沿海沉降變化GNSS定位及GNSS-IR組合監(jiān)測(cè)

王笑蕾，牛紫瑾，何秀鳳，李潤(rùn)川

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100

在地面沉降與全球海平面上升的共同作用下，部分沿海地區(qū)相對(duì)海平面上升速率達(dá)到平均海平面上升速率的2倍，導(dǎo)致沿海地區(qū)洪水頻發(fā)、濕地喪失、鹽水入侵、海岸線侵蝕、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等，因此對(duì)沿海進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)十分必要[1]。目前最常使用的沉降監(jiān)測(cè)方法是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)定位技術(shù)。GNSS定位獲取的數(shù)據(jù)包括天線相位中心的三維坐標(biāo)序列等，其中垂直分量可以反映較為基底下方的沉積物厚度的變化，包括冰川均衡前凹凸塌陷、生長(zhǎng)斷層運(yùn)動(dòng)和地下水抽取、礦區(qū)開采等人為運(yùn)動(dòng)[2-4]。GNSS測(cè)站都安裝在建筑物頂部或桅桿上，基地一般深入地下2～30 m，因此GNSS定位結(jié)果中的垂直坐標(biāo)分量反映的是測(cè)站基底下方的沉降變化。而由于海洋沖積效應(yīng)，沿海地區(qū)基底上方的沉積物容易快速堆積，使得沿岸的沉積厚度出現(xiàn)較大變化。這類沉積物形成于地質(zhì)時(shí)代的最新階段—全新世(距今約11 700 a)。如果只根據(jù)GNSS定位結(jié)果的垂直坐標(biāo)分量推算整體沉降，則會(huì)忽略基底上方沉降變化信息，導(dǎo)致低估了整體沉降和相對(duì)海平面上升值。因此，需要一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基底上方沉降變化的監(jiān)測(cè)，與GNSS定位技術(shù)相互配合，以實(shí)現(xiàn)整體沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)沿海安全及分析提供更好的保障。傳統(tǒng)的基底上方沉降監(jiān)測(cè)主要依靠桿表面高程表-標(biāo)記層(rod surface elevation table marker horizon，RSET-MH)方法測(cè)量，該方法是采集沿海地表高程變化和垂直增生數(shù)據(jù)計(jì)算得到基底上方沉降速率[5-6]。由于該技術(shù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)造價(jià)高，測(cè)站較少，使得基底上方沉降監(jiān)測(cè)的空間分辨受限。隨著GNSS的發(fā)展，GNSS-interferometric reflectometry (GNSS-IR)技術(shù)被證明可以進(jìn)行反射面高度變化監(jiān)測(cè)。GNSS-IR技術(shù)只基于傳統(tǒng)的大地測(cè)量型接收機(jī)即可完成高度監(jiān)測(cè)，根據(jù)其信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)中的頻率特性，便可完成反射面高度變化監(jiān)測(cè)，具有全自動(dòng)、小成本、長(zhǎng)期連續(xù)、框架固定等優(yōu)勢(shì)[7-8]。目前，GNSS-IR技術(shù)已經(jīng)用于海面[9-13]、雪面[14-19]、凍土[20]、地面[21]的高度監(jiān)測(cè)中。本文利用GNSS-IR技術(shù)進(jìn)行基底上方沉降變化監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合GNSS定位技術(shù)進(jìn)行基底下方沉降變化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿海整體沉降變化監(jiān)測(cè)。

利用GNSS定位進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。文獻(xiàn)[22]利用連續(xù)10 a的GNSS大地高與精密水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，精度可達(dá)厘米級(jí)。文獻(xiàn)[4]利用GNSS精密定位獲取西安市地面沉降，說明地下水抽取和地面建設(shè)是影響地下變形沉降的主要因素。文獻(xiàn)[23]對(duì)比分析了GNSS和GRACE得到的地表垂直形變，表明GNSS和GRACE垂直形變具有較好的一致性。文獻(xiàn)[24]利用包含GNSS在內(nèi)的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)青島驗(yàn)潮站沉降變化進(jìn)行了分析，并結(jié)合沉降信息得出平均海平面的絕對(duì)上升速率。GNSS-IR高度變化監(jiān)測(cè)技術(shù)則是始于1993年。文獻(xiàn)[25]首次提出利用GNSS反射信號(hào)測(cè)量海面高度的設(shè)想。文獻(xiàn)[14]提出了較為完善的GNSS-IR測(cè)高原理和方法，并將其應(yīng)用于雪深監(jiān)測(cè)中。文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步改進(jìn)了GNSS-IR測(cè)高原理和方法，并將其用于海面高度監(jiān)測(cè)中。文獻(xiàn)[20]利用GNSS-IR技術(shù)監(jiān)測(cè)了凍土高度變化。文獻(xiàn)[21]則利用GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)初步驗(yàn)證了GNSS-IR具有反演地形起伏的潛力。相關(guān)研究證實(shí)了GNSS-IR技術(shù)可以測(cè)量反射面高度變化，其具備對(duì)基底上方沉降變化的監(jiān)測(cè)能力。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些綜合利用GNSS定位和GNSS-IR技術(shù)進(jìn)行絕對(duì)高度變化監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[26]采用GNSS定位方法測(cè)量陶波湖岸GNSS站點(diǎn)的沉降速率，并使用GNSS-IR技術(shù)測(cè)量湖面水位變化，將GNSS測(cè)量的兩種方式相結(jié)合，得到陶波湖絕對(duì)湖面高度的長(zhǎng)期序列。文獻(xiàn)[15]利用GNSS和GNSS-IR對(duì)格陵蘭島雪深進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)得到冰川移動(dòng)速度場(chǎng)和垂直方向變化的信息。本文綜合利用GNSS和GNSS-IR技術(shù)，進(jìn)行沿岸沉降變化監(jiān)測(cè)研究，并采用基于最小二乘的線性擬合方法對(duì)沉降速率進(jìn)行擬合，獲得基底下方、基底上方和整體的沉降速率；相關(guān)原理詳見第2節(jié)。算例使用密西西比河三角洲的測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)使用路易斯安那州建立的沿海參考監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(coastwide reference monitoring system，CRMS)提供的RSET-MH基底上方沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；相關(guān)算例分析詳見第2節(jié)。

1 沿海沉降監(jiān)測(cè)原理

世界范圍內(nèi)存在成千上萬的GNSS連續(xù)跟蹤站，這些跟蹤站的基底一般較深，以起到維持框架的作用。以GNSS跟蹤站基底為界，以上為基底上方沉積厚度，以下為基底下方沉積厚度，如圖1所示。

圖1 沿海平原地層和GNSS測(cè)站Fig.1 The stratigraphic and the GNSS station of coastal plain

沿海地區(qū)全新世層較易產(chǎn)生形變，基地一般需要打到全新世層下部或更新世層；因此，一般基底上方為全新世層，而基底下方為更新世層(有時(shí)也包括全新世層下部)。下面詳細(xì)介紹利用GNSS定位和GNSS-IR技術(shù)進(jìn)行基底下方沉降監(jiān)測(cè)和基底上方沉降監(jiān)測(cè)的原理。

1.1 基底下方沉降監(jiān)測(cè)原理

傳統(tǒng)的GNSS定位利用直射信號(hào)來確定天線的三維坐標(biāo)，其中的垂直分量可以反映基底下方沉積厚度變化Dbelow

Dbelow=UGNSS(t)-UGNSS(t0)

(1)

式中，UGNSS為GNSS定位結(jié)果的垂直方向分量；t0為初始時(shí)刻；t為待求結(jié)果的試驗(yàn)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的基底下方沉降速率為vbelow=?Dbelow/?t，該速率以抬升為正，以下降為負(fù)，與RSET-MH實(shí)測(cè)結(jié)果保持方向統(tǒng)一。根據(jù)式(1)，可得

UGNSS(t)=UGNSS(t0)+vbelow×(t-t0)

(2)

本文使用GAMIT/GLOBK軟件采用組合解算平差獲得GNSS定位垂直分量UGNSS。GAMIT/GLOBK軟件采用組合解算平差，GAMIT對(duì)GNSS站的觀測(cè)文件、精密星歷等數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，解算過程將部分GNSS站作為已知控制站點(diǎn)，其他站點(diǎn)作為待解算測(cè)站點(diǎn)，利用站間差分和星間差分消除誤差的同時(shí)進(jìn)行對(duì)流層、電離層等改正模型以獲取測(cè)站高精度的三維坐標(biāo)。GLOBK是一個(gè)卡爾曼濾波器，對(duì)處理后的近似坐標(biāo)進(jìn)行平差和統(tǒng)一約束得到更高精度的坐標(biāo)序列。GAMIT/GLOBK軟件在處理數(shù)據(jù)過程中參數(shù)設(shè)置和解算策略見表1。

表1 基線解算參數(shù)和解算策略Tab.1 Baseline solving parameters and strategies

將GAMIT/GLOBK解算得到的垂直分量數(shù)據(jù)UGNSS，剔除絕對(duì)值大于2倍中誤差的粗差，然后對(duì)式(2)進(jìn)行最小二乘參數(shù)擬合，估計(jì)獲得式(2)中的vbelow參數(shù)，即可獲得基底下方沉降速率。

1.2 基底上方沉降監(jiān)測(cè)原理

多路徑效應(yīng)導(dǎo)致GNSS天線接收到兩種信號(hào)：一種是來自衛(wèi)星的直射信號(hào)，另一種是反射信號(hào)，如圖1所示。因此，接收機(jī)接收的是衛(wèi)星的直射信號(hào)和反射信號(hào)的干涉信號(hào)，這種干涉信息體現(xiàn)在觀測(cè)值文件中SNR數(shù)據(jù)中。衛(wèi)星信號(hào)在一次反射情況下，反射能量最強(qiáng)，SNR數(shù)據(jù)中的主頻一般對(duì)應(yīng)一次反射。

在一次多路徑反射條件下(圖1)，從衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)被天線捕獲時(shí)，有直射信號(hào)，也有周圍地表反射來的反射信號(hào)；與相應(yīng)的直射信號(hào)相比，多路徑信號(hào)的傳播路徑較長(zhǎng)，路程增加了D=D1-D2。利用其中的幾何關(guān)系，可以得到如下公式

D1=h/sine

(3)

D2=D1cos 2e

(4)

D=(D1-D2)=2hsine

(5)

式中，e為衛(wèi)星高度角；h為反射面與天線中心之間的垂直距離，一般稱為垂直反射高度(reflector height,RH)。因此，直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的相位差Δφ為

Δφ=2πD/λ=4πhsine/λ

(6)

式中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。相位差中隱藏了一個(gè)頻率信息f

(7)

式中，ωφ為角頻率。由式(9)可得

(8)

SNR由直射信號(hào)振幅Ad、反射信號(hào)振幅Am及信號(hào)相位差Δφ決定

(9)

式中，Ad表示直射信號(hào)振幅；Am表示反射信號(hào)振幅；Ac表示合成信號(hào)振幅。由于天線增益Ad值遠(yuǎn)大于Am，可通過對(duì)輸入SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)擬合，剔除直射信號(hào)，利用LSP(lomb-scargle periodogram)方法對(duì)殘余項(xiàng)進(jìn)行頻譜分析可以獲得頻率f，從而獲得h[27]。為了減小粗差，本文工作剔除了頻譜峰值能量小于15 W/Hz、峰值噪聲比小于3.5的RH結(jié)果。GNSS基座由水泥澆灌制成，其基座高度不變，根據(jù)圖1，基底上方沉積厚度變化Dabove為

Dabove=-[h(t)-h(t0)]

(10)

對(duì)應(yīng)的淺層沉降速率為vabove=?Dabove/?t，該速率以抬升為正，以下降為負(fù)，與RSET-MH實(shí)測(cè)結(jié)果保持方向統(tǒng)一。則根據(jù)式(10)，可得

-h(t)=-h(t0)+vabove×(t-t0)

(11)

根據(jù)GNSS-IR技術(shù)獲得-h序列，剔除絕對(duì)值大于2倍中誤差的粗差，然后對(duì)式(11)進(jìn)行最小二乘參數(shù)擬合，估計(jì)獲得式(11)中的vabove參數(shù)，即可獲得基底上方沉降速率。

1.3 整體沉降監(jiān)測(cè)原理

如上文所示，利用GNSS定位和GNSS-IR技術(shù)可分別獲得基底下方沉降速率和基底上方沉降速率，將二者相加，即可獲得整體沉降速率?；咨戏匠两邓俾?、基底下方沉降速率以及整體沉降均以抬升為正，以下降為負(fù)，與RSET-MH實(shí)測(cè)結(jié)果保持方向統(tǒng)一。本文的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 沉降監(jiān)測(cè)流程Fig.2 The flowchart of settlement monitoring

具體步驟如下：

(1) 獲得測(cè)站的觀測(cè)文件和星歷文件。

(2) 利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行基線解算，獲取GNSS測(cè)站垂直方向坐標(biāo)；剔除粗差，根據(jù)垂直坐標(biāo)和式(2)進(jìn)行最小二乘擬合，得到基底下方沉降速率。

(3) 根據(jù)站點(diǎn)坐標(biāo)和星歷文件，解算獲得高度角和方位角，對(duì)SNR序列進(jìn)行LSP分析，獲得頻譜圖中峰值對(duì)應(yīng)的RH值；剔除粗差，根據(jù)-h值和式(11)進(jìn)行最小二乘擬合，得到基底上方沉降速率。

(4) 將基底下方沉降速率和基底上方沉降速率相加，獲得整體沉降速率。

2 算例分析

2.1 站點(diǎn)及數(shù)據(jù)介紹

試驗(yàn)區(qū)域選取密西西比河三角洲。密西西比河三角洲是世界十大三角洲之一，是由密西西比河沖入墨西哥灣時(shí)沉積產(chǎn)生的。河流持續(xù)沖積使得密西西比河三角洲沉積厚度增加，導(dǎo)致該地區(qū)洪災(zāi)頻繁發(fā)生。本文在密西西比河三角洲靠近墨西哥灣的區(qū)域選取5個(gè)測(cè)站(FSHS、GRIS、BVHS、ENG5、MSIN，如圖3紅色三角形所示)，下載其2015—2019年期間的觀測(cè)值文件和星歷文件，5個(gè)測(cè)站目前接收全球定位系統(tǒng)(GPS)發(fā)射的GPS L1和L2信號(hào)；其中，BVHS和ENG5站觀測(cè)文件有大段缺失，而FSHS、GRIS和MSIN站觀測(cè)文件幾乎無缺失。5個(gè)測(cè)站基線距離在54～210 km之間(最短基線為BVHS-GRIS：54.102 km，最長(zhǎng)基線為BVHS-FSHS：209.605 km)，距離較遠(yuǎn)，且測(cè)站深入地下深度不同、全新世厚度不同，理論上，各站間的沉降變化相似性不強(qiáng)。利用GAMIT/GLOBK對(duì)這5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行基線解算和平差，計(jì)算坐標(biāo)序列，具體的解算策略詳見1.1節(jié)。GNSS-IR基底上方沉降變化反演中，GPS L2信號(hào)由于信號(hào)加密的原因，經(jīng)常表現(xiàn)不佳，因此僅使用GPS L1信號(hào)對(duì)應(yīng)的SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行RH計(jì)算。計(jì)算過程中，由于BVHS和ENG5觀測(cè)文件缺失，其RH序列不連續(xù)，無法獲得準(zhǔn)確的基底上方沉降速率。因此，在沉降分析中，僅使用了FSHS、GRIS和MSIN站點(diǎn)；3個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度、接收機(jī)類型、天線類型、采樣間隔信息等在表2中給出。

圖3 站點(diǎn)分布Fig.3 The distribution of stations

表2 站點(diǎn)信息Tab.2 Stations information

沿海參考監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(coastwide reference monitoring system，CRMS)建設(shè)了許多RSET-MH測(cè)量站點(diǎn)(如圖3黃色圓點(diǎn)所示)。RSET-MH是將垂直的不銹鋼桿深入基底10～25 m，量化相對(duì)于基準(zhǔn)底部的表面高程變化，考慮基底垂直增生的影響，從而測(cè)量基底以上基底上方垂直沉積物的堆積狀況。CRMS0513、CRMS0292和CRMS0086 3個(gè)站點(diǎn)是分別距離FSHS、GRIS和MSIN最近的CRMS站點(diǎn)，收集CRMS0086、CRMS0513和CRMS0292實(shí)測(cè)基底上方沉降數(shù)據(jù)，用于對(duì)比分析。同時(shí)，文獻(xiàn)[28]中繪制了路易斯安那州沿海平原全新世-更新世地表的地圖，公開了相對(duì)于平均海平面高度的地表深度數(shù)據(jù)，根據(jù)站點(diǎn)所處位置插值獲得對(duì)應(yīng)的地表深度數(shù)據(jù)(表2)，以方便后續(xù)分析。

2.2 基底下方沉降分析

利用GAMIT/GLOBK對(duì)測(cè)站基線解算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，獲得FSHS、GRIS、MSIN站點(diǎn)的垂直方向坐標(biāo)分量。FSHS、GRIS、MSIN站點(diǎn)垂直方向分量每日平均精度分別為6、9、11 mm，表明GAMIT/GLOBK解算結(jié)果良好。垂直坐標(biāo)分量序列及最小二乘線性擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 GPS坐標(biāo)垂直分量序列Fig.4 The sequences of GPS up-coordinates

圖4中，紅線所示的線性趨勢(shì)既是垂直坐標(biāo)分量的變化趨勢(shì)，也是基底下方沉積厚度的變化趨勢(shì)。其對(duì)應(yīng)的斜率即為基底下方沉降速率。由圖4(a)、(b)可以看出，F(xiàn)SHS、GRIS兩個(gè)測(cè)站坐標(biāo)明顯呈下降趨勢(shì)，基底下方沉降速率分別為-3.4±0.1 mm/a、-4.5±0.3 mm/a，圖4(c)中MSIN測(cè)站沉降趨勢(shì)不明顯，基底下方沉降速率為1.8±0.4 mm/a。文獻(xiàn)[2,4]的研究表明沉降速率取決于沉積層序的厚度、年齡和特征。FSHS、GRIS測(cè)站坐標(biāo)下降趨勢(shì)比MSIN大，說明前兩者基底下方沉積物厚度比后者大，且沉積物的地質(zhì)年齡要小，測(cè)站基底下方為易壓實(shí)的、地質(zhì)年代較近的沉積物。

2.3 基底上方沉降分析

在對(duì)選定的3個(gè)測(cè)站進(jìn)行GPS-IR(GPS-interferometric reflectometry)反演之前要選擇高度角、方位角范圍，避免植被、水域、建筑物等物體的影響。根據(jù)測(cè)站周圍實(shí)際情況選取，F(xiàn)SHS站高度角范圍是5°～25°，方位角范圍是32°～62°及280°～330°；GRIS站高度角范圍是15°～25°，方位角范圍是118°～173°及210°～270°；MSIN站高度角范圍是7°～23°，方位角范圍是180°～240°。通過高度角和方位角限制后繪制站點(diǎn)GPS信號(hào)的菲涅爾反射區(qū)域，如圖5所示。距離FSHS站點(diǎn)由遠(yuǎn)到近的反射區(qū)域分別對(duì)應(yīng)高度角15°、20°、25°;距離GRIS站點(diǎn)由遠(yuǎn)到近的反射區(qū)域分別對(duì)應(yīng)高度角5°、10°、15°、20°、25°;距離MSIN站點(diǎn)由遠(yuǎn)到近的反射區(qū)域分別對(duì)應(yīng)高度角7°、12°、17°、23°，圖5中以不同顏色標(biāo)注。

圖5 有效衛(wèi)星軌跡Fig.5 The trajectories of effective satellite

對(duì)選定高度角和方位角區(qū)間內(nèi)的GPS L1的SNR序列進(jìn)行LSP分析，獲得相關(guān)頻率，并根據(jù)式(4)轉(zhuǎn)換到h。根據(jù)式(6)，基底上方沉積厚度變化與h呈負(fù)相關(guān)，因此-h序列的變化即基底上方沉積厚度變化，如圖6所示。圖6中的反演序列經(jīng)過了與2.1節(jié)同樣的數(shù)據(jù)預(yù)處理和線性擬合工作。

圖6中，紅線所示的線性趨勢(shì)既是垂直坐標(biāo)分量的變化趨勢(shì)，也是基底上方沉積厚度的變化趨勢(shì)。其對(duì)應(yīng)的斜率即為基底上方沉降速率：GRIS站為-10.3±1.6 mm/a，F(xiàn)SHS站為-4.9±0.7 mm/a，MSIN站為-1.8±0.7 mm/a。同時(shí)選取與GPS站點(diǎn)距離較近的CRMS站點(diǎn)(圖3)，將其RSET-MH實(shí)測(cè)基底上方沉降速率與GPS-IR基底上方沉降速率反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)結(jié)果如圖7所示。

圖6 GPS-IR反演結(jié)果Fig.6 The GPS-IR retrieval results

圖7 RSET-MH與GPS-IR基底上方沉降速率結(jié)果對(duì)比Fig.7 The comparison of RSET-MH and GPS-IR

圖7中，黑色代表GPS-IR結(jié)果，藍(lán)色代表RSET-MH結(jié)果，GPS-IR和RSET-MH是通過基于最小二乘法的多元線性回歸估計(jì)的趨勢(shì)和誤差，中間值為最優(yōu)擬合值，上下誤差在置信區(qū)間為95%之內(nèi)。從二者對(duì)比可以看出來，在誤差范圍內(nèi)GPS-IR和RSET-MH計(jì)算得出的基底上方沉降速率保持很好一致性，證實(shí)了GPS-IR技術(shù)具有監(jiān)測(cè)基底上方沉降的能力。

如表2所示，路易斯安那州海岸的格蘭德島(GRIS)的GPS測(cè)站建在大陸架邊緣近60 m厚度的全新世沉積物上，基底深度大于20 m，基底上方沉降速率為-10.3±1.6 mm/a；富蘭克林(FSHS)的站點(diǎn)建在20 m左右的厚度上，基底深度卻在1 m深的地方，基底上方沉降速率為-4.9±0.7 mm/a，與GRIS站點(diǎn)基底上方沉降速率相比較?。黄柫诸D(MSIN)的站點(diǎn)建在1.2 m的全新世厚度之上，但是基底深度在2.4 m的更新世沉積物中，基底上方沉降速率為-1.8±0.7 mm/a，小于FSHS基底上方沉降速率。根據(jù)2.1節(jié)中所述，沉降速率與沉積物年齡和厚度有關(guān)。GRIS測(cè)站基底以上是40 m厚度的全新世沉積物，F(xiàn)SHS站點(diǎn)基地以上只有1 m左右的全新世沉積厚度，因此GRIS沉降速率較大。MSIN測(cè)站基底建在地質(zhì)年代相對(duì)久遠(yuǎn)的更新世沉積物中，被壓實(shí)的是更新世沉積厚度，使得基底上方沉降速率小于其他兩個(gè)測(cè)站。說明基底上方沉降速率與基底深度以及深入的地質(zhì)年代有關(guān)，隨著基底以上全新世沉積物厚度的增大而加快。

2.4 整體沉降分析

大多數(shù)沿海平原都有河流三角洲，形成于全新世中期至晚期，位于更新世之上，這里的沉積層更容易產(chǎn)生沉積物壓實(shí)作用。利用公開數(shù)據(jù)[28]，本文通過Surfer12.0軟件中克里金插值法計(jì)算出路易斯安那州沿海地區(qū)各地全新世-更新世地表深度，如圖8所示，藍(lán)色越淺的部分表示全新世沉積厚度越大，紅色越深越接近200 m厚度，因此自30.5°N，93°W向東南沿海地區(qū)，全新世厚度從0～10 m增加到超過200 m，說明越靠近墨西哥海灣，全新世沉積物堆積得越厚。統(tǒng)計(jì)2.2節(jié)和2.3節(jié)獲得的基底下方沉降和基底上方沉降速率，同時(shí)根據(jù)第1節(jié)所述原理，獲得整體沉降速率，見表3。

由表3可知，對(duì)于該區(qū)域來說，基底上方沉降速率大，不可忽略?；咨戏匠两邓俾屎艽蟪潭壬嫌绊懥藢?duì)整體沉降速率的監(jiān)測(cè)，而傳統(tǒng)的GPS定位方法無法監(jiān)測(cè)到基底上方全新世沉積物壓實(shí)導(dǎo)致的沉降，可利用GPS-IR技術(shù)對(duì)基底上方沉降速率補(bǔ)充監(jiān)測(cè)。同時(shí)，根據(jù)表3和圖8可以發(fā)現(xiàn)：全新世沉積厚度、測(cè)站基底深度與站點(diǎn)沉降速率有關(guān)，全新世沉積厚度越大、測(cè)站基底越深，沉降速率越大。

表3 各站點(diǎn)沉降速率統(tǒng)計(jì)Tab.3 The station sedimentation rate results mm/a

3 結(jié)論與討論

本文綜合利用GNSS和GNSS-IR技術(shù)進(jìn)行沿岸的沉降監(jiān)測(cè)變化，獲得了基底下方、基底上方和整體的沉降速率。其中，GNSS接收機(jī)測(cè)得基底下方沉降速率，反映基底以下的地質(zhì)年代相對(duì)久遠(yuǎn)的全新世和更新世沉積物的壓實(shí)；GNSS-IR測(cè)量的基底上方沉降速率反映基底以上較新全新世的壓實(shí)作用，在誤差范圍內(nèi)與RSET-MH結(jié)果較為一致，證實(shí)了GNSS-IR技術(shù)可以進(jìn)行基底上方沉降監(jiān)測(cè)。沉降主要是由于基底上方沉積物壓實(shí)造成的，因此基底較深的站點(diǎn)基底上方沉降速率比較淺的站點(diǎn)的沉降速率要大，而建立在基底較淺站點(diǎn)的基底上方沉降不明顯。整體沉降速率隨著全新世厚度的增大而加快，進(jìn)一步證實(shí)地質(zhì)年代越新沉降速率越大。此外，整體沉降速率與海平面上升速率相當(dāng)，可用來估計(jì)陸地?fù)p失和洪水易發(fā)性。因此，GNSS接收機(jī)同時(shí)具備了監(jiān)測(cè)基底下方沉降和基底上方沉降的能力，無須額外投入，只需要基于現(xiàn)有沉降監(jiān)測(cè)跟蹤站，即可實(shí)現(xiàn)更好的沉降監(jiān)測(cè)性能。

考慮到在GNSS站點(diǎn)建設(shè)過程中的人工壓實(shí)問題，由于GNSS-IR監(jiān)測(cè)的區(qū)域較大(圖5)，因此監(jiān)測(cè)站點(diǎn)附近的人工壓實(shí)并不會(huì)影響該區(qū)域基底上方監(jiān)測(cè)的結(jié)果；但是，由于GNSS定位是對(duì)站點(diǎn)基座底部基底下方沉降的監(jiān)測(cè)，因此人工壓實(shí)對(duì)于基底下方沉降會(huì)有影響。同時(shí)，InSAR技術(shù)也可以進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，但是會(huì)遇到失相干問題；本文的相關(guān)原理和方法在一定程度上也可以與InSAR技術(shù)互補(bǔ)，來提高沿海地面沉降監(jiān)測(cè)的精度和分辨率。