GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機理的研究

董思學，盛志鵬，鄭南山

(1. 浙江省第二測繪院，浙江 杭州 310012； 2. 中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

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GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機理的研究

董思學1，盛志鵬1，鄭南山2

(1. 浙江省第二測繪院，浙江 杭州 310012； 2. 中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

為研究GNSS靜態觀測監測大面積區域平原沉降機理，在杭嘉湖平原地區建立了由25個基準點和15個監測點組成的基準監測網，并根據2008—2014連續6年的GNSS大地高與精密水準測量數據的對比分析，驗證了GNSS靜態觀測方法的實際精度。結果表明：GNSS大地高變化可以替代精密水準測量獲取水準測量點的沉降值，為研究大區域平面沉降監測提供了有力支撐。

GNSS；沉降；平原

杭嘉湖平原地面沉降監測工作僅限于嘉興城區為主的地面精密水準測量，控制面積和傳遞精度不足，并且水準測量人工成本高、工期長，難以滿足人們日益增長的對監測網的需求，也不能滿足地面沉降機理研究、評價模型設計與預測預警設計的需要。因此建立起以GNSS區域監測網為骨干，城市建筑密集區精密水準監測網絡為脈絡，重要地區建立基巖標、分層標的從城市到鄉村、由局部到區域、由地表到地下的系統的立體監測網絡體系，并實現地面沉降與地下水監測的自動化監測、網絡化管理，具有重要的現實意義[1-4]。

為更好地利用GNSS測量的優勢，在監測網取兩個剖面進行GNSS與水準聯測試驗，進而為評價整個平原的GNSS測量精度與更為合理的布設方案作準備。

一、應用GNSS監測杭嘉湖平原沉降數據處理

1. 試驗區GNSS與水準共用點分布

GNSS基準點和沉降監測點的密度及位置除了必須滿足地質分析的要求，還要將基準點選擇在地質條件穩定的地方，最好是在基巖上，從而緊密地與周圍地面固聯在一起，有效反映地殼形變。為了保證各個點有效表達為GNSS與水準共用點，點位四周高度角10°以上無成片障礙物，附近無大面積水域，并且要遠離高壓電塔等[5]。

在圖1中，由25個基準點(Ⅰ01、Ⅰ02、…、Ⅰ25)組成GNSS基準網，由15個共用點作為監測點(Ⅱ26、Ⅱ27、…、Ⅱ40)組成GNSS監測網，最長的基線邊長不超過35 km。點位確定后，所有的觀測點均建造配備強制對中裝置的混凝土觀測墩。通過多年的精密水準觀測和基準分析，認定Ⅰ07和Ⅰ21是穩定的，將其作為起算基準點解算整個GNSS網。

圖1　GNSS與水準共用點分布圖

2. GNSS數據處理與精度分析

基線處理軟件采用GAMIT軟件。解算采用IGS精密星歷，使用前期穩定的高精度Ⅰ07和Ⅰ21作為基準點，利用AUTCLN模塊準確修正觀測數據中的周跳并刪除大殘差觀測值得到干凈的X-文件，采用CVIEW模塊手工編輯質量較差的數據生成觀測方程和解算基線，得出每個時段的解。

(1) 基線處理與精度分析[6-8]

① 同步環檢核

由于GAMIT軟件采用的是全組合解，其同步環閉合差在基線解算時已經進行了分配。對于GAMIT軟件基線解的同步環檢核，可以把基線解的nrms值作為同步環質量好壞的一個指標，一般要求nrms值小于0.5，不能大于1.0。本網共計算了25個基線文件，其中23個nrms值均小于0.5，最大的為0.681。這說明GNSS網的整體外業觀測質量較高，基線解的精度較好。

② 重復基線

各時段解向量的重復性反映了基線解的內部精度，是衡量基線解質量的一個重要指標。該網共有325組重復基線，有關整體重復性精度統計如下。

在經過精化處理后，整體重復性在南北方向上為5.07 mm+2.59×10-8l，東西方向上為6.08 mm+3.57×10-8l，垂直方向為13.01 mm+10.6×10-8l，基線長度方向為6.21 mm+1.87×10-8l。按《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)，對于GPS B級網，其固定誤差要≤8 mm，比例誤差要≤1×10-6D，由此可見，杭嘉湖平原地面沉降監測網的基線處理的精度達到了技術設計的要求，完全滿足設計的要求。

③ 異步環檢核

GPS異步環閉合差反映的是整個GPS網的外業觀測質量和基線解算質量的可靠性，相對于同步環閉合差，異步環閉合差對GPS成果質量更為重要。

對于杭嘉湖平原地面沉降監測網，共檢核由平差所用的獨立基線構成的最簡異步環186個。在檢核的異步環中，所有的異步環閉合差都小于國家GPS規范的要求。其中，絕對閉合差最大的異步環為Ⅰ01→Ⅰ10(3371)0001→HUZH(3371)0010→HUZH(3431)(括弧中的數字前3位為年積日，第4位為時段號)，其X分量的閉合差為-0.012 3 m，Y分量的閉合差為-0.078 7 m，Z分量的閉合差為-0.019 0 m，位置的閉合差為0.082 m，位置的限差為0.335 m，其相對閉合差為0.750×10-6D；相對閉合差最大的異步環為Ⅰ09→Ⅱ28(3390)Ⅰ09→Ⅱ28(3390)，其相對閉合差為2.123×10-6D，X分量的閉合差為-0.010 6 m，Y分量的閉合差為-0.014 6 m，Z分量的閉合差為-0.031 9 m，位置的閉合差為0.029 m，而位置的限差為0.044 m。由此可見，所有的異步環均滿足規范要求。

(2) 網平差及其精度分析

各期本次三維平差基于ITRF框架，采用武漢大學研制的PowerAdj科研分析版(PowerNet)。使用各同步觀測網的227條獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量進行解算，通過對觀測量方差因子的調整，使得三維無約束平差結果的單位權中誤差通過χ2檢驗。

① 三維無約束平差結果的精度分析

從表1和表2的統計可以看出，基線分量的改正數都較小。如果以改正數σ=0.010 m為中誤差，限差為兩倍的中誤差時，可以計算出真誤差Δ在區間(-2σ，2σ)的置信概率[7]為89.5%；如果限差為三倍的中誤差時，可以計算出真誤差Δ在區間(-3σ，3σ)的置信概率為97.6%。這就從定量分析上說明觀測質量較好，并且基線解的精度也較高。

表1　基線平差改正數統計　m

表2　改正數區間個數統計　m

② ITRF坐標框架下的三維約束平差精度分析

各期整體約束平差選用經過前期穩定性檢驗的基巖點Ⅰ07和Ⅰ21作為基準點，并且引入高精度的武漢(WUHA)和上海(SHAO)的IGS站點[8]，消除因星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統性偏差。

杭嘉湖平原地面沉降監測網ITRF坐標框架下的三維約束平差觀測邊長精度統計結果如圖2和表3所示，點位坐標分量精度統計表見表4和表5。

圖2　三維約束平差觀測邊長精度統計

<0.1×10-6D0.1～0.5×10-6D>0.5×10-6D1061165

表4　點位精度中誤差統計　m

表5　點位精度中誤差區間個數統計

由圖2和表3、4、5可知：①監測網的平均相對精度為0.132 6×10-6D，最弱邊(Ⅰ13-Ⅱ31)相對精度為0.968 7×10-6D，其邊長為3 445.291 5 m；②坐標分量在水平方向上的平均精度為0.006 2 m，在大地高方向為0.009 4 m。其中Ⅰ09、Ⅰ17、Ⅰ25等點的觀測條件不好，導致點位精度較差。最弱點為Ⅰ25，其水平精度為0.017 4 m，大地高精度為0.025 2 m。

根據《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)，B級網邊長的精度指標為：固定誤差小于8 mm，比例誤差系數小于1×10-6D。由此可知，杭嘉湖平原地面沉降監測網精度優于規范所規定的精度指標，各期GNSS數據處理方案及精度均符合規范要求[9]。

二、GNSS監測地面沉降成果分析

對多期的GNSS沉降監測數據按文中步驟進行嚴格處理，水準測量數據按自由網平差，以消除各期觀測值之間的尺度和方位偏差，實現位置基準、尺度基準和方位基準的統一，便于獲得高精度的沉降監測結果[10]。本文主要對GNSS和水準測量共用點的兩種測量方法的數據信息進行分析，并按對應年份比較列于表6。

表6　沉降監測剖面共用點沉降量表

續表6

注：表格內“負號”表示下沉；中誤差σ表示大地高與水準高表示的沉降量中誤差平方和開方。

從上述對照表可以看出：

1) 大地高沉降量中誤差普遍小于水準測量的中誤差，除了個別點在不同年份受周圍觀測條件影響外，大多數在5 mm左右。最終的中誤差的數量級與兩者沉降之差的數量級一致，排除外符合精度的高低，在理論精度上可以判斷GNSS大地高監測沉降的可行性。

2) 如果以水準測量的沉降量為相對真值，2009年與2010年平均有90%以上的點沉降量為正值，表示地面有抬升現象，而GNSS大地高沉降量在2009年與2010年僅有30%的點沉降量為正值，平均相差20.5 mm，表示GNSS觀測有系統誤差存在。原因可能有兩個：一是假定的基準點有抬升，可能使得GNSS測得的沉降量偏大；二是測量誤差，也可能造成影響。

3) 對比分析2010年與2009年的沉降可以看到，GNSS大地高與水準測量的結果趨勢性接近，并且差值與相應的水準測量結果的互差變小。考慮排除系統差的情況，GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降監測的可靠性可以得到保證。

4) 水準測量沉降值自2009年，沉降監測剖面幾乎所有的點均有所抬升，至2012年達到最高點，如Ⅱ34抬升54 mm；GNSS大地高沉降值雖然有73%以上的點抬升，但少量點如Ⅱ37與Ⅱ38沉降不斷反復，剔除系統差依然表現為沉降反復，實地勘察兩地的觀測條件已不符合GNSS觀測要求，考慮重建共用點。

三、結束語

1) 本文對杭嘉湖平原地區多期的GNSS監測數據處理與沉降分析進行了研究，結合多期的精密水準測量數據表明，杭嘉湖平原的整體沉降自監測時間起發生抬升現象，并且抬升自2012年起呈減緩趨勢。

2) 通過GNSS大地高變化，發現部分點沉降后反彈的趨勢非常明顯，在與精密水準測量方法獲得的結果進行對照分析后，發現GNSS大地高誤差有一定的系統性，考慮GNSS大地高觀測的精度，按誤差傳播定律，1 cm左右的變形對于觀測精度而言是不顯著的，這對變形分析下結論是需要考慮的因素。

3) 杭嘉湖平原地區沉降變化在近年來逐年變小，甚至達到毫米級以下。為了保證GNSS在杭嘉湖平原地面沉降監測的精度及可靠性，在內外業中，應確保以下幾點：使用強制對中觀測墩；根據監測網點周邊環境的變化，及時對監測網點分布進行優化設計；利用高精度解算軟件GAMIT GLOBK進行基線計算并與Bernese軟件基線解算結果進行對比。

4) GNSS觀測數據可能包含一些偶然的誤差和未知的因素在內，需要有長年的、多期的數據綜合分析，才能更加精確地分析杭嘉湖平原地面沉降現象。如有可能，宜結合當地的InSAR[11-12]數據對GNSS數據監測結果進行補充驗證，確保節省水準測量工作量的同時，得到準確地沉降模型，做好沉降監測與預測工作。

[1]董龍橋.應用GPS技術進行大面積地面沉降監測[J].測繪通報，2006(2)：39-41.

[2]楊建圖，姜衍祥，周俊，等.GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析[J].大地測量與地球動力學，2006(1)：71-75.

[3]武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2003：1-6.

[4]熊春寶，唐立剛，匡紹君，等.大范圍地面沉降的差分GPS監測法[J].巖土力學，2003，24(6)：931-934.

[5]丁繼新，尚彥軍，楊志法，等.天津市市區地面沉降的GPS監測分析[J].工程勘察，2006(6)：41-44.

[6]李征航，張小紅.衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法[M].武漢：武漢大學出版社，2009：52-55.

[7]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2005：235-245.

[8]張寶成，歐吉坤，袁運斌.精選基準消秩虧的GNSS參考網數據處理方法[J].測繪學報，2014，43(9)：895-901.

[9]陳義，胡叢瑋，王解先，等.GPS在城市地面沉降監測中的應用[J].測繪學院學報，2000，17(4)：257-259.

[10]張奇，閆偉，汪偉，等.基于CORS數據的地表沉降研究[J].城市勘測，2014(6)：32-34.

[11]馬靜，張菊清.利用InSAR-GIS監測西安地面沉降的分析研究[J].測繪通報，2012(2)：14-17.

[12]田馨，廖明生.InSAR技術在監測形變中的干涉條件分析[J].地球物理學報，2013，56(3)：812-823.

Research on Hangjiahu Plain Subsidence Mechanism with GNSS

DONG Sixue，SHENG Zhipeng，ZHENG Nanshan

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0155.

2015-07-06

董思學(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事大地測量、地面移動測量與GNSS微波遙感方面的工作。E-mail：danel2006@sina.com

P228.4

B

0494-0911(2016)05-0057-04

引文格式： 董思學，盛志鵬，鄭南山. GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機理的研究[J].測繪通報，2016(5)：57-60.