GPS地面沉降監(jiān)測應用與實踐

趙明金，徐杰，孟黎

（1.山東省國土測繪院，濟南250102；2.山東城市建設職業(yè)學院，濟南 250014）

1 引言

地面沉降在GPS沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程中，基準點及點位坐標基準的選擇對于提高數(shù)據(jù)的處理精度和真實客觀地反映監(jiān)測點位沉降速率均具有十分重要的意義。基準點要求建立在穩(wěn)定的基巖上，但由于地殼運動的存在，建立在基巖上的基準點同時也存在水平和垂直方向上的運動。鑒于此，選用穩(wěn)定、高精度的動態(tài)三維地心坐標系，用于監(jiān)測網(wǎng)點的數(shù)據(jù)處理是整個數(shù)據(jù)處理中十分關(guān)鍵的一步。本文主要研究了利用北京、上海、武漢3座IGS站作為沉降監(jiān)測網(wǎng)中的基準點，聯(lián)合沉降監(jiān)測網(wǎng)中的監(jiān)測點在ITRF2008框架下統(tǒng)一平差，從而確定各監(jiān)測點位的高精度垂直變化分量，得到點位的沉降值。

2 ITRF2008的實現(xiàn)

國際地球參考框架即ITRF，是指國際地球參考系（ITRS）的一種具體實現(xiàn)，ITRF是基于VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間技術(shù)所建立起來的現(xiàn)代全球地面參考框架，它提供了一個全球統(tǒng)一的、地心的、三維的和動態(tài)的高精度地面坐標參照基準，并廣泛應用于全球范圍內(nèi)精密定位、地殼形變監(jiān)測、地球動力學研究等。當前常用的框架種類包括：ITRF2000、ITRF2005 和 ITRF2008[1]。

2.1 ITRF2008

ITRF2008的實現(xiàn)是基于VLBI、SLR、GPS和DORIS 4種空間測量技術(shù)聯(lián)合重新處理后而得，該4項技術(shù)觀測時間跨度分別為29年、26年、12.5年和16年。其原點定義為在歷元2005.0時ITRF2008與ILRS的SLR解的平移參數(shù)及其速率為0；尺度定義為在歷元2005.0時ITRF2008與相對于VLBI和SLR時間序列的平均尺度及尺度變化率為0；定向定義為在歷元2005.0時ITRF2008相對于ITRF2005選轉(zhuǎn)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速率為0[2]。

2.2 ITRF2008與其他框架的比較

相對于ITRF2000，ITRF2005在基準定義和實現(xiàn)方面均做了進一步的完善和調(diào)整。尤其是二者差異造成的測站坐標差在毫米級（ITRF2000與ITRF2005的差異對GNSS數(shù)據(jù)處理的影像），對高精度GPS數(shù)據(jù)處理存在一定影響[3]。

雖然ITRF2005相對ITRF2000有所改進，但在內(nèi)部一致性和穩(wěn)定性方面存在明顯缺憾。相對于ITRF2005，ITRF2008采用新的絕對相位中心偏移模型（IGS08）、新的重力場模型（EGM08）、衛(wèi)星及測站的變化模型、天線溫度形變等改正，這些策略的采用證明了ITRF2008的性能高于ITRF2005，因此，采用ITRF2008框架數(shù)據(jù)解算時基線重復性分布更合理，解更趨于穩(wěn)定。

3 應用案例

東部沿海某地區(qū)由于長期超量開采地下水，已導致地下水位大幅度下降，進而誘發(fā)地面沉降、裂縫等地質(zhì)災害。為確保當?shù)亟?jīng)濟建設和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，及時向有關(guān)部門提供沉降資料，系統(tǒng)全面掌握地面沉降數(shù)據(jù)，從2008年開始，進行GPS沉降監(jiān)測，每年觀測一期。

3.1 布網(wǎng)

沉降監(jiān)測網(wǎng)點包括基準點和監(jiān)測點2部分。基準點由北京、上海、武漢3座IGS站組成，如圖1所示。

監(jiān)測點位的標石選址都選在該地區(qū)具有代表性的地質(zhì)環(huán)境區(qū)。共計布設18點位（見圖2）。點位建設參照B級GPS點建設規(guī)范。

圖1 基準點分布圖

圖2 監(jiān)測點位分布圖

3.2 基線解算

數(shù)據(jù)基線解算軟件采用GAMIT（10.4）。精密星歷采用IGS最終星歷。經(jīng)計算統(tǒng)計，每天解的NRMS值均小于0.2，基線絕對中誤差均為毫米級，相對中誤差最小值在10～9量級，最大值在10～7量級，大部分數(shù)值保持在10～8量級，由于基線過多，在此不做統(tǒng)計表述。

3.3 平差

網(wǎng)平差軟件采用武漢大學GPS工程技術(shù)研究中心研制的POWERNET，平差時以GAMIT的結(jié)果O文件為輸入文件，采用同步觀測網(wǎng)的獨立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測量。

3.3.1 參考框架

參考框架選用ITRF2008，每期數(shù)據(jù)處理歷元如表1所述。

表1 各期數(shù)據(jù)處理參考歷元

3.3.2 起算坐標選擇

在綜合評價SOPAC、ITRS官網(wǎng)發(fā)布的ITRF2008下的坐標值及速度場換算后所得到觀測歷元的坐標值后，發(fā)現(xiàn)精度不是十分理想，垂直方向上精度能降低0.5～4mm。因此，最終選擇了瑞士BERNE大學發(fā)布的全球IGS站周解作為沉降監(jiān)測網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)。

3.3.3 平差精度評定

經(jīng)計算統(tǒng)計后，各點位垂直方向大地高U及點位中誤差RMS（U）如表2所示，除個別點位外，其余點位中誤差均優(yōu)于3mm，精度較高。

表2 每期數(shù)據(jù)點位大地高及垂直方向上中誤差

4 結(jié)論

對GPS精密數(shù)據(jù)進行處理，并統(tǒng)一采用ITRF2008框架數(shù)據(jù)解算，可以得到優(yōu)于2mm精度的大地高，可以對亞厘米及厘米級的地面沉降進行有效監(jiān)測。