不同基站類(lèi)型垂向非構(gòu)造形變影響因素分析

［摘要］新世紀(jì)測(cè)繪地理信息技術(shù)發(fā)展迅速，我國(guó)建立了眾多立足于現(xiàn)代測(cè)繪的基準(zhǔn)工程。對(duì)河北土層基準(zhǔn)站進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，對(duì)比河北深州和遵化兩個(gè)土層基準(zhǔn)站SLOPE（斜率）參數(shù)，獲得了深州SLOPE參數(shù)值較大，局部城市的SLOPE值絕對(duì)值大于50，且呈現(xiàn)出明顯的周期性下沉趨勢(shì)，這可能是由于抽水量過(guò)大引起的非構(gòu)造形變。華南土層基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)顯示較華北平原穩(wěn)定。針對(duì)土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)劃分了0.5、3、5三個(gè)閾值，認(rèn)為SLOPE值介于0～0.5可以忽略趨勢(shì)性變化，SLOPE值介于0.5～3有小幅度的整體趨勢(shì)性變化，應(yīng)當(dāng)將趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，SLOPE值介于3～5時(shí)主要表現(xiàn)為趨勢(shì)性變化可基本忽略周期性變化。基巖基準(zhǔn)站相對(duì)于土層類(lèi)基準(zhǔn)站較穩(wěn)定（SLOPE值基本小于0.2），同樣列舉了1.5作為垂向變化周期性和趨勢(shì)性?xún)?yōu)勢(shì)占比，需根據(jù)SLOPE值決定在進(jìn)行時(shí)間序列模擬時(shí)是否需要將趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)代入計(jì)算。

［關(guān)鍵詞］國(guó)家導(dǎo)航定位；土層基準(zhǔn)站；基巖基準(zhǔn)站；SLOPE

中華人民共和國(guó)國(guó)家測(cè)繪地理信息局于2012～2017年開(kāi)展了國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程，建設(shè)了遍布全國(guó)國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)[1，2]，包括150個(gè)新建站，60個(gè)改造站，以及150個(gè)利用站，全國(guó)平均站間距接近200 km，可在全國(guó)范圍內(nèi)提供高精度實(shí)時(shí)定位服務(wù)。基準(zhǔn)站可分觀測(cè)墩、接收機(jī)（含天線）、通信設(shè)施四部分，其中觀測(cè)墩含有基巖站、土層站、樓頂站、鋼標(biāo)站四類(lèi)。分析我國(guó)200個(gè)基準(zhǔn)站可知：土層基準(zhǔn)站數(shù)量占絕大多數(shù)（128個(gè)），基巖基準(zhǔn)站（64個(gè)）和極少量樓頂基準(zhǔn)站（8個(gè)）[3-6]。本文主要對(duì)我國(guó)部分省市土層基準(zhǔn)站和基巖基準(zhǔn)站的垂直分量進(jìn)行分析，討論由于地表流體荷載質(zhì)量變化引起非構(gòu)造形變，探討形成非構(gòu)造形變的因素，指導(dǎo)分析國(guó)家地質(zhì)環(huán)境變化，提供保護(hù)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。

1 數(shù)據(jù)處理

首先提取全國(guó)200個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）基準(zhǔn)站2015～2019年時(shí)間序列土層和基巖基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，將所有的原始觀測(cè)文件、精密星歷文件等放在一個(gè)公共目錄下，具體包括以下4部分：（1）準(zhǔn)備相關(guān)測(cè)站的文件。測(cè)站的代碼與接收機(jī)等、測(cè)站代碼的縮略表、測(cè)站的所屬板塊表、測(cè)站分區(qū)文件；（2）解壓原始數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)極大，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。（3）精密星歷文件準(zhǔn)備。下載精密星歷文件、精密鐘文件、全球解文件、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件、全球電離層模型文件。（4）基準(zhǔn)控制文件準(zhǔn)備。參照不同年代的全球框架來(lái)下載不同框架的文件。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及數(shù)據(jù)列順序調(diào)整[7， 8]。進(jìn)行單天解的數(shù)據(jù)處理包括軌道文件生成，數(shù)據(jù)預(yù)處理、轉(zhuǎn)換和同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，基線組合及相位數(shù)據(jù)預(yù)處理；整周模糊度消除、計(jì)算模糊度固定后的網(wǎng)解等。其中最重要的消除整周模糊度需要使用偽距基線處理模式和相位基線處理模式，分別采用了基于偽距的寬巷與相位的寬巷以及準(zhǔn)無(wú)電離層影響等模糊度消除方法，消除模糊度后，精度可維持在1 mm左右。

最后在Linux系統(tǒng)下利用Ubuntu虛擬機(jī)輸入命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)垂向數(shù)據(jù)進(jìn)行白噪聲模型與Power-low噪聲模型分析，對(duì)年周期與半年周期的非線性變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，帶入時(shí)間序列周期性模型中進(jìn)行計(jì)算；最后分別提取周期性變化與趨勢(shì)性變化，與原始數(shù)據(jù)對(duì)比并進(jìn)行分析。

2 土類(lèi)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

通過(guò)大量數(shù)據(jù)的比較分析，SLOPE參數(shù)數(shù)值的正負(fù)決定著土層基準(zhǔn)站的趨勢(shì)性，若數(shù)值為正號(hào)，則垂直方向形變呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，顯示基準(zhǔn)站朝上運(yùn)動(dòng)，若數(shù)值為負(fù)號(hào)，則垂直方向形變呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，基準(zhǔn)站朝下下沉。而SLOPE參數(shù)的絕對(duì)值代表著斜率的大小，絕對(duì)值越大，趨勢(shì)性運(yùn)動(dòng)越明顯[9-11]。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值較大時(shí)，符號(hào)全為負(fù)號(hào)，說(shuō)明這些基準(zhǔn)站的垂向形變主要表現(xiàn)為下沉趨勢(shì)。SLOPE 參數(shù)絕對(duì)值較小時(shí)，絕對(duì)值大小基本介于0.0000～3.0000，這些基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)符號(hào)有正有負(fù)，說(shuō)明基準(zhǔn)站的線性變化不明顯。

2.1 河北土層基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

選取河北深州和遵化兩個(gè)土層基準(zhǔn)站2015～2019年五年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果顯示河北深州的SLOPE和INTER（群延遲差異）兩個(gè)參數(shù)值（SLOPE = -67.0590，INTER = 54.0250）均遠(yuǎn)大于河北遵化的數(shù)值（SLOPE = -0.1071，INTER = -3.2808），且深州基準(zhǔn)站垂向形變一直朝下線性遞減，呈現(xiàn)出明顯的周期性下沉趨勢(shì)，而遵化基準(zhǔn)站則呈現(xiàn)出在-20 mm到+20 mm內(nèi)周期性波動(dòng)，整體變化趨勢(shì)無(wú)明顯下沉。分析其原因，深州基準(zhǔn)站所在地區(qū)由于每年的地下水抽取量大于冰雪、雨水等地下水輸入量，導(dǎo)致土地下沉明顯，而遵化地區(qū)基準(zhǔn)站所在地地下水變化較為平穩(wěn)，土地下沉上升趨勢(shì)呈現(xiàn)出小幅度周期性變化，較為穩(wěn)定。

2.2 華南土層基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

對(duì)湖南省不同地區(qū)的土層基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)以及福建省不同地區(qū)的土層基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)。湖南地區(qū)所有土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值都介于0.0～2.5，符號(hào)有正有負(fù)；福建省各地區(qū)土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小介于0.0～2.0，符號(hào)有正有負(fù)。說(shuō)明這些地區(qū)的土層基準(zhǔn)站垂向的線性趨勢(shì)變化不明顯，大多數(shù)基準(zhǔn)站在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，可以忽略其趨勢(shì)性線性變化。主要原因可能是華南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定，同時(shí)地下水抽取也并不如華北平原厲害，因而這個(gè)區(qū)域土層基準(zhǔn)站的變化主要以周期性變化為主，線性變化可以忽略不計(jì)。

2.3 總體參數(shù)變化分析

綜上所述，我國(guó)各地土層基準(zhǔn)站垂向變化大多都在一定范圍內(nèi)進(jìn)行明顯周期性變化；少部分土層基準(zhǔn)站由于地下水抽取等原因會(huì)出現(xiàn)大幅度下沉的情況，同時(shí)下沉變化中也包含著周期性變化，這些土層基準(zhǔn)站周期性變化和趨勢(shì)性變化都十分明顯。

趨勢(shì)性變化根據(jù)SLOPE參數(shù)的絕對(duì)值大小可以分為以下三種類(lèi)型，當(dāng)土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值介于0.0～0.5時(shí)，由于SLOPE參數(shù)數(shù)值非常小，可以忽略趨勢(shì)性變化，原始數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行周期性變化，基準(zhǔn)站垂向形變無(wú)明顯的趨勢(shì)性，在時(shí)間序列模型分析時(shí)可以去除掉趨勢(shì)性參數(shù)，只進(jìn)行周期性的計(jì)算，這樣得到的結(jié)果和原始數(shù)據(jù)相比較為準(zhǔn)確。

當(dāng)土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值介于0.5～3.0時(shí)，由于SLOPE數(shù)值較小，原始數(shù)據(jù)除了有周期性變化以外，還有小幅度的整體趨勢(shì)性變化。這類(lèi)土層基準(zhǔn)站在進(jìn)行時(shí)間序列模型分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)將趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，這樣得到的結(jié)果可以更為準(zhǔn)確的模擬原始數(shù)據(jù)。當(dāng)符號(hào)為正時(shí)，垂向變化數(shù)值整體呈現(xiàn)向上的小幅度周期性遞增，土層基準(zhǔn)站隨著時(shí)間推動(dòng)，整體有小幅度上升趨勢(shì)；當(dāng)符號(hào)為負(fù)時(shí)，垂向變化數(shù)值整體呈現(xiàn)向下的小幅度周期性遞減，土層基準(zhǔn)站隨著時(shí)間推動(dòng)整體有小幅度下沉趨勢(shì)。

當(dāng)土層基準(zhǔn)站的SLOPE參數(shù)絕對(duì)值大于3.0時(shí)，由于SLOPE數(shù)值較大，此時(shí)主要表現(xiàn)為趨勢(shì)性變化，可基本忽略周期性變化。SLOPE數(shù)值越大，斜率越大，土層基準(zhǔn)站垂向方向的趨勢(shì)性變化越明顯。在進(jìn)行時(shí)間序列模型分析時(shí)，可以單獨(dú)將趨勢(shì)項(xiàng)參數(shù)提取出來(lái)進(jìn)行計(jì)算，再將周期項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)這類(lèi)土層基準(zhǔn)站參數(shù)SLOPE符號(hào)全為負(fù)號(hào)，代表著這些地區(qū)基準(zhǔn)站大幅度下沉，此片土地有著較為明顯的下沉現(xiàn)象，當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)需要重視這一地質(zhì)變化情況。

3 基巖類(lèi)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

和土層基準(zhǔn)站相仿，對(duì)全國(guó)基巖基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最后統(tǒng)計(jì)基巖基準(zhǔn)站的參數(shù)SLOPE數(shù)值，將同一省份不同站的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列圖的對(duì)比分析，探究基巖基準(zhǔn)站垂向方向變化的穩(wěn)定性同時(shí)與土層基準(zhǔn)站作對(duì)比。

3.1 安徽基巖基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

本節(jié)內(nèi)容選取了安徽省不同地區(qū)的基巖基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列比較分析，通過(guò)對(duì)不同地區(qū)的時(shí)間序列進(jìn)行建模，結(jié)合實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，分析其線性變化和非線性變化，最后根據(jù)SLOPE參數(shù)的絕對(duì)值數(shù)值大小范圍來(lái)確定基巖基準(zhǔn)站的趨勢(shì)性對(duì)其穩(wěn)定性的影響程度。

對(duì)比安徽省各地基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)的絕對(duì)值數(shù)值大小極為相似，宿州和祁門(mén)基巖基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小都在0.4800附近，金寨和全椒基巖基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小都在0.8500左右，這些數(shù)據(jù)大小都說(shuō)明了基巖基準(zhǔn)站相比較土層基準(zhǔn)站來(lái)說(shuō)要更加穩(wěn)定。根據(jù)全國(guó)各地基巖基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，下沉幅度大的基巖基準(zhǔn)站基本沒(méi)有，而大部分同一個(gè)省各地基巖基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小都極為相似，在一定范圍內(nèi)變化。

根據(jù)湖南隆回垂向數(shù)據(jù)時(shí)間序列模擬分析計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基巖基準(zhǔn)站SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小在2.0000左右時(shí)，趨勢(shì)性與周期性共存，在進(jìn)行時(shí)間序列模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)不能忽略趨勢(shì)項(xiàng)系數(shù)。將趨勢(shì)項(xiàng)與周期項(xiàng)系數(shù)在模型中結(jié)合計(jì)算，才能準(zhǔn)確模擬出原始數(shù)據(jù)的垂向周期性變化。

根據(jù)大量數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出結(jié)論，基巖基準(zhǔn)站的垂向變化SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小介于0.0000～1.5000時(shí)，垂向變化周期性明顯，趨勢(shì)性不明顯，在進(jìn)行時(shí)間序列模擬時(shí)可以只代入周期項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算。當(dāng)基巖基準(zhǔn)站的垂向變化SLOPE參數(shù)絕對(duì)值數(shù)值大小介于1.5000～2.0000時(shí)，垂向變化趨勢(shì)性不可忽略，基巖基準(zhǔn)站在進(jìn)行著周期性的下沉或者突起。在進(jìn)行時(shí)間序列模擬時(shí)需要將趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)一起代入計(jì)算。

4 結(jié)論

（1）本文主要研究了不同地區(qū)土層類(lèi)基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性差異，對(duì)其地質(zhì)環(huán)境，土壤類(lèi)別等因素分別做出了解釋。通過(guò)對(duì)計(jì)算出的斜率SLOPE參數(shù)的數(shù)值大小進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)土層類(lèi)基準(zhǔn)站的周期性與趨勢(shì)性變化進(jìn)行了分類(lèi)。

（2）主要研究了不同地區(qū)基巖類(lèi)基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性差異，對(duì)比同一地區(qū)不同站的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合斜率（SLOPE）參數(shù)的數(shù)值大小，區(qū)分既有周期性變化又有趨勢(shì)性變化的基準(zhǔn)站和沒(méi)有趨勢(shì)性變化只有周期性變化的基準(zhǔn)站，對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

（3）基巖類(lèi)基準(zhǔn)站相對(duì)于土層類(lèi)基準(zhǔn)站較穩(wěn)定，且根據(jù)SLOPE可以劃定閾值，決定在時(shí)間序列模擬時(shí)是否需要帶入趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)一起代入計(jì)算。

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