNSS（YNML）連續(xù)觀測(cè)始于2009年12月，使用TrimbleNet R8接收機(jī)和TRM59800.00扼流圈天線，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s 和30 s。彌勒錨標(biāo)GNSS（YNZB）的觀測(cè)始于2015年1月，使用TrimbleNet R8接收機(jī)和TRM 59800.00扼流圈天線，采樣間隔為1 s和30 s。筆者選取2015年1～12月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，并采用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行基線處理。為了獲得單日解與參考框架的聯(lián)系，利用GLOBK將GAMIT處理得到的單日松弛解和SOPAC給出的全球IGS站的單日松弛解合并，通過7個(gè)參數(shù)的相似變換可得到ITRF2008參考框架下的單日解（許才軍，張朝玉，2009；王伶俐等，2015）。本文在研究站點(diǎn)間基線長(zhǎng)度和方向的變化情況時(shí)，采用赤道投影的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算基線長(zhǎng)度（施發(fā)奇等，2012）：

L=（x2-x1）2+（y2-y1）2.（1）

式中，L代表基線長(zhǎng)度；（x1，y1）（x2，y2）分別代表兩點(diǎn)的地心坐標(biāo)。

2 錨標(biāo)站點(diǎn)的介紹

應(yīng)工程中心的要求，云南省地震局形變測(cè)量中心配合工程中心相關(guān)專家，在云南彌勒GNSS基準(zhǔn)站西南面約18 m建設(shè)了一個(gè)錨標(biāo)GNSS觀測(cè)墩。錨標(biāo)GNSS觀測(cè)墩的應(yīng)用常見于美國(guó)及一些歐洲國(guó)家，在國(guó)內(nèi)彌勒錨標(biāo)站是首先應(yīng)用錨標(biāo)觀測(cè)墩的站點(diǎn)之一，目前處于實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段。錨標(biāo)站的優(yōu)點(diǎn)首先是建設(shè)時(shí)間短，正常情況下一天可建好一個(gè)站點(diǎn)。其次是耗材少、重量輕，故搬運(yùn)和建設(shè)的成本都較低，只需要四根合金鋼與一個(gè)托盤及8管植筋膠即可在較短的時(shí)間內(nèi)完成，并且無(wú)需建設(shè)觀測(cè)房，使成本大幅降低（地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，2014）。

錨標(biāo)觀測(cè)墩建設(shè)的具體步驟為：（1）首先勘選一塊露出地表面積約2.5 m2的基巖（基巖需完整，且有很好的穩(wěn)定性）、在出露的基巖上初步設(shè)計(jì)出一個(gè)正三角形，每個(gè)角之間距離約1.5 m，或者以一塊基巖為中心點(diǎn)，另外三爪距中心點(diǎn)約0.9 m，且三爪互相以120°均勻分布，其任何一爪的著地處均為基巖；（2）在每個(gè)角的位置用沖擊鉆打一個(gè)直徑為4 cm、長(zhǎng)約80 cm的鉆孔，在外圍3個(gè)角鉆孔時(shí)，需傾斜一定的角度，約55°（實(shí)際操作根據(jù)擬建觀測(cè)墩的高度調(diào)節(jié)），中心孔垂直鉆深80 cm；（3）中心桿確定后，根據(jù)實(shí)際需要，裁截其他3個(gè)錨標(biāo)鋼筋的長(zhǎng)度；（4）清理鉆孔內(nèi)粉塵后注入植筋膠，注滿后將鋼筋插入孔中，并分別與中心桿焊接在一起；（5）中心桿焊接好后，根據(jù)實(shí)際需要，裁截中心桿高度，并在中心桿上焊接連接盤，以便安裝天線。錨標(biāo)站的具體布設(shè)形式如圖1所示。

3 錨標(biāo)站穩(wěn)定性測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

用TEQC軟件對(duì)2015年1月～12月YNML鋼筋混凝土觀測(cè)墩與YNZB錨標(biāo)觀測(cè)墩記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，分別統(tǒng)計(jì)2個(gè)觀測(cè)墩所得觀測(cè)數(shù)據(jù)的MP1、MP2值、正態(tài)化均方根殘差與數(shù)據(jù)有效率值（吳培稚等，2012），如表1所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，兩站各項(xiàng)指標(biāo)均比較接近，均在誤差范圍內(nèi)，表明兩個(gè)觀測(cè)墩所處的觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)設(shè)備的綜合影響基本一致。

3.2 穩(wěn)定性分析

通過GAMIT軟件解算測(cè)站單日解，然后直接從基線結(jié)果O文件中提取YNZB相對(duì)于YNML的N、E、U基線分量，得到Y(jié)NZB相對(duì)YNML在N、E、U三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)量。為了分析錨標(biāo)觀測(cè)墩建好初期的穩(wěn)定性，所選取的解算數(shù)據(jù)為從錨標(biāo)觀測(cè)墩建設(shè)完成后的第二天開始，連續(xù)22天的完整觀測(cè)數(shù)據(jù)（薄萬(wàn)舉等，2009）。從圖2可以看出，兩站在N方向最大互差約為2.5 mm，在E方向最大互差約為1.3 mm，各單日解間互差呈現(xiàn)隨機(jī)性，無(wú)明顯偏離趨勢(shì)。由此可見，錨標(biāo)觀測(cè)墩在建設(shè)初期穩(wěn)定性基本能達(dá)到地殼觀測(cè)運(yùn)動(dòng)的要求，能反映出基巖的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，建好后即可投入觀測(cè)應(yīng)用。

3.3 YNZB相對(duì)YNML日周期運(yùn)動(dòng)的相對(duì)變化分析

由于彌勒GNSS基準(zhǔn)站與錨標(biāo)站相距較近，坐落于同一地質(zhì)單元，理論上2個(gè)站的地殼運(yùn)動(dòng)方式應(yīng)比較一致（江在森等，2003）。為了分析觀測(cè)墩在一天內(nèi)的短時(shí)間變化，利用GAMIT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，每隔60 min得到一個(gè)觀測(cè)墩坐標(biāo)變化值，為了防止觀測(cè)數(shù)據(jù)過少影響精度，采用3 h為一個(gè)解算時(shí)段，每60 min滑動(dòng)一次，每天得到24個(gè)解，用YNZB相對(duì)于YNML的N、E兩個(gè)分量變化來(lái)顯示YNZB相對(duì)于YNML的日周期運(yùn)動(dòng)，共計(jì)算了兩天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別為年積日030與年積日031。由圖3可以看出，YNZB相對(duì)YNML東西和南北方向運(yùn)動(dòng)分量沒有明顯的周期性，坐標(biāo)變化量較小，變化量均在2 mm以內(nèi)，因此日周期變化錨標(biāo)站能夠滿足地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求。

3.4 錨標(biāo)墩在極端溫度影響下的實(shí)驗(yàn)情況

分析錨標(biāo)觀測(cè)墩在極端溫度變化影響下的穩(wěn)定性，主要是要檢測(cè)鋼筋熱膨脹及冷收縮時(shí)對(duì)觀測(cè)墩位移的影響。對(duì)錨標(biāo)觀測(cè)墩的幾個(gè)支腳分別進(jìn)行大幅度的升溫和降溫（20°～95°），并利用兩臺(tái)Leica TCA 2003高精度（標(biāo)稱精度測(cè)角0.5″，測(cè)距1 mm+1 ppm）全站儀對(duì)錨標(biāo)觀測(cè)墩進(jìn)行基線測(cè)量，在測(cè)量過程中，首先進(jìn)行背景值測(cè)量，待觀測(cè)數(shù)值穩(wěn)定后開始升溫。升溫所采用的方法是，首先將錨標(biāo)的4個(gè)支腳用塑膠管包好，然后用速干水泥將底部密封，待底部凝固后注滿水，升溫時(shí)用電熱管按需要對(duì)3個(gè)支腳分別加熱。基線測(cè)量時(shí)，我們將反射鏡固定到天線下面的托盤上。兩臺(tái)全站儀成90°直角，距離觀測(cè)墩約4 m，溫度每升高或降低5℃，分別在測(cè)站1與測(cè)站2用全站儀進(jìn)行基線測(cè)量。為保證基線測(cè)量數(shù)據(jù)能夠達(dá)到精度要求的分辨率，進(jìn)行了精度評(píng)定。利用白塞爾公式±VVn-1計(jì)算觀測(cè)精度，其中，V為觀測(cè)值與真值的差，n為觀測(cè)次數(shù)，真值是觀測(cè)值加權(quán)后求平均值，通過計(jì)算可知本次觀測(cè)的精度為0.2 mm。溫度測(cè)量采用多路溫度計(jì)，其分辨率為0.1 ℃。

從圖4可以看出，測(cè)站1、測(cè)站2的基線變化量分別約為0.6 mm、1 mm。由兩站的基線變化可以看出，隨著溫度的上升，基線均有伸長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)溫度升高時(shí)，錨標(biāo)的支腳會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹。

從圖5可以看出，1號(hào)支架溫度緩慢回落2號(hào)支架升溫過程中，測(cè)站1基線變化量約為0.6 mm，測(cè)站2變化量約為1.9 mm，變化量不同的原因是測(cè)站2基本是正對(duì)1號(hào)支腳，測(cè)站1與1號(hào)支腳有一定角度。兩測(cè)站均能反映出支腳隨溫度的增加會(huì)產(chǎn)生一定膨脹。

從圖6可以看出，所有支腳同時(shí)進(jìn)行加溫與降溫時(shí)，基線變化均不大，測(cè)站1最大互差僅為0.3 mm，測(cè)站2最大變化互差為0.4 mm，且觀測(cè)數(shù)值與背景場(chǎng)值基本相符。因?yàn)橛^測(cè)墩所有支腳均處在同一環(huán)境下，故相互間溫差基本可以忽略，由此可以得出自然條件下的溫度變化不會(huì)對(duì)錨標(biāo)站點(diǎn)的水平方向造成顯著影響。

3.5 錨墩標(biāo)與混凝土觀測(cè)墩標(biāo)用于地殼運(yùn)動(dòng)的分析

為了分析錨標(biāo)觀測(cè)墩在地殼變形研究中的變化情況，計(jì)算了YNML、YNZB在ITRF2004框架下的點(diǎn)位移時(shí)間序列圖（洪敏等，2012），然后利用GAMIT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到2個(gè)觀測(cè)墩對(duì)應(yīng)文山站點(diǎn)變化值的時(shí)間序列曲線（牛之俊等，2005）。

通過對(duì)2個(gè)站點(diǎn)東西、南北方向的變化量求差，獲取了其地殼形變活動(dòng)速率差異的時(shí)間序列，進(jìn)一步求取速率差異的均方根值。結(jié)果顯示，2個(gè)站點(diǎn)1年內(nèi)的地殼活動(dòng)速率差異較小，均方根值均為2.2 mm。

由觀測(cè)一年的點(diǎn)位移時(shí)間序列變化曲線可以看出，彌勒錨標(biāo)站與GNSS連續(xù)基準(zhǔn)站具有相同的變化趨勢(shì)，且變化量級(jí)也基本一致，因此錨標(biāo)站點(diǎn)可以應(yīng)用到地殼形變監(jiān)測(cè)中。

4 結(jié)論

通過錨標(biāo)站穩(wěn)定性試驗(yàn)與在極端溫度下的基線形變?cè)囼?yàn)可以得出以下結(jié)論；

（1）錨標(biāo)GNSS觀測(cè)墩的勘選至關(guān)重要，地質(zhì)條件為穩(wěn)定基巖的情況下基本能代替鋼筋混凝土觀測(cè)墩，能更快更直觀地反映地殼運(yùn)動(dòng)。

（2）錨標(biāo)站點(diǎn)的建設(shè)相比于鋼筋混凝土觀測(cè)墩的建設(shè)更簡(jiǎn)便，省時(shí)、省力、成本低、材料消耗少。從目前計(jì)算結(jié)果看，其穩(wěn)定性與鋼筋混凝土觀測(cè)墩相差不大，均能滿足GNSS連續(xù)基準(zhǔn)站的規(guī)范要求。

（3）錨標(biāo)站點(diǎn)對(duì)于溫度變化大的地點(diǎn)也可以達(dá)到鋼筋混凝土觀測(cè)墩的穩(wěn)定性。

（4）由于錨標(biāo)站點(diǎn)高度有限制，因此更適用于建設(shè)臨時(shí)GNSS基準(zhǔn)站點(diǎn)。

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