利用GNSS 高程序列確定復測水準網參考基準的試驗研究

羅三明 高艷龍 鄭智江 胡新康

（中國地震局第一監測中心，天津 300180）

精密水準測量數據的處理一直以來存在不少問題，尤以數據處理基準和誤差累積傳遞等兩個問題長期困擾水準觀測資料的深入分析與應用最為突出。在利用多期復測數據進行形變分析研究中長期以來基本上都是采用假設某一空間點為相對穩定的參考點（平差基準），在此基礎上進行平差計算，獲得相對于該參考點的位移信息。這種方法的不足之處在于距離參考點越遠誤差越大；平差結果因參考點空間位置的不同而異。從區域或全球GNSS 連續站觀測結果可知，在地殼運動研究中，不存在所謂不變的穩定點。因此假設穩定點的處理方法所獲取的信息難以真實地反映地殼運動的客觀變化。再者，水準測量是一種相對測量，所測得的數據是相鄰點之間的相對高程差，各種誤差對測量結果的影響隨著測量距離的增加而逐步累積。由于我們無法知道水準測量的絕對基準，因而在數據處理中無法確定整個水準網相對于“絕對基準”的變化情況，即使采用無起算數據的自由網處理或多期復測資料按動態處理方法進行整體平差，雖然能夠一定程度控制誤差傳遞，但由于平差所采用的參考系隨時間的整體變化，所獲得的結果也難以反映地殼運動的真實性。

GNSS 連續站高程序列為解決以上問題提供了可能。由于GNSS 測量是一種“絕對”定位，不存在所謂的誤差積累，利用其高程分量作為水準數據處理的約束值，能夠有效地控制水準數據的誤差傳遞與積累；又由于其“絕對”性，為利用水準資料獲取地殼垂直運動信息提供了參考基準的可能。為此，首先在提高其精度方面做了以下處理：按照高程序列3 倍標準差剔除奇異值；采用拉格朗日插值法對剔除奇異值后的序列進行補插；利用方差分析法進行GNSS 高程序列周期顯著性檢驗，采用最大熵譜分析法對GNSS 高程序列不同頻率的周期運動進行逐步分離。

從測量理論上講，不同對地觀測方法測得的地面點的高程值可能不同，但同一時間段內高程的變化量是一致的。因此，為了進一步減小GNSS 高程誤差對水準資料的影響，本文截取與水準觀測周期一致的GNSS 高程變化量作為水準數據處理的參考基準。

基于以上思想，選取了天津市靜海地區近60個水準點2008年至2011年4期水準觀測資料以及靜海和九宣閘兩個GNSS 連續站高程序列。4期水準觀測值的環閉合差分別為4.0 mm、3.1 mm、19.4 mm 和17.7 mm，觀測值本身的精度相差較大。因此，為了評估GNSS 高程作為復測水準數據平差參考基準的可靠性，首先采用自由網平差方法對4期水準觀測值分別進行平差計算，以消除水準網本身不符值，再以GNSS點為擬穩點，在經過第一步處理后的水準網中引入其高程變化量，對水準網進行重新平差計算，結果中的高程中誤差即為GNSS 高程變化量誤差對水準點高程的影響。結果顯示，水準點高程最大中誤差不足1 mm；天津市靜海及周邊地區2008－2011三年的年沉降量分別達到30～50 mm±2 mm、20～40 mm±8 mm 和30～80 mm±6 mm 不等（圖1），局部地區年變化量達到90+mm。

圖1 GNSS 高程序列與水準觀測值聯合處理獲得的靜海地區2008－2011年地面垂直變化圖