北京市沉降區(qū)CORS站高程基準變化分析

任政兆 朱照榮 張錫越 曾艷艷 張鳳錄 曹畢錚

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

高程基準是推算國家統(tǒng)一高程控制網(wǎng)中所有水準高程的起算依據(jù),它包括一個水準基準面和一個永久性水準原點。陳俊勇[1]指出為了保持我國高程控制網(wǎng)的現(xiàn)勢性,應當在15～20年復測一次。高程基準雖經(jīng)過十多年的建設發(fā)展,但其基礎設施損壞嚴重,測量成果的現(xiàn)勢性難以滿足服務需求,屬性結果維持難度較大[2]。因此在新型基礎測繪背景下,利用連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)站數(shù)據(jù)解算的高差成果與傳統(tǒng)水準測量的高差成果進行分析將會有意義。

有研究表明地殼運動、地下流體資源開采、城市建設等人類活動會引起城市局部地面沉降[3]。北京市存在多個沉降中心且不同程度的地面沉降造成了區(qū)域高程參考框架難以維持,同時在此框架下的測繪成果難以反映現(xiàn)勢情況。楊強等人[4]指出連續(xù)多年的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)觀測數(shù)據(jù)在U方向精度有所提高。袁林果等人[5]提出利用GNSS連續(xù)運行參考站進行地殼形變監(jiān)測具有重要意義。張詩玉等人[6]基于球諧函數(shù)定量分析了GNSS的大氣負荷效應,得到了大氣負荷是GNSS垂向分量季節(jié)性變化的因素之一的結論。有研究學者[7-9]分析了環(huán)境負載對GNSS測站序列的影響。即使GORS站解算坐標速度更快、更簡單便捷,但全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)觀測數(shù)據(jù)在高程方向受到的噪聲干擾遠大于水平方向[10],所以在精密水準測量、工程控制網(wǎng)中都要求使用傳統(tǒng)水準測量傳遞高程信息,為解決因區(qū)域不均勻沉降造成的水準點高程變化較大的問題,北京市測繪設計研究院每年以玉淵潭水準原點作為基準點,進行北京市沉降區(qū)高程復測及原點網(wǎng)監(jiān)測工程。

1 數(shù)據(jù)收集

收集2012年1月至2021年7月的北京市CORS站和中國周邊國際GNSS服務(international GNSS service, IGS)基準站觀測數(shù)據(jù),包括:5個北京市CORS站點，即昌平站(CHPN)、東三旗站(DSQI)、西集站(XIJI)、牛欄山站(NLSH)、朝陽站(CHAO)；12個IGS站點，即aira,badg,bjfs,pimo,daej,pol2,shao,tcms,hyde,tixi,urum,yssk,數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。由于DSQI、CHAO 2012—2015年數(shù)據(jù)質量存在問題(嚴重的周跳),只對該兩站2016—2021年的數(shù)據(jù)進行處理。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理軟件

基線處理軟件使用美國麻省理工學院和Scripps研究所共同研制的流體力學模擬基礎軟件(GAMIT)軟件,該軟件是世界上最優(yōu)秀的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件之一。利用GAMIT 10.70版本和GLOBK 5.12版本軟件,附加合理的約束對北京市CORS站網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理。

2.2 參數(shù)設置

數(shù)據(jù)處理參數(shù)設置具體情況如表1所示。

表1 GAMIT參數(shù)設置

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

首先對北京市CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行預處理,主要批量修改2018年之前的基準站數(shù)據(jù)文件頭接收機和天線信息格式。以GAMIT/GLOBK(一個研究高精度全球定位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)處理等領域的綜合分析軟件包)軟件為主進行GNSS數(shù)據(jù)處理。通過對CORS站和IGS站每天的GNSS觀測量數(shù)據(jù)(觀測站位置、接收機鐘差與衛(wèi)星鐘差等多種參數(shù))解算,利用GLOBK軟件獲得CORS站的單日區(qū)域松弛解(h-file),經(jīng)過坐標約束后,得到基于國際地球參考框架(international terrestrial reference frame,ITRF)2014下所有基準站位置的高精度坐標和時間序列。

2.4 精度檢核

由于GAMIT軟件采用的是網(wǎng)解(即全組合解),同步環(huán)閉合差在基線解算的同時已經(jīng)進行了分配。為了檢核GAMIT軟件基線解的同步環(huán),可以把時間序列的國際GNSS服務(international GNSS service,IGS)作為同步環(huán)質量好壞的一個指標,一般要求NRMS值不能大于0.5且不等于0。2012—2021年基線解算NRMS值大小如下圖1所示。

圖1 基線解算NRMS值

通過圖1分析,除2016年外其他年份基線解算的NRMS值均小于0.5,滿足精度要求。經(jīng)查閱,2016年前221天DSQI站由于接收機和天線設備故障,數(shù)據(jù)觀測質量較差,存在嚴重的周跳變化,導致基線解算的NRMS值存在超過限值的情況。從2016年第222天開始,DSQI站更換天線、接收機設備后基線解算的NRMS值均小于0.5且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 高程基準變化分析

3.1 時間序列分析

CHAO站和DSQI站位于在北京市嚴重沉降檢測區(qū)內,圖2是基準站的原始時間序列,在垂直方向明顯發(fā)現(xiàn),CHAO站在2015—2018年之間是不斷沉降的,2019—2021年沉降速度有了明顯減緩。CHPN站相對比較穩(wěn)定,年周期變化相對明顯。NLSH站2012—2017年下沉較大,但是2018年開始沉降逐漸減緩,甚至2020—2021年該站有抬升的趨勢。DSQI站在2016年時間序列出現(xiàn)階躍,相對位置存在一定偏移,經(jīng)核實是該站更換了天線,該站同樣存在一定的沉降。XIJI站在2014—2021年階段中處于均勻沉降。

圖2 基準站原始時間序列

3.2 基站速度分析

表2給出了基準站VN,VE,VU的三個方向近十年的年均運動速率,基準站在南北方向每年10 mm左右,東西方向每年的運動量大約在30 mm,垂直方向是根據(jù)不同地形運動量各不相同,但各站的運動速度均為負值,表示基準站均呈現(xiàn)沉降趨勢,其中在嚴重沉降區(qū)內的DSQI站沉降速率最大,每年可以達到50.54 mm,CHAO站明顯低于DSQI站,每年以約22 mm的速度下沉,NLSH次之,年沉降速率約為17 mm,CHPN站屬于北京市沉降區(qū)外的山區(qū),該點的高程比較穩(wěn)定,大約為每年1.79 mm的速度下降。

表2 基準站年均運動速率 單位：mm/a

3.3 結合水準復測分析

為了驗證CORS站解算高程基準變化的準確性,收集了近6年北京市沉降區(qū)高程水準復測的高差結果,二者對比如圖3。由于2013—2015年北京市沒有對CORS基準站進行聯(lián)測,選取2016年的基準站高程作為基準做差值。

雖然部分測站的GNSS結果與水準成果具有一定的差距,比如CHAO站2020年高差二者相差4.8 cm,DSQI站兩個高差結果平均差11.3 cm,但不可否認的是GNSS高差與水準高差的趨勢項相似度較高,其中NLSH站和XIJI站二者相差毫米級,除CHPN站比較穩(wěn)定,其他四個基準站均在2016年下沉比較嚴重,2019—2021年期間基準站沉降趨勢明顯減弱,其中CHAO站在2021年水準測量成果中抬升4 mm,NLSH站從2018年開始一直以8 mm/a的速度做抬升運動,XIJI站處于北京市沉降區(qū)內,保持下沉趨勢,但運動速度明顯減緩。圖3也從側面反映出北京市“海綿城市”綠地建設的有效成果。堅持生態(tài)為本、自然循環(huán),增強城市綠地海綿體功能,采取嚴格限制地下水開采、南水北調的工程等措施從一定程度上緩解了北京市區(qū)域沉降的趨勢,取得了良好的整治成果。

圖3 GNSS高差與水準高差對比

4 結束語

本文對北京CORS基準站2012—2021年的數(shù)據(jù)進行了處理,獲取了5個基準站高程基準變化的時間序列,結合了近6年來北京市水準測量情況,得出以下結論：

(1)CORS站垂直方向運動普遍存在明顯的周期變化。

(2)將CORS站數(shù)據(jù)解算的高差結果與傳統(tǒng)水準測量的結果相比較,雖然部分測站的GNSS結果與水準成果具有一定的差距,但GNSS高差與水準高差的趨勢項相似度較高,驗證了利用CORS站獲取垂直方向的準確性。

(3)地面沉降對北京城市建設和基礎設施造成了隱患,北京市采取嚴格限制地下水開采、北京市“海綿城市”綠地建設、南水北調的工程等措施從一定程度上緩解了北京市沉降的趨勢,取得了良好的整治成果,以CHAO站、NLSH站尤為明顯,甚至出現(xiàn)了抬升的趨勢。