GPS技術(shù)在鄭汴新區(qū)地面沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

劉平利+喬天榮+趙珂+王傳先

摘 要：基于《河南省鄭汴新區(qū)城市地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查評(píng)價(jià)》項(xiàng)目中地面沉降部分，對(duì)GPS技術(shù)在鄭汴新區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，總結(jié)出了一些行之有效的高精度監(jiān)測(cè)方法。該文介紹了地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)制作規(guī)格和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立情況，詳細(xì)說(shuō)明了GPS技術(shù)在鄭汴地面沉降精密監(jiān)測(cè)野外實(shí)施方法和得出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整個(gè)流程。

關(guān)鍵詞：GPS 鄭汴新區(qū) 地面沉降觀測(cè)

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（c）-0081-02

目前隨著GPS定位精度的不斷提高，尤其是高程分量精度的不斷提高， 以觀測(cè)時(shí)間周期短、布網(wǎng)靈活、自動(dòng)化程度高、觀測(cè)點(diǎn)間無(wú)需保持通視、全天候作業(yè)，并能同時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，使采用GPS建立地面形變?nèi)S監(jiān)測(cè)網(wǎng)，直接測(cè)定測(cè)區(qū)的三維空間變形得到了認(rèn)可。因此，可以在測(cè)區(qū)建立GPS三維地面變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從中獲得變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在WGS-84系里的大地坐標(biāo)，進(jìn)而通過周期觀測(cè)，獲得地表的三維變形信息，從而得出地面沉降在大地坐標(biāo)下的沉降量。

1 起算點(diǎn)的解算與精度分析

鄭汴新區(qū)地面沉降GPS監(jiān)測(cè)z網(wǎng)的起算點(diǎn) （已知點(diǎn)） 為中牟、鄭州和開封三點(diǎn)為河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運(yùn)行系統(tǒng)連續(xù)跟蹤站點(diǎn)。為了獲得其高精度的起算點(diǎn)基準(zhǔn)，我們?cè)卩嵵莺娇崭蹍^(qū)打了800 m深的一個(gè)基巖標(biāo)（JYJC），和聯(lián)測(cè)了鄭州梅山基巖標(biāo)，采用GAMIT軟件和IGS精密星歷一起進(jìn)行解算，通過固定中牟、鄭州和開封CORS三個(gè)跟蹤站的坐標(biāo)平差后獲得JYJC和梅山在ITRF00坐標(biāo)框架下的準(zhǔn)確坐標(biāo)，兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)精度優(yōu)于5 mm，可作為基準(zhǔn)點(diǎn)的起算坐標(biāo)。

2 強(qiáng)制觀測(cè)墩的規(guī)格

監(jiān)測(cè)地面沉降測(cè)量標(biāo)石至關(guān)重要，它反映地面沉降的一個(gè)重要指標(biāo)，利用強(qiáng)制觀測(cè)可以消除因?yàn)閮x器對(duì)中和儀器高而產(chǎn)生的誤差。圖1是我們這次強(qiáng)制觀測(cè)墩的設(shè)計(jì)和實(shí)物。

3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立及數(shù)據(jù)采集

針對(duì)鄭汴新區(qū)地理位置和地質(zhì)地貌的特殊性，采用整體布網(wǎng)和局部加密的方法布施監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以高精度、高效率地監(jiān)測(cè)鄭汴新區(qū)地面沉降，鄭汴新區(qū)沉降觀測(cè)項(xiàng)目觀測(cè)范圍的總面積2 127 km2，在鄭汴新區(qū)布設(shè)統(tǒng)一的區(qū)域性的地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，通過定期的重復(fù)觀測(cè)，該次依據(jù)地質(zhì)地貌的特征和重要的地面人為工程，我們?cè)?009年底建立地面沉降和建筑物變形監(jiān)測(cè)45點(diǎn)，共埋設(shè)了40個(gè)沉降強(qiáng)制觀測(cè)墩，制作5個(gè)高層建筑物的強(qiáng)制觀測(cè)標(biāo)，其中基巖標(biāo)帶有GPS接收天線強(qiáng)制歸心平臺(tái)和球型高程標(biāo)志，地面沉降觀測(cè)標(biāo)志和高層建筑物頂部的測(cè)量觀測(cè)標(biāo)志也均帶有GPS接收天線強(qiáng)制歸心平臺(tái)和球型高程標(biāo)志，以便于GPS觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，地面沉降觀測(cè)墩標(biāo)石埋設(shè)后，經(jīng)過一個(gè)雨季等標(biāo)石穩(wěn)定后方可用于觀測(cè)。

對(duì)于已建成的鄭汴新區(qū)地面沉降GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)分別于2012年12月、2013年3月、2013年6月、2013年9月、2013年12月進(jìn)行了5期監(jiān)測(cè)，GPS監(jiān)測(cè)方法采用測(cè)量級(jí)別選擇以B級(jí)網(wǎng)觀測(cè)方法觀測(cè)，每次觀測(cè)時(shí)都用專用的連接桿和儀器相連，以至于減少連接誤差，GPS接收機(jī)在開始觀測(cè)前，都進(jìn)行預(yù)熱和靜置，為了便于使用，GPS數(shù)據(jù)文件名中都包含測(cè)站名和測(cè)站號(hào)，觀測(cè)單元、測(cè)站類型、日期、時(shí)段號(hào)等信息。施測(cè)時(shí)采用6臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)以靜態(tài)相對(duì)定位模式，同步觀測(cè)，并以網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方式進(jìn)行觀測(cè)。GPS外業(yè)觀測(cè)時(shí)間為每天早8點(diǎn)到晚8點(diǎn)左右，保證每一時(shí)段 （每天）的觀測(cè)時(shí)間不少于12 h，并以6個(gè)點(diǎn)構(gòu)成同步觀測(cè)圖形，圖2（監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖）是我們觀測(cè)組網(wǎng)的情況。

4 數(shù)據(jù)解算與數(shù)據(jù)分析

由于觀測(cè)數(shù)據(jù)量大、要求精度高，聯(lián)測(cè)國(guó)家基準(zhǔn)參考站數(shù)據(jù)和省內(nèi)中牟、開封、鄭州三個(gè)河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運(yùn)行系統(tǒng)的cors站數(shù)據(jù)，所以每次野外觀測(cè)完數(shù)據(jù)委托于國(guó)家大地解算中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，獲得基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系里的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)，在就基準(zhǔn)網(wǎng)以及相關(guān)監(jiān)測(cè)網(wǎng)實(shí)施多期觀測(cè)之后發(fā)現(xiàn)，借助大地高變化，可以獲得鄭汴新區(qū)的實(shí)際地面垂直沉降數(shù)據(jù)信息。為了在一定程度上防止出現(xiàn)精度損失，一般情況下基準(zhǔn)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大地高其實(shí)并不需要轉(zhuǎn)換為政策高形式，可以直接在大地高差值基礎(chǔ)上實(shí)施，垂直沉降分析。此外，在多期GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理前提下，為了進(jìn)一步消除不同時(shí)期地面沉降數(shù)值的尺度偏差以及方位偏差，做到方位基準(zhǔn)、位置基準(zhǔn)以及尺度基準(zhǔn)三者的統(tǒng)一，從而獲得更為精確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以在統(tǒng)一坐標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)5次GPS數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸算，最終歸算到統(tǒng)一歷元里。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，鄭汴新區(qū)自身的地面沉降變形情況并不是十分嚴(yán)重?？傊?，借助GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，可以就城市地面沉降情況進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，其具體監(jiān)測(cè)精度可以充分滿足城市沉降監(jiān)測(cè)要求，可以進(jìn)一步增強(qiáng)鄭汴新區(qū)在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理方面的現(xiàn)代化程度，獲得本區(qū)域的實(shí)際地面沉降量，更好地開展地質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，從而為制定科學(xué)合理的防御措施提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)參考。結(jié)合正確化、合理化的沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)，最終獲得地面沉降可能會(huì)帶來(lái)的危害，從而為相關(guān)部門提供有效參考。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）GPS測(cè)量有一定局限性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近必須地勢(shì)開闊，無(wú)大障礙物，GPS接收機(jī)必須容易接收到衛(wèi)星信號(hào)，因此，需要埋設(shè)的強(qiáng)制觀測(cè)墩必須在空曠的區(qū)域，但由于地區(qū)城市化發(fā)展比較快，不利于保存這些測(cè)量標(biāo)志，對(duì)常年觀測(cè)這些點(diǎn)造成了嚴(yán)重的影響，這也是鄭汴新區(qū)地面沉降采用GPS測(cè)量方法全面取代水準(zhǔn)測(cè)量方法所需解決的一個(gè)問題。

（2）由GPS定位技術(shù)監(jiān)測(cè)地面沉降受粗差干擾嚴(yán)重，粗差來(lái)源有很多因素，因此，觀測(cè)時(shí)要詳細(xì)記錄周圍是否有大面積噪聲、氣候等因素。在數(shù)據(jù)處理方法中，需借助國(guó)外先進(jìn)軟件提高基線向量的解算精度，并研究在平差方法中使用抗差估計(jì)以降低粗差干擾的影響。

（3）將GPS技術(shù)用于地面沉降監(jiān)測(cè)需進(jìn)行精心的監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)、建造強(qiáng)制觀測(cè)墩、制定嚴(yán)格的觀測(cè)周期，特別是在處理觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的分析和剔除，加之對(duì)網(wǎng)中的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，這樣方能實(shí)現(xiàn)以足夠的高程精度進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，并對(duì)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有關(guān)的地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行工程地質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，為經(jīng)濟(jì)、合理的防御和避讓措施提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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