基于GNSS的地面沉降監測數據處理及精度分析

高彥濤 王軍見 許紅偉 王金娜

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南鄭州450006；2.河南省測繪工程院，河南鄭州450003）

基于GNSS的地面沉降監測數據處理及精度分析

高彥濤1王軍見1許紅偉2王金娜1

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南鄭州450006；2.河南省測繪工程院，河南鄭州450003）

以開封市地面沉降監測為例，對監測過程中GNSS網布設、基線處理、網平差及常見問題等進行了分析論證，

并最終與水準測量結果進行了對比分析，驗證了GNSS的監測精度達到厘米級，取得了應有的監測效果，從而給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監測的監測方法。

GNSS；GAMIT；Cosa；地面沉降

引言

河南是我國地面沉降較為嚴重的省份之一，地面沉降主要分布在豫北平原及鄭州、開封、洛陽、許昌、濮陽、安陽、新鄉等多個城市。目前豫北平原最大沉降速率在40mm/年以下，大部分地區小于10mm/年，沉降速率10～20mm/年的區域面積為3486.3km2，沉降速率大于20mm/年的區域面積為55.9km2。地面沉降速率總體相對較小，但范圍擴大；鄭汴新區最大沉降速率60.2mm/年，位于中牟縣劉集—大孟一帶[1]。

為此，河南省從2012年開始建立健全地面沉降監測網絡。目前，主要在鄭州、洛陽及開封等主要城市和鄭汴新區建立了地面沉降監測網，共建設1個地面沉降監測站、1座基巖標、1組分層標、597個水準點、105個GNSS（Global Navigation Satellite System,簡稱GNSS）監測點和385個地下水監測點，初步構建了由基巖標、分層標、水準和GNSS監測網及地下水動態監測網，輔以InSAR空間觀測系統組成的地面沉降監測網，基本實現了地面沉降立體監測和局部分層標組的實時監控，為地面沉降防治工作奠定了基礎。2013～2016年開封市采用InSAR監測、水準監測、GNSS觀測及地下水動態監測等多手段相結合開展了大范圍地面沉降監測，并獲得了多種手段的監測結果。同時，隨著新一代衛星定位導航系統的發展，GNSS技術以其全天候、高精度、高時空采樣率、三維動態等特點在大壩監測、板塊運動、滑坡監測等諸多領域得到廣泛應用。其平面精度可達±1～2mm或10-9（相對精度），高程精度也可達±2～6mm[2]。本文以2015～2016年開封市地面沉降GNSS觀測數據處理為實例，詳細介紹基于GNSS的城市地面沉降數據處理過程及精度分析，同時，為了盡可能地保證GNSS觀測能夠滿足大范圍地面沉降毫米級的監測精度要求，針對GNSS布網模式、觀測方式、數據處理方法及誤差消除等問題進行了探討，并給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監測的監測方法及常見問題解決方法。

1 開封市地面沉降監測網設計與實施

1.1 水準監測網

2016年12月組織完成了開封市一、二等水準測量工作，共完成一等水準測量185km，二等水準測量150km，共聯測普通監測點132個、基巖標1個、分層標6個、孔隙水監測孔標4個。

一等水準測量作為首級監測控制網，沿工作區外圍、東西南北走向的主要道路的B級GNSS點和水準點組成一等水準網，然后在一等水準網內組成二等水準附合水準網，見圖1。

圖1 2015年地面沉降監測水準路線圖

1.2 GNSS監測網

開封市地面沉降GNSS監測采用兩級布網的方式構網，一級網為基準網(見圖2)，由3個最近的HNGICS（河南省地質信息連續采集運行系統）基準站作為基準，分別是KFKF（開封）、XXCY（長垣）、ZZZM（中牟）3個基準站。二級GNSS網為地面沉降B級GNSS監測網，由分布在工作區范圍內的B級GNSS監測點組成，2016年共觀測24個B級GNSS點（“魏都路小學”“汴京公園”因被破壞未觀測，“新于良寨”因被破壞以臨近點位代替，“小莊”因上標石被破壞替代觀測下標石，另增加了“新蘆花崗”“魁莊南”等觀測點位）。采用GNSS靜態觀測的形式構建地面沉降監測網，監測地面沉降的三維形變信息。

圖2 2016年地面沉降GNSS監測網圖

2016年10月下旬至11月初組織完成了開封市B級GNSS監測工作，共監測24個B級GNSS點，12個觀測時段，72個觀測點次。

2 GNSS監測的內業數據處理

2.1 GNSS基線向量解算

基線解的精度是保證監測成果可靠性的基礎，因此，基線向量解算采用了著名的GAMIT精密求解軟件進行GNSS基線向量解算。為了得到每監測時段的精確基線解，主要采取了如下技術手段：

① 衛星鐘差的模型改正使用國際IGS站提供的衛星鐘差參數；

② 衛星星歷采用IGS提供的衛星精密星歷；

③ 根據偽距觀測值計算出接收機鐘差進行鐘差的模型改正；

④ 電離層折射延遲用LC觀測值消除；

⑤ 對流層折射根據標準大氣模型用Saastamoinen模型改正，采用分段線性的方法估算對流層折射參數，且每一小時或兩小時估計一個參數，映射函數采用全球GMF模型；

⑥ 衛星和接收機天線相位中心改正采用IGS絕對相位中心改正；

⑦ 參考框架為ITRF（International Terrestrial Reference Frame）框架，慣性框架采用J2000，基線解算模式為固定解（BASELINE）[3]。

解算時，以GNSS監測網的基準點為起算點進行基線解算，并對其坐標給以5mm約束，其余監測點根據給定的概略坐標給以約束，基線向量的解算采用IGS提供的精密星歷。單時段解算所用的參數設置和模型與基準點解算時一致，只是對流層延遲參數根據觀測時段的長短有所改變，一小時估計一個或兩小時估計一個。基線向量解算完畢后，需進行殘差分析與質量檢驗，以便發現、修正、刪除不合格成果。

2.2 GNSS基線向量解算常見問題及處理

（1）配置文件

Gamit數據處理配置文件主要包括station.info、sittbl.short、sestbl.、lfile.等，其中station.info為觀測站點信息，主要包括Station Name（站名）、Session Start（開始時間）、Session Stop（結束時間）、Ant Ht（天線高）、HtCod（天線高改正類型）、Receiver Type（接收機類型）、Antenna Type（天線類型）等幾個重要參數，大部分參數可以直接提取，但是Antenna Type不一定能夠自動提取成功，需要根據rcvant.dat文件查詢天線類型的標準名稱[4]。

sittbl.short主要是站點約束，對于已知點一般平面約束為0.050m，高程約束為0.10m，其他不作約束。

sestbl.的設置很關鍵，根據實際解算結果對比分析，從而確定最優設置。

lfile.為所有GNSS觀測點的概略坐標，根據實踐經驗，一般從O文件提取，同時對于已知點需要采用已知三維坐標覆蓋更新。

（2）儀器高出現錯誤

儀器高出現錯誤在GNSS觀測過程中會經常碰到，而且在Gamit解算過程中很難發現，但是在使用CosaGPS（可傻GPS數據處理軟件，簡稱CosaGPS）網平差過程不通過，檢查異步環找出問題所在，重新設置儀器高進行解算。

（3）站點名出現錯誤

站點名稱出現錯誤直接導致不同時段處理時lfile.文件里面概略坐標錯誤，Gamit解算過程中會出現WARNING: MODEL/avclck: RCLOCK from PRN04 at epoch 452，同時平差時GPS三維基線向量（簡稱GPS 3D Vector）中與錯誤站點有關的各個分量的方差-協方差出現異常值，并且網平差不能通過。解決辦法是：將有問題的站點重新進行數據標準化，并重新解算。

3 GNSS基線網平差

GNSS基線網采用CosaGPS進行網平差。平差時，首先利用KFKF（開封）、XXCY（長垣）、ZZZM（中牟）三個基準站進行約束[5]，進行基準網平差，獲得測區基準點LSLY(烈士陵園)的精確坐標；然后約束基準點LSLY，進行監測網的平差，從而獲得24個B級GNSS監測點的精確坐標。三維約束平差結果，將獲得各GNSS網網點在國際地球參考框架下的三維地心坐標。

盡管通過基線處理過程中已經消除了大部分誤差，但是由于GNSS觀測過程中，仍然存在儀器對中誤差、基線處理誤差、數據觀測質量等問題引起的誤差，很難完全消除，因此，根據平差結果的觀測值改正數PVV和單位權中誤差M0來判定平差效果，為了取得更好的效果需要仔細比較重復基線的解算精度，選擇解算精度高的基線，刪除效果差的基線，從而進一步改進平差效果，提高網平差精度。以開封2016年為例，解算最終結果觀測值改正數PVV=33.725cm^2、單位權中誤差M0=0.323(cm)，根據MX=0.17cm、MY=0.28cm、MZ= 0.21cm，得出MP=0.39cm。GNSS網平差結果中，GNSS基線邊的精度達到10-8，點位水平方向精度優于±3mm，垂直方向精度應優于±3mm。

4 GNSS監測與水準監測對比分析

傳統水準測量以其精度高、可靠等特點一直以來作為地面沉降監測的主要監測手段，尤其是開封市地面沉降采用一、二等水準測量進行監測，滿足DZ/T 0283—2015《地面沉降調查與監測規范》要求，因此，為了驗證GNSS監測結果的可靠性，在不考慮水準測量誤差的基礎上與水準測量結果進行對比分析。

根據2016年度內GNSS監測結果與水準測量的監測結果，選擇具有同步觀測14個監測點的監測結果進行對比，水準與GNSS監測結果互差在5mm范圍內的有6個，占43%；5～10mm的2個，占14%；10～15mm的2個，占36%；大于15mm的1個，占7%（見表1）。從而可以看出，GNSS監測與水準監測結果對比60%誤差都在10mm范圍之內，少部分誤差大于10mm，但都在20mm以內，因此在大范圍城市地面沉降監測中GNSS監測與水準測量相比不僅大大節省了人力、物力，經過精密GNSS數據處理及誤差分析，能夠滿足地面沉降監測的需要。

表1 GNSS監測與水準監測對比結果

5 總結

以開封市地面沉降監測為例，對GNSS網布設、數據處理過程中問題及精度分析等進行了詳細的分析論證，并最終與水準測量結果進行了對比，驗證了GNSS的監測精度，取得了應有的監測效果，從而給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監測的監測方法及常見問題解決方法，具有一定的參考價值。

[1]謝海瀾，鄭錦娜．區域性地面沉降研究現狀[J]．地質調查與研究，2009，33(3)．78-82．

[2]張勤，王利，黃觀文，等．區域地面沉降高精度GPS監測數據處理方法研究[C]//第十三屆中國科協年會第12分會場．測繪服務災害與應急管理學術研討會論文集．2011．

[3]趙桂儒．基于GAMIT軟件的GPS數據處理框架建設[D]．北京：中國地震局地震預測研究所，2007．

[4]鄂棟臣，詹必偉，姜衛平，等．應用GAMIT／GLOBK軟件進行高精度GPS數據處理[J]．極地研究，2005，17(3)：173-182．

[5]柏柳，肖鸞，胡友健．CORS的精度及其穩定性研究[J]．河南理工大學學報，2005，24(4)：283-288．

高彥濤（1982—），男，漢族，工程師，從事工程測繪測量工作。E-mail:71657192@qq.com