GPS在濱海新區地面沉降監測中的應用研究

□ 王建營張琦（.天津市測繪院，天津西青30038；.天津市武清區規劃建筑設計所，天津武清30700）

GPS在濱海新區地面沉降監測中的應用研究

□ 王建營1張琦2
（1.天津市測繪院，天津西青300381；2.天津市武清區規劃建筑設計所，天津武清301700）

本文簡要介紹了濱海新區沉降監測中GPS數據處理方案，研究了高精度GPS數據處理參數設置、數據處理中涉及到的成果精度評定。結合GPS基準站和一級GPS監測點數據進行區域地表形變監測數據處理及數據分析，通過數據分析，簡單論述了濱海新區地面沉降分布發育情況以及引起濱海新區地面沉降的影響因素，找出數據之間存在的規律性，為今后濱海新區地面沉降防治與研究提供數據支持。

GPS高程；濱海新區；地表沉降；形變監測

0.引言

地面沉降是一種導致區域性地面高程降低的環境地質災害，常發生在人口密集、工業發達的城市，具有沉降速度相對較慢難以明顯察覺、危害面積廣、破壞嚴重、幾乎不可恢復性等特點，越來越引起人們的重視[1]。伴隨著各種測量儀器、相關地面沉降監測技術方法的不斷改進，地面沉降的自動化監測工作取得了巨大的進步，近年來興起的GPS（Global Position System）技術應用于地面沉降監測已經成為一個熱點研究課題[2]。

隨著全球導航衛星系統 GNSS（Global Navigation Satellite System）技術的發展，很多國家和地區建立了GPS形變監測網，用于研究區域性地面沉降[3]。利用GPS建立大區域的形變監測網可有效地克服常規監測網的弊端。它以地心坐標系為參考系，很好地解決了各種形變監測的基準難題，而且GPS監測成果不存在誤差累積[4]。

本文從理論上探討正高、正常高與大地高以及地面沉降量的關系，論述了由GPS和精密水準測量所獲得的地面沉降量在理論上的一致性。

并將GPS測量技術應用于濱海新區地面沉降監測的實踐中，通過GPS測量結果與一等水準測量結果的對比分析，從而論證了采用GPS測量方法可以用于大范圍的地面沉降監測。

本文簡要介紹了濱海新區GPS形變監測網的布設和GPS數據處理方案，研究了高精度GPS數據處理參數設置、數據處理中涉及到的成果精度評定。結合濱海新區范圍內的GPS基準站和一級GPS監測點數據進行區域地表形變監測數據處理及數據分析，通過數據分析，簡單論述了全市地面沉降分布發育情況以及引起濱海新區地面沉降的影響因素，找出數據之間存在的規律性，為今后濱海新區地面沉降防治與研究提供數據支持。

1.數據采集

濱海新區地面沉降GPS監測網絡由GPS基準站網和一級GPS監測網兩部分組成。濱海新區及周邊共有3座GPS基準站和10個一級GPS監測點，基本形成了GPS監測的骨干網絡體系。3個GPS連續運行基準站10個一級GPS監測點位置分布如圖1所示，圖中，CH02、KC01以及TJA1為連續運行基準站，其余為一級GPS監測點。

圖1 濱海新區GPS監測網1絡點位分布圖

3個GPS連續運行參考站屬于市GPS連續運行參考站網，實行全天候長期監測，數據自動采集。10個一級GPS監測點每年11月進行外業測量1次。監測網布設觀測采用參照《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314-2009）B級GPS網相關技術要求，基于GPS連續運行基準站網的點觀測模式。每個監測點連續監測3個時段，共計72小時，采樣率設定30秒[5]。各批次涉及點同步觀測，各站點平均距離約為50km。

2.數據處理

數據處理包括監測站基線解算以及平差處理兩部分。

2.1 基線處理

原始數據采集并整理完成以后，選擇適當數量的IGS站數據，并使用精密星歷解算GPS數據，可求得高精度基線向量和測站坐標。GPS基線解算是基于 Linux fedora 16平臺上運行GAMIT軟件完成的。

表1 控制參數設置

2.2 平差處理

對GPS基線處理結果的平差方法是利用GLOBK軟件對GAMIT軟件計算的單天結果進行平差處理，使用數據是GAMIT軟件解算產生的H文件，處理結果給出最終的GPS測站坐標和精度評定及速率和精度評定。

此次GPS觀測結果的數據處理中，平差計算使用的軟件是GLOBK軟件5.18版本。計算方案為。

（1）對本期數據的GAMIT計算結果分別進行單期的平差合并處理，計算出的GPS測站坐標的最佳估計值和它的精度估計值。

（2）坐標參考框架為ITRF2005全球坐標系統框架，使用ITRF2005系統的核心觀測站的坐標和坐標運動速率為坐標系統平差控制參數。對核心站的坐標給予強約束，東西向和南北向為5mm，豎向為10mm，對坐標運動速率給予東西向和南北向約束為2mm/a，豎向為5mm/a[6]。本次數據處理中ITRF2005系統的核心觀測站有6個，它們分別是：SHAO、BJFS、USUD、IRKT、YSSK、POL2。對其余的GPS觀測站的坐標和坐標運動速率給予松約束，坐標東西向和南北向約束為10m，豎向為10m，速度約束為東西向和南北向為10mm/a，豎向為100mm/a[7]。

3.沉降提取

水準測量測得的是正常高的變化，而GPS測得的是大地高的變化，同一個點上的正常高與大地高是不同的，兩者不能直接比較。同一個點上正常高的變化Δh與大地高的變化ΔU兩者存在如下關系。

其中cosa是該點上垂線偏差的余弦。由于天津地區a很小（一般在幾十秒的量級），因此可以直接用ΔU代替Δh表示地面沉降的變化，即直接將GPS測得的大地高的變化代替水準測量正常高的變化。于是，可用周期監測的大地高變化量來表示當年該點的沉降。

2013年沉降量值由2013年與2012年GPS站點大地高相減所得。根據2012～2013年GPS解算成果年度沉降值表，做出2012～2013年沉降速率等值線圖，如圖2所示。

圖2 2012-2013年濱海新區地面沉降速率等值線圖

從圖2可以得知，2012～2013年下沉量最大的GPS點為TJA1，沉降值達到了-85.4mm，下沉值最小的為TJ10，沉降值為-6.2mm，濱海新區所有GPS點沉降量平均值為-35.83mm。

4.成果比較

由上節可知，兩期GPS測量所獲得大地高變化量ΔU表示地面沉降量，與應用兩期精密水準測量方法所獲得的正常高變化量Δh表示地

面沉降量，在變化趨勢上基本一致。為了進一步比較2012～2013年GPS測量成果與水準測量成果的一致性，特從相關部門收集到2012年與2013年部分GPS監測點水準測量成果，通過對比分析，二者較差見表2。

表2 GPS測量與水準測量成果較差表

從表2可知，GPS測量成果與水準測量成果二者較差小于±5mm的站點有5個，占比為50%；較差介于5-10mm之間的站點有3個，占比30%；較差介于10-20mm之間的站點有2個，占比20%;較差大于20mm的站點有2個。統計以上數據可知，80%的站點較差小于10mm，充分說明數據解算的高精度和可靠性。兩種測量方法成果較差分段統計圖如圖3所示。

圖3 GPS測量成果與水準測量成果較差占比圖

有研究文章指出，通過十年GPS沉降監測數據試驗，全天津市GPS測量大地高變化與水準測量大沽高變化之差的均值約為10mm。因此，表2里80%的對比結果正常。對比結果大于15mm只有TJA1。仔細分析TJA1站GPS測量與水準測量之差差異大的原因，有以下三條：一是GPS觀測數據質量不好，GPS信號產生多路徑效應，影響了數據觀測質量；二是地質環境改變，TJA1周圍2013年5月有大型建筑工地開工，沉降加劇；三是水準觀測與GPS觀測不完全同步。由此造成水準觀測與GPS測量之間差異。

通過不同監測方法比較，GPS監測精度滿足要求，可以應用于濱海新區地面沉降監測，一是GPS監測能實現自動化，大大節省了人力物力財力；二是它以地心坐標系為參考系，很好地解決了形變監測的基準難題；三是GPS監測不像水準測量存在誤差累積的現象，使得監測成果更接近于沉降真值。

5.結論

本文通過同期水準監測數據和GPS監測數據對比，經過統計分析，驗證了GPS監測技術應用于地面沉降監測的可行性。

從2012～2013年濱海新區沉降等值線圖，得出濱海新區沉降概況。基本情況是以TJA1為中心，沉降逐漸擴散，中間沉降大，周邊沉降逐步減小。

通過GPS連續運行基準站觀測結果可知，基準站所在地區地面沉降呈線性下沉，無法恢復。

[1]許才軍，張朝玉等．地殼形變測量與數據處理[M]．武漢：武漢大學出版社，2009（10）．

[2]許曙光，劉樹臣等．國內外地面沉降研究動向[A]．第六屆地面沉降論文集，2001．

[3]崔振東，唐益群．國內外地面沉降現狀與研究[J]．西北地質學報，2009，29（03）：275-278．

[4]GB/T 18314-2009．全球定位系統（GPS）測量規范[S]．北京：中國標準出版社，2009．

[5]董克剛，易長榮．利用GPS監測天津市地面沉降的可行性研究[J]．大地測量與地球動力學，2008，28（04）：68-71．

[6]黃立人，武艷強等．GPS連續站在地面沉降監測中的應用[J].工程地質學報，2005，S1(13)：94-97．

[7]任立生，黃立人等．天津GPS沉降監測的十年試驗結果[J]．測繪科學，2006，31(04)：17-19．

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2095-7319（2015）03-0062-05

王建營（1981—），男，雙學士，工程師，天津市測繪院，現在主要從事GNSS應用研究。