基于CORS數(shù)據(jù)的地表沉降研究

張奇,閆偉,汪偉,王文旭

(天津市測繪院,天津 300381)

基于CORS數(shù)據(jù)的地表沉降研究

張奇?,閆偉,汪偉,王文旭

(天津市測繪院,天津 300381)

隨著天津市城市建設(shè)的快速發(fā)展,一些大型工程正面臨著由地表沉降帶來的威脅。研究地表沉降對于保護天津地質(zhì)環(huán)境、指導(dǎo)城市規(guī)劃具有重要意義。基于此,處理了天津CORS(Continuous Operational Reference System)基準站2006年～2012年的觀測數(shù)據(jù),對基線處理結(jié)果進行了小波降噪以及Chebyshev多項式擬合,得到了地表沉降速率,并用水準成果對其進行了驗證。

地表沉降;水準;CORS;GAMIT

1 引 言

天津市地表沉降主要表現(xiàn)在:區(qū)域性的填海造陸地表沉降、橋梁形變塌陷、鐵路沿線形變下陷、地鐵施工地表沉降、機場路面變形起伏、地下管道形變斷裂等[1]。研究天津市地表沉降對于保護天津地質(zhì)環(huán)境、指導(dǎo)城市規(guī)劃具有重要意義。而GNSS為進行地表沉降分析提供了一種高效可靠的方法[2]。基于此,本文處理了天津CORS基準站2006年～2012年的原始觀測數(shù)據(jù),提取了CORS站點所在位置的地表沉降量,計算了地表沉降速率,并將其與利用水準測量數(shù)據(jù)的出來的結(jié)果進行了對比分析。

2 利用CORS數(shù)據(jù)分析地表沉降

利用CORS數(shù)據(jù)分析地表沉降主要包括基線處理和CORS站點沉降分析。基線處理部分主要包括觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算必要文件的準備以及利用GAMIT處理基線[3],CORS站點沉降分析包括待分析站點與穩(wěn)定參考站的基線向量高程分量序列的提取以及沉降速率的計算[4]。用作本文研究的數(shù)據(jù)為天津市CORS的12個基準站2006年～2012年共6年的原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。

2.1 基線解算

天津市各CORS各基準站的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后,采用MIT和SIO共同研制的高精度事后精密基線處理軟件GAMIT 10.45進行基線處理。在基線處理前,引入天津CORS周圍的6個IGS站點,分別是: BJFS、DAEJ、SUWN、ULAB、WUHN、YSSK,和12個 CORS站點一起進行基線解算。這樣做的目的是把IGS的站點坐標和框架引入到基線解算過程中,削弱由于站點坐標不準確引起的基線解算誤差[5]。

2.2 穩(wěn)定參考點選取

天津CORS站點觀測數(shù)據(jù)完成基線解算后,為根據(jù)解算結(jié)果進行沉降分析,選擇了地處天津市北部的、地質(zhì)條件好的JIXN站點作為整個CORS網(wǎng)的參考點,其他的CORS站點的高程方向運動規(guī)律均以該點為基準進行分析。為了說明CORS站點中的JIXN點在高程方向的穩(wěn)定性,在對其他站點進行數(shù)據(jù)處理前,先對JIXN點在高程方向的穩(wěn)定性進行分析。

在分析JIXN點高程方向的穩(wěn)定性時,選擇其周圍分布比較均勻的AIRA、BJFS、DAEJ、GUAO、JIXN、KHAJ、KUNM等12個IGS跟蹤站點聯(lián)合進行基線解算。從解算結(jié)果中提取單天解的H文件,并聯(lián)合全球IGS1、IGS2、IGS3子網(wǎng)的H文件利用GLOBK進行整體卡爾曼濾波,得到JIXN點在ITRF05框架下,在U分量上點位穩(wěn)定性情況。分析結(jié)果顯示,JIXN站在高程上的年變化率為1.14 mm/a,說明了JIXN站點在高程方向上是穩(wěn)定的。用JIXN點作為其他站點的參考點,進行時間序列分析是適當?shù)摹?/p>

2.3 各基準站沉降分析

在各基準站的穩(wěn)定性分析過程中,獲得了各基準站相對JIXN站的U坐標分量時間序列,結(jié)合小波濾波、曲線擬合等時間序列分析方法對原始時間序列進行分析,以得到各基準站相對JIXN點在U方向上的變化規(guī)律和趨勢。

在各基準站的U時間序列中,雖然基線解算使用了高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT,但無論是從數(shù)學(xué)建模還是從原始數(shù)據(jù)的采集上,都有噪聲污染。為了盡可能消除噪聲污染,凸顯基準站的坐標變化規(guī)律,對基準站的U方向的時間序列進行小波降噪[6]。

小波降噪的實質(zhì)是對原始數(shù)據(jù)在不同尺度上進行小波分解后,根據(jù)噪聲和有用信號的頻率特性,對小波變換的細節(jié)系數(shù)部分進行閾值濾除,保留原始信號中的有用信息,而濾除噪聲信息[7]。多項式擬合以及趨勢分析都在經(jīng)過濾波處理后的信號基礎(chǔ)上進行。

對各基準站U序列進行濾波后,根據(jù)濾波的結(jié)果,用多項式對該曲線進行擬合,得到一個可以用函數(shù)表示的各基準站點U分量關(guān)于時間的函數(shù)。在擬合分析中,選取的為Chebyshev多項式擬合,擬合階數(shù)為18階,可選取更高階數(shù)的Chebyshev多項式進行擬合,但這樣做會極大地增加計算量,同時可能因階數(shù)過高,擬合后的曲線有“擾動”[8]。圖1列舉了DZ01站擬合前后的U分量序列,其中紅色為擬合前序列,黑色為擬合后序列。

圖1 DZ01站點U分量的Chebyshev多項式擬合圖

基準站在U分量上的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波和曲線擬合后,可以很好地用一個數(shù)學(xué)函數(shù)來表示其坐標分量大小隨時間變化的規(guī)律,并且可以根據(jù)函數(shù)得到在觀測時間段內(nèi)任何一個時刻的U分量值以及其變化速率。

為了進一步得到各站點高程方向的年變化速率,對U方向時間序列進行了趨勢分析。趨勢分析的目的是為了得到各CORS站點在高程方向的宏觀運動規(guī)律。在小波去噪的基礎(chǔ)上,對各站點基線U方向分量進行線性擬合,得到U方向分量的日平均變化速率,進而按式(1)計算U方向分量的年變化速率如表1所示。

其中,f(?)為曲線擬合后的函數(shù),EndP為曲線終點,StartP為曲線起點,△TimeSpan為時間跨度。平均速度的精度用式(2)來評估。δ0為根據(jù)擬合后的函數(shù)來確定的沉降中誤差,該中誤差的取值由擬合后的擬合誤差近似給出。

分別用CORS數(shù)據(jù)與水準得到的站點沉降速率 表1

從表1可以看出,站點CH01和SW01所在位置的年沉降率較大,分別達到-40.8 mm/a和-40.5 mm/a,而TJA2站點相對比較穩(wěn)定,年沉降率較小,為-0.9 mm/a。

2.4 沉降對比分析

在采用CORS基準站數(shù)據(jù)進行沉降分析的同時,本文利用2006年～2011年的水準數(shù)據(jù)對GNSS方法得到的沉降速率進行了驗證。本文挑選出GNSS站點周圍半徑1 km范圍的水準點,根據(jù)水準觀測出的沉降量,用曲面擬合、插值的方法得到CORS站點位置的沉降速率,列于表1中第二列。

圖2 CORS數(shù)據(jù)與水準數(shù)據(jù)得到的各參考站沉降速率比較

采用CORS數(shù)據(jù)得到的各站點沉降速率與水準得出的各站點沉降速率對比如圖2所示。從圖中可以看出,除DZ02站點外二者符合得很好,驗證了用CORS研究地表沉降的可靠性。DZ02位于天津市大港區(qū),并且1 km范圍內(nèi)僅有2個等級水準點,這可能是造成二者差異較大的原因。同時可以看出,TJA1和CH02所在站點高程方向上最為穩(wěn)定,其沉降速率在5 mm/a以內(nèi),而CH01、SW01、KCO2、KC03沉降嚴重,其中CH01與SW01沉降速率達到了40 mm/a以上。

3 結(jié) 語

本文處理了天津CORS各基準站的數(shù)據(jù),得到了地表沉降速率,在所有參考站中,CH01、SW01、KC02、KC03沉降速率較大,TJA1和CH02最為穩(wěn)定。將CORS數(shù)據(jù)得到的沉降速率與水準成果比較,結(jié)果表明二者能較好符合。

[1] 黃立人,匡紹君.GPS觀測得到的天津地區(qū)的現(xiàn)今變形[J].大地測量與地球動力學(xué),2002(4):17～20.

[2] 姜衍祥,楊建圖,董克剛等.利用GPS監(jiān)測地面沉降的精度分析[J].測繪科學(xué),2006(5):63～65.

[3] 趙桂儒.基于GARMIT軟件的GPS數(shù)據(jù)處理框架建設(shè)[D].北京:中國地震局地震預(yù)測研究所,2007.

[4] 羅峰.CORS基準站的穩(wěn)定性分析與研究[J].全球定位系統(tǒng),2014(1):42～45.

[5] 黃勇,汪偉.基于軟閾值小波降噪的天津CORS站點數(shù)據(jù)分析[J].城市勘測,2011(6):89～91.

[6] 蔡東健,岳建平,張永超.改進的小波閾值去噪方法在CORS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究[J].測繪通報,2012(4):4～7.

[7] 郭健,孫炳楠.基于小波變換的橋梁健康監(jiān)測多尺度分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2005(1):114～118.

[8] 孔巧麗.用切貝雪夫多項式擬合GPS衛(wèi)星精密坐標[J].測繪通報,2006(8):1～3.

Analysis of the Sedimentation of Earth’s Surface Based on CORS Data

Zhang Qi,Yan Wei,Wang Wei,Wang Wenxu
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

With the rapid development of urban construction in Tianjin,a number of large-scale projects are facing the threat of the sedimentation of the Earth’s surface.Study on the sedimentation of Earth’s surface of Tianjin is of great significance for the geological environment protection and city planning of Tianjin.Based on this,in this paper,Tianjin CORS observing data from 2006 to 2012 was processed and the wavelet denoising method was append on the baseline results,the rate of the sedimentation of Tianjin Earth’s surface was calculated by Chebyshev polynomial fitting and was verified with the sedimentation derived from leveling.

earth’s surface sedimentation;leveling;CORS;GAMIT

1672-8262(2014)06-32-03

P228.3,P642.26

A

2014—05—30

張奇(1988—),男,助理工程師,現(xiàn)主要從事城市CORS應(yīng)用研究。

本項研究得到大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室開放基金項目(SKLGED2013-4-6-E)和國家自然科學(xué)基金項目(41174031,41474029)的聯(lián)合資助。