基于CORS的高程參考框架的動態監測與維護

摘要：通過InSAR技術對山東省地表形變監測發現，黃三角、魯西南等地區地表沉降明顯，這些地球形變的發生，使測繪基準成果的可靠性變差，嚴重影響了測繪基準的應用服務。高程參考框架本身也是動態的，開展高程參考框架的動態監測與維護是必要的。通過對CORS站網2015—2019年的連續觀測成果進行精細處理，2019年開展對CORS站、B級和C級點、水準點進行二等水準觀測，通過2015年、2019年兩期水準成果檢核CORS站點正常高值，探索出一種基于CORS實現對大地高程參考框架的動態監測與維護的新方法，通過研究還發現，大多數水準點發生了沉降，少數水準點發生了抬升，CORS和水準的數據成果也驗證了InSAR對地表形變的監測結果。

關鍵詞：全球定位系統；CORS；高程參考框架；維護；時間序列分析

中圖分類號：P228文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.009

引文格式：陳瑞聰，竇慶文，張金盈.基于CORS的高程參考框架的動態監測與維護［J］.山東國土資源，2023，39（5）：5966.CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying. Dynamic Monitoring and Maintenance of Elevation Reference Framework Based on CORS［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：5966.

0引言

CORS是連續運行GPS定位服務系統（Continuous Operational Reference Stations），是在現代GNSS技術、計算機網絡技術、網絡化實時定位服務技術和現代移動通訊技術基礎之上的大型定位與導航綜合服務網絡［12］，由GNSS參考站網、控制中心、數據中心、通訊網絡、用戶應用終端等子系統組成［3］。現代大地坐標框架是動態的或準動態的，對于一個高精度的區域CORS參考框架坐標系必須考慮該坐標系的維持問題，從而保證CORS系統可向用戶提供連續、有效服務，因此CORS參考框架的動態監測與維護具有重要意義［4］。利用區域CORS網實現區域坐標參考框架的維持，是當前公認的最經濟、最有效的手段［5］。夏傳義等多位學者做了基于CORS維持參考框架的研究。區域參考框架一般采用實測時間序列方法來維持［6］，本文通過山東衛星定位連續運行系統即SDCORS站時間序列分析成果獲取大地高變化量，最終獲得正常高變化量，通過水準檢核CORS站正常高變化量精度，開展對大地高程參考框架動態監測與維護的方法研究。

1總體研究流程

山東省陸域面積15.58萬km2。結合“黃三角地表形變監測”項目和“魯西南地表形變監測”項目的監測數據分析，優化布設監測區域、路線，優化選擇GPS、CORS站及水準點。開展大地高程參考框架動態監測與維護的研究。

山東省現有二等以上水準路線，為高程參考框架變化監測點位選取和水準路線布設提供依據。選取水準路線成網，路線貫穿InSAR監測發現的主要形變區，同時環線包含非形變區一等基巖水準點和CORS基巖站，選取的CORS站、B級和C級點具有2016年衛星定位觀測和水準聯測成果。采用二等水準測量對地表形變區內水準點、SDCORS站、B級點和C級點進行聯測。利用CORS站時間序列分析成果獲取大地高變化量，利用大氣等觀測資料推算高程異常變化量，求取CORS站點的正常高變化量，利用兩期水準資料進行精度驗證，實現地表形變區內基于CORS站網的高程參考框架的變化監測。技術流程圖如圖1所示。

2研究區域地表形變發現

利用InSAR技術2017年8月完成的“黃三角地表形變監測”項目和2018年3月完成的“魯西南地表形變監測”項目的監測數據分析，結合SDCORS基準站2015—2018年坐標時間序列分析，確定較為明顯的主要地表形變區為黃三角和魯西南地區（圖2），主要是：①東營市廣饒縣、河口區；②聊城市茌平縣、臨清市；③菏澤市鄆城縣、東明縣、單縣等。

3基于CORS站網的高程參考框架動態監測與維護3.1水準數據獲取與處理

在基準站觀測中，GPS高程觀測更容易受到外界噪聲的干擾，獲得高精度高程需要考慮其周期性變化［7］，基于這點，利用地表形變區內CORS站網連續5年觀測，時間周期覆蓋前后2次水準網觀測的時間周期的數據，獲取CORS站點的正常高變化，實現高程參考框架動態監測。2019年二等水準網實測路線37條，構成17個閉合環，共3432.4 km。2015年、2019年水準網均以泰安TAAN主作為起算點進行平差計算，數據加入標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正［8］。2019年的水準觀測全網合乎規范精度要求，2015年、2019年水準主要精度指標見表1。

3.2CORS站大地高時間序列分析與重構

要想為建立和維持動態地球或區域參考框架提供基礎數據，就必須研究造成測站非線性運動的物理機制［5］。采用同樣的GPS觀測數據，選取不同的參考框架得到的結果往往是有差異的［9］，ITRF是目前公認精度最高、應用最廣的參考框架［6］，目前最新的參考框架版本為ITRF2014，于2016年1月21日發布［10］。ITRF2008是目前世界上精度較高的地球參考框架［11］，這次CORS站數據處理參考框架采用ITRF2008。框架站的幾何分布會對測站坐標時間序列產生很大影響［12］，在區域內及周邊選定10個IGS跟蹤站為約束，處理15個CORS站2015—2019年的數據，解算得到CORS站點的單日解，最終獲取CORS站點2015—2019年的周解，最終解算得到15個CORS站的三維坐標周解時間序列（N、E、U方向），時間分辨率為7天，時間段為2015年6月1日至2019年7月30日。針對每座CORS站大地高周解時間序列，得到大地高非線性變化時間序列。對時間序列散點進行周期估計，估計得到周期項參數，然后重構大地高非線性變化時間序列。

CORS站點的分布見圖3。圖4a、圖4b為15個CORS站大地高時間序列分析與重構結果。

3.3高程異常變化解算

基準站的位置會發生微小而又復雜的變化，這些變化包含了線性變化和非線性變化［13］。基準站點坐標時間序列分析的結果表明，各種周期性的非線性運動不可忽視，當坐標時間序列跨度小于2.5年時，若不考慮非線性因素可能得到錯誤的測站線性速度，僅有部分非線性影響因素能夠用模型修正，例如潮汐改正、極移改正等［14］。本次研究利用ECMWF全球大氣壓模型、GLDAS陸地水文模型、AVISO全球海面高數據模型，綜合地球負荷形變和地球重力場理論，計算全球負荷模型量，并基于負荷球諧系數模型及區域負荷格林函數的移去恢復方法，計算區域負荷精化量，將二者相加最終得到CORS站點的高程異常變化。

最終推算得到15個CORS站點的高程異常變化時間序列，時間段為2015年1月至2019年8月，時間分辨率為1個月，表2為15個CORS站的總負荷高程異常變化信息統計。

3.4結果驗證

根據給定兩個時刻的CORS站大地高變化和高程異常變化，即可計算CORS站正常高變化，利用CORS站點大地高變化時間序列和似大地水準面變化時間序列，兩者作差得到正常高變化時間序列，即可對CORS站點的歷史水準觀測正常高進行動態改正。采用2015年和2019年水準成果，對CORS站點的正常高動態改正結果進行檢核，檢驗基于衛星定位的高程參考框架維護精度。

兩期水準測量得到了32個CORS站點的正常高變化，獲得了15個CORS站點系統觀測正常高變化差與水準觀測正常高變化差，圖5為2015—2019年CORS系統觀測正常高與水準觀測正常高變化比對柱狀圖，15個站點覆蓋了山東省西北西南地區，約占全省三分之一的面積，兩種方法得到的正常高變化差值的最大值為32.3 mm，最小值為0.643 mm，CORS正常高變化差值的中誤差為15.463 mm，小于2019年水準最弱點的高程中誤差±22.10 mm，這與前人研究高程方向精度優于2cm研究結果一致［1516］，表3為15個CORS站點的正常高變化差值比較結果。與2015年和2019年的平差后水準正常高中誤差比較，15個站點中只有濟寧JINI、東明DOMI、壽光SHGU這3個CORS站的正常高變化差值略微超過平差后水準正常高的中誤差，表明利用CORS站數據確定正常高變化具備較高的精度，這與前人研究成果相吻合［17］。表4為參與這次研究的區域SDCORS站點名點號對照列表。

4結語

研究選擇區域跨度大，地表形變復雜，CORS站點發生沉降的點占總點數的87%，兩CORS站出現了抬升，占總點數的13%。15個CORS站點的其中11個站有效數據時間段未達到100%覆蓋兩期水準觀測周期，由于時間不吻合必然造成一定的數據誤差，水準數據本身存在誤差，但通過CORS站大地高時間序列分析與重構，得到的站點正常高變化差值，通過二等水準驗證其仍然具有極高的精度，CORS站點和精密水準共網的情況下，CORS數據質量好的條件下，可以基于CORS大地高的變化量修正正常高，再進行水準網的平差，維護高程基準的現勢性，可以實現高程參考框架的動態監測與維護，保持測繪基準的現勢性，提供當今歷元的測繪基準的高程值。參考框架的維持可以提升其精度，為國家經濟和國防建設提供精準的位置服務。

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Dynamic Monitoring and Maintenance of?Elevation Reference Framework Based on CORS

CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying

（Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：InSAR technology is used to monitor the surface deformation in Shandong province. It is found that the surface subsidence is obvious in the Yellow River Delta and the southwest of Shandong province. The occurrence of these earth deformations have made the reliability of surveying and mapping datum results worse， which will seriously affect the application service of surveying and mapping datum. The elevation reference frame itself is dynamic， so it is necessary to carry out dynamic monitoring and maintenance of the elevation reference frame. Through fine processing of continuous observation results of CORS station network from 2015 to 2019， second order leveling observation will be carried out for CORS station， Class B and class C points， and benchmark in 2019. Through checking normal height value of CORS station through leveling results in 2015 and 2019， a new method of dynamic monitoring and maintenance of geodetic elevation reference frame based on CORS has been explored. It is also found that most benchmark have subsided， a few benchmark have been uplifted， and the data results of CORS and leveling also verify the monitoring results of InSAR on surface deformation.

Key words：Global positioning system; continuously operating reference stations; elevation reference frame; maintenance; time series analysis