GPS技術在鄭汴新區地面沉降觀測中的應用

劉平利+喬天榮+趙珂+王傳先

摘 要：基于《河南省鄭汴新區城市地質災害與地質環境綜合調查評價》項目中地面沉降部分，對GPS技術在鄭汴新區地面沉降監測中的應用，總結出了一些行之有效的高精度監測方法。該文介紹了地面沉降監測點制作規格和監測網的建立情況，詳細說明了GPS技術在鄭汴地面沉降精密監測野外實施方法和得出監測數據的整個流程。

關鍵詞：GPS 鄭汴新區 地面沉降觀測

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0081-02

目前隨著GPS定位精度的不斷提高，尤其是高程分量精度的不斷提高， 以觀測時間周期短、布網靈活、自動化程度高、觀測點間無需保持通視、全天候作業，并能同時觀測點的三維坐標等優點，使采用GPS建立地面形變三維監測網，直接測定測區的三維空間變形得到了認可。因此，可以在測區建立GPS三維地面變形監測網，從中獲得變形監測點在WGS-84系里的大地坐標，進而通過周期觀測，獲得地表的三維變形信息，從而得出地面沉降在大地坐標下的沉降量。

1 起算點的解算與精度分析

鄭汴新區地面沉降GPS監測z網的起算點 （已知點） 為中牟、鄭州和開封三點為河南省地質信息連續采集運行系統連續跟蹤站點。為了獲得其高精度的起算點基準，我們在鄭州航空港區打了800 m深的一個基巖標（JYJC），和聯測了鄭州梅山基巖標，采用GAMIT軟件和IGS精密星歷一起進行解算，通過固定中牟、鄭州和開封CORS三個跟蹤站的坐標平差后獲得JYJC和梅山在ITRF00坐標框架下的準確坐標，兩個點的坐標精度優于5 mm，可作為基準點的起算坐標。

2 強制觀測墩的規格

監測地面沉降測量標石至關重要，它反映地面沉降的一個重要指標，利用強制觀測可以消除因為儀器對中和儀器高而產生的誤差。圖1是我們這次強制觀測墩的設計和實物。

3 監測網的建立及數據采集

針對鄭汴新區地理位置和地質地貌的特殊性，采用整體布網和局部加密的方法布施監測網，以高精度、高效率地監測鄭汴新區地面沉降，鄭汴新區沉降觀測項目觀測范圍的總面積2 127 km2，在鄭汴新區布設統一的區域性的地面沉降GPS監測網，通過定期的重復觀測，該次依據地質地貌的特征和重要的地面人為工程，我們在2009年底建立地面沉降和建筑物變形監測45點，共埋設了40個沉降強制觀測墩，制作5個高層建筑物的強制觀測標，其中基巖標帶有GPS接收天線強制歸心平臺和球型高程標志，地面沉降觀測標志和高層建筑物頂部的測量觀測標志也均帶有GPS接收天線強制歸心平臺和球型高程標志，以便于GPS觀測和水準聯測，地面沉降觀測墩標石埋設后，經過一個雨季等標石穩定后方可用于觀測。

對于已建成的鄭汴新區地面沉降GPS監測網分別于2012年12月、2013年3月、2013年6月、2013年9月、2013年12月進行了5期監測，GPS監測方法采用測量級別選擇以B級網觀測方法觀測，每次觀測時都用專用的連接桿和儀器相連，以至于減少連接誤差，GPS接收機在開始觀測前，都進行預熱和靜置，為了便于使用，GPS數據文件名中都包含測站名和測站號，觀測單元、測站類型、日期、時段號等信息。施測時采用6臺雙頻GPS接收機以靜態相對定位模式，同步觀測，并以網連式構網方式進行觀測。GPS外業觀測時間為每天早8點到晚8點左右，保證每一時段 （每天）的觀測時間不少于12 h，并以6個點構成同步觀測圖形，圖2（監測點分布圖）是我們觀測組網的情況。

4 數據解算與數據分析

由于觀測數據量大、要求精度高，聯測國家基準參考站數據和省內中牟、開封、鄭州三個河南省地質信息連續采集運行系統的cors站數據，所以每次野外觀測完數據委托于國家大地解算中心進行數據解算，獲得基準點和監測點在WGS-84坐標系里的空間直角坐標、大地坐標，在就基準網以及相關監測網實施多期觀測之后發現，借助大地高變化，可以獲得鄭汴新區的實際地面垂直沉降數據信息。為了在一定程度上防止出現精度損失，一般情況下基準點以及監測點的大地高其實并不需要轉換為政策高形式，可以直接在大地高差值基礎上實施，垂直沉降分析。此外，在多期GPS監測數據處理前提下，為了進一步消除不同時期地面沉降數值的尺度偏差以及方位偏差，做到方位基準、位置基準以及尺度基準三者的統一，從而獲得更為精確的監測結果，可以在統一坐標下，實現5次GPS數據的統一歸算，最終歸算到統一歷元里。根據相關監測結果顯示，鄭汴新區自身的地面沉降變形情況并不是十分嚴重。總之，借助GPS衛星定位技術，可以就城市地面沉降情況進行全方位監測，其具體監測精度可以充分滿足城市沉降監測要求，可以進一步增強鄭汴新區在數據監測管理方面的現代化程度，獲得本區域的實際地面沉降量，更好地開展地質預測評價，從而為制定科學合理的防御措施提供相應的設計參考。結合正確化、合理化的沉降趨勢預測，最終獲得地面沉降可能會帶來的危害，從而為相關部門提供有效參考。

5 結語

（1）GPS測量有一定局限性，監測點附近必須地勢開闊，無大障礙物，GPS接收機必須容易接收到衛星信號，因此，需要埋設的強制觀測墩必須在空曠的區域，但由于地區城市化發展比較快，不利于保存這些測量標志，對常年觀測這些點造成了嚴重的影響，這也是鄭汴新區地面沉降采用GPS測量方法全面取代水準測量方法所需解決的一個問題。

（2）由GPS定位技術監測地面沉降受粗差干擾嚴重，粗差來源有很多因素，因此，觀測時要詳細記錄周圍是否有大面積噪聲、氣候等因素。在數據處理方法中，需借助國外先進軟件提高基線向量的解算精度，并研究在平差方法中使用抗差估計以降低粗差干擾的影響。

（3）將GPS技術用于地面沉降監測需進行精心的監測網技術設計、建造強制觀測墩、制定嚴格的觀測周期，特別是在處理觀測數據時要進行對數據的分析和剔除，加之對網中的觀測點進行二等水準聯測，這樣方能實現以足夠的高程精度進行地面沉降監測，并對與經濟活動有關的地面沉降的發展趨勢進行工程地質預測評價，為經濟、合理的防御和避讓措施提供設計依據。

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