利用GPS建立地面沉降监测基准的研究

王 淼 陆 阳 易长荣

(天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061)

·测量·

利用GPS建立地面沉降监测基准的研究

王 淼 陆 阳 易长荣

(天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061)

为了提高大范围地面沉降监测精度，提出一种利用GPS连续监测站建立地面沉降监测基准的方法，即将普通水准监测点和GPS基准点连测，并通过数据处理模型得到监测网的地面沉降值，列出了基准点沉降量和水准网观测数据联合处理的严密公式，通过分析天津滨海新区的实例，证明了该方法的合理性。

地面沉降GPS，监测基准，水准测量

目前地面沉降监测以传统的大地水准测量为主，地面沉降严重的城市基本上每年监测一次。但是在地面沉降严重，地面沉降范围广的城市，受到基准点不稳定性[1]和水准路线误差累计这两个因素的综合影响，地面沉降监测精度难以继续提高，严重影响了地面沉降发展趋势的鉴别，给控制地面沉降措施的制定带来了麻烦，急切需要提出新的解决方法。前人已经奠定了利用两期水准网动态平差模型计算沉降量的基础[2]，也有学者曾做过关于利用GPS技术监测地面沉降的研究[3-5]。单独利用水准测量或者GPS技术都不能很好地解决大范围地面沉降监测的问题，在这种情况下，我们尝试将GPS和大地水准测量技术联合，利用城市已有的GPS连续监测站作为地面沉降监测网的基准点，从而提高监测精度。

1 建立GPS监测基准的方法

1.1 GPS基准点的原理

现在许多城市都建设了自己的CORS系统，除了作为城市地理信息框架的组成部分，GPS连续监测站有着自己独特的优点，即站点分布均匀，间距约为50 km左右，观测时间序列长，监测值精确可靠。GPS连续监测站本身的沉降量可以通过GPS技术精确计算出来，因此可将其视为基准点。基准点观测墩上同时设有水准标志，与整个水准网连测，根据基准点沉降量和两期水准观测即可求出其他水准点的沉降量。该方法可以减少水准点和基准点的连测距离，即减少误差传播累积，从而大幅提高地面沉降的监测精度。需要注意的是，这里的基准点和普通的GPS静态观测点是不同的，后者观测时间仅有2 d～3 d，只有少量单天高程解。由于定位技术本身的原因，GPS单天高程解的精度一直比水平定位精度低，所以2个～3个高程值的可靠性也差，普通的GPS静态观测点是不适合作为基准点的。

该方法的关键是获取GPS基准点的精确沉降量并建立基准点和水准网的联合模型。随着观测方式和计算方法的不断改进，GPS垂向处理精度有所提高。由于GPS和大地水准测量技术采用的不是同一个高程基准，所以不能通过高程建立联系。然而两种高程的变化量是一致的[5]，这为建立GPS基准点和水准网的严密关系提供了很好的切入点。

1.2 联合处理模型

这里借鉴前人的模型[5]来建立基准点和水准网的数学关系，并根据要求赋予参数新的含义。模型包括两类观测值，分别是两期水准测量数据和基准点沉降量，后者其实是一种虚拟观测值。假设监测网中对m个监测点进行了复测，两期有s1和s2个水准网测段，则任意时刻t，i，j两点的观测方程为[2]：

(1)

假设m个监测点中有n(n

(2)

根据式(1)和式(2)，利用最小二乘估计进行全局最优化处理，即可求解出其他水准点的沉降量。其解法和精度模型可见参考文献[6]，由于篇幅限制，此处不再列出。

在联合处理模型的式(1)中，当t=t0且s2=0，n=0时，即没有第二期水准网和GPS准观测值的情况，就是普通的静态水准网平差模型。在式(2)中，当vk=0时，即不对基准点的沉降量作为未知数估计，此时的模型就是动态水准网平差模型。可以看出，静态和动态水准网平差都是联合处理模型的特殊情况。

2 试验过程与结果

为验证方法的合理性，选取天津市滨海新区的地面沉降监测为例。天津市地面沉降监测网面积达1万km2，滨海新区位于监测网的东部，最远端距离基岩标相距100km，如果用传统的监测方法，沉降值的传递误差累计最大将达到14mm。滨海新区及周边有4座GPS连续监测站，能获得连续变化的高程序列，结果可靠。但出于成本考虑，不可能建设大量的GPS连续监测站点，所以用其作为水准网的基准点，是两种技术监测地面沉降的最好选择。现利用GPS监测基准和传统方法来同时计算该区域的地面沉降。

2.1 基准点沉降计算

天津市滨海新区及周围的4座GPS连续监测站(TJA1,KC01,DZ01和CH01)作为基准点，首先利用高精度处理软件GAMIT/GLOBK获取每个基准点的大地高序列。根据蓟县GPS连续观测站(编号JIXN)在全球参考框架中高程很稳定的分析结果[5]，采用它作为GPS网的高程基准[3]，仅对滨海新区和JIXN共5座GPS站做局部网相对定位，不再引入IGS站作大尺度的基线解算和框架转换，结果显示高程序列重复性达到2mm。然后我们通过插值确定基准点的沉降量，精度为3mm，满足作为基准点的要求。

2.2 沉降计算与分析

搜集滨海新区2007年末和2008年末两期水准与GPS基准点进行联合处理，剔除闭合超限的水准环测段，挑出两期公共水准观测点合计486个，共有测段1 170个。计算时一、二等水准测量的先验误差分别是1mm和1.3mm。作为比较，我们也利用传统方法进行了计算，使用的先验误差值与上面一致。在进行比较时，单位权中误差和监测点平均精度是衡量方法优劣的两个重要指标，其中单位权中误差反映了模型的内符合精度，值越小，精度越高。而监测点的平均精度反映了监测网所有点的沉降值精度，值越小，精度越高。两种方法的计算结果比较如表1所示，其中一代表传统方法，二代表采用GPS基准的新方法。

表1 两种方法计算结果 mm

从表1可以看出，无论是单位权中误差还是监测点的平均精度，方法二比方法一的各项指标值都要小，即精度更高。基准点TJA1通过GPS技术处理的沉降量是负值，实质上联合处理结果显示，该点周围还存在一些负值的区域，位于滨海新区汉沽北部，这和传统地面沉降监测到的现象是一致的。过去的地面沉降监测中也曾发现汉沽北部有上升区域，但是考虑到单纯利用水准测量技术的缺陷而不能肯定这个结论，现在通过新的技术予以了证实。

3 结语

利用GPS技术建立大范围的地面沉降监测基准是可行的，可以建立起科学的数学模型。而实例表明该方法是可行的，能使滨海新区地面沉降监测平均精度从5.4mm提高到2.8mm。该方法可以在实际中逐渐展开运用，并为更多地面沉降地区所借鉴，但是它比传统静态监测处理方法复杂，需要更多的工作量。

[1] 黄立人.宝坻原点的变化及天津地面沉降监测结果的订正[J].测绘科技动态,1993，86(3):15-18.

[2] 陶本藻.自由网平差与变形分析[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000：161-163.

[3] 丁继新,杨志法，尹俊涛.天津市高精度GPS地面沉降监测网数据处理中的若干技术问题探讨[J].水文地质工程地质,2005(3):5-10.

[4] 姜衍祥.利用GPS监测地面沉降的精度分析[J].测绘科学，2006，26(5):70-75.

[5] 董克刚,易长荣,许才军,等.利用GPS监测天津市地面沉降的可行性研究[J].大地测量与地球动力学，2008，28(4):68-71.

[6] 崔希璋.广义测量平差[M].武汉：武汉大学出版社，2001：65-66，78-88.

Research on datum of monitoring land subsidence based on GPS

Wang Miao Lu Yang Yi Changrong

(TianjinLandSubsidenceControllingOffice,Tianjin300061,China)

In order to improve large-scope ground subsidence monitoring accuracy, the paper puts forward ground subsidence monitoring datum establishment with continuous GPS monitoring stations. That’s to say, it is to jointly measure common leveling monitoring points and GPS datum point, obtains monitoring network ground subsidence value through data processing model, and lists strict jointly processing formula of datum subsidence and leveling detection data. Through analyzing new Tianjin coastal region, it proves the method rational.

ground subsidence GPS, monitoring datum, leveling

2015-06-03

王 淼(1982- )，女，工程师； 陆 阳(1983- )，女，工程师； 易长荣(1982- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)23-0199-03

TU433

A