基于常州CORS的常州三维速度场分析

刘全海，王琰开

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)



基于常州CORS的常州三维速度场分析

刘全海1，2*，王琰开1，2

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)

利用GAMIT/GLOBK软件处理了常州CORS参考站2008年5月～2012年10月持续2.5a的数据，获取了参考站的三维坐标时间序列和速度场，分析了常州地壳的水平和垂直运动。结果表明，常州CORS参考站在ITRF2008框架下水平方向运动的平均速率为 35.55 mm·a-1，方向为E20.55°S；垂直方向上，WJIN站表现出较明显的沉降趋势，速率为 13.97 mm·a-1，其余站表现为小幅向上抬升，平均速率为 3.77 mm·a-1，将BTBX站和WJIN站的估算结果与城市二等水准测量成果进行了对比验证。

CORS；ITRF2008；速度场；地面沉降

1 引 言

全球定位系统(GPS)观测可提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据，为精确研究地壳运动规律开辟了重要的新途径，已广泛应用于地壳的水平和垂直运动研究中[1～3]。CORS是一种重要的采集空间地理信息的基础设施，它能提供长期、连续、稳定的GPS观测数据。自2000年深圳市建立CORS以来，我国许多城市已陆续建立起区域的CORS网，常州CORS(CZCORS)于2006年建成[4]，初期包含均匀分布全市的4个参考站，为利用GPS技术研究常州的地壳运动提供了大量的基础数据。

常州地处长江下游南岸，属高沙平原，山丘平圩建有。南为天目山余脉，西为茅山山脉，北为镇山脉尾部，中部和东部为宽广的平原、圩区，地质状况相对较为简单。但由于地下水的大量开采，使常州的武进区成为全国闻名的沉降漏斗区。本文利用CZCORS数据研究了常州的水平和垂直速度场，为揭示常州的地壳运动规律提供了有力的依据。

2 数据处理

本文的研究对象为CZCORS 4个参考站2008年5月～2012年10月的观测数据(分别是新北区的BTBX站、武进区的WJIN站、金坛区的JTAN站和溧阳市的LYNG站)。为了获得各参考站在全球框架下的速度场，本文引入了6个全球IGS(International GNSS Service)永久跟踪站的同期观测数据。数据处理采用GAMIT/GLOBK(Ver. 10.5)软件[5]，主要分为两步：采用GAMIT软件进行单天解的解算，估计测站位置、轨道等参数；采用GLOBK软件获取各参考站的坐标时间序列和速度场。

(1)基线解算策略为：

①选取我国大陆和台湾的6个IGS(International GNSS Service)永久跟踪站(BJFS、SHAO、WUHN、XIAN、TNML、TWTF)作为参考基准；

②采用无电离层组合的LC双差观测值，并根据验后相位残差重新定权；

③采用从IGS获得的精密星历和地球旋转参数，并给予适当约束；

④同时解算测站坐标和卫星轨道；

⑤历元间隔为30 s，截止高度角设为15°；

⑥对流层延迟改正选用维也纳映射函数，每 2 h估计1个天顶湿延迟参数，每天估计两对水平梯度参数；

⑦卫星和接收机天线相位中心改正采用IGS相位中心改正模型；

⑧固体潮、极潮、海潮等潮汐改正采用GAMIT软件提供的模型。

(2)采用GLOBK软件综合单日松弛解，并以IGS基准站在国际地球参考框架2008(ITRF2008)下的坐标和速度为基准，获取CZCORS各参考站的坐标时间序列，并估算其三维速度。

3 CZCORS速度场分析

当一个GPS测站的数据不少于2个，且历元间隔不小于0.9 a时，可以估算其速度。GLOBK软件解算结果所描述的是测站的位移和速度，位移表示的是测站在瞬时历元相对于参考历元的坐标偏移量，速度表示测站向某一方向运动的平均速率，其值等于测站坐标时间序列线性拟合结果的斜率。

通过数据处理，获取了CZCORS4个参考站在ITRF2008框架下的单日解坐标时间序列，如图1所示，图中从上至下依次为各参考站在N、E、U方向上的坐标分量时间序列。通过对图1中各坐标时间序列进行线性拟合可得到4个参考站在N、E、U方向上的速率。

图1 CZCORS参考站坐标时间序列

3.1 水平速度场

根据图1的结果本文绘制了CZCORS参考站在ITRF2008框架下的水平速度场，如图2所示。图2中箭头的方向代表参考站的运动方向，箭头的长度表示运动速率。

图2 ITRF2008框架下CZCORS参考站水平方向速度场

从图2可以看出，CZCORS参考站的水平运动趋势一致，在ITRF2008框架下向东南方向运动，这与前人的研究成果一致[6-8]。表1给出了各参考站在ITRF2008框架下的三维速度估值与中误差，表2给出了其统计信息。

ITRF2008框架下CZCORS参考站三维速度估值与中误差/(mm·a-1) 表1

ITRF2008框架下CZCORS参考站三维速度估值与中误差统计信息/(mm·a-1) 表2

由表1、表2可知，本文获取的CZCORS各参考站在ITRF2008框架下的三维速度精度较高，N、E方向均优于 0.1 mm·a-1，U方向优于 0.3 mm·a-1，且N、E方向的速度精度优于U方向。各参考站在N、E方向上的速度较为接近，N方向最大为 -12.11 mm·a-1，最小为 -13.06 mm·a-1，平均为 -12.48 mm·a-1，E方向大为 33.70 mm·a-1，最小为 33.08 mm·a-1，平均为 33.29 mm·a-1。水平方向运动的平均速率为 35.55 mm·a-1，方向为E20.55°S。

3.2 垂直速度场

结合图1和表1可以看出，与水平速度场趋于一致不同，4个参考站在垂直方向上的运动呈现出明显的不同。BTBX、JTAN、LYNG三个参考站在垂直方向的运动趋势为向上抬升，上升的速度分别为 4.06 mm·a-1、 3.68 mm·a-1、3.57 mm·a-1。但WJIN站具有明显的沉降趋势，其速度达 13.97 mm·a-1。由于GPS定位在高程方向的精度仅有平面的约1/3～1/2，且各参考站均建在屋顶，季节性的温度变化等因素也会在一定程度上影响参考站在垂直方向上的运动，因此仅通过GPS解算确定参考站的地面沉降在可靠性上往往不能保证。将ITRF2008框架下参考站垂直方向上的运动速率与城市二等水准不同期的成果进行对比分析、相互验证，可以为研究城市CORS参考站垂直方向上的运动提供参考。

我们获取了常州市每2年一次的城市二等水准测量成果，在BTBX和WJIN站附近各选取了距离最近的2个二等水准点(相对位置关系如图3所示)，对比其2008年～2012年的沉降情况(二等水准覆盖范围不包括金坛和溧阳，因此本文无法验证)，如表3所示。

图3 距WJIN、BTBX站最近二等水准点方位示意图二等水准点2008年～2012年沉降统计表 表3

从表3可以看出，BTBX站附近两个水准点从2008年～2012年有小幅沉降，但平均速率仅为 -0.75 mm·a-1，这与本文估算的BTBX站垂直方向的速率略有差异，而WJIN站附近两个水准点的沉降较为明显，沉降速率分别为 18.6 mm·a-1和 8.1 mm·a-1，本文估算的WJIN站垂直方向的速率 13.97 mm·a-1介于两者之间，这在一定程度上验证了本文对CZCORS参考站在ITRF2008框架下垂直方向速度场分析的准确性与可靠性。WJIN站所处的常州市武进区，人口密集、工农业发达，随着乡镇企业的迅猛发展，对地下水需求量的不断增加导致地下水的过量开采，引起地下水位持续下降，形成了区域性的降落漏斗，使得地面高程不断下降而产生地面沉降[9]。

4 结 论

本文采用GAMIT/GLOBK软件处理了CZCORS 4个参考站2008年5月～2012年10月的GPS观测数据以及我国6个IGS基准站的同期数据，确定了CZCORS参考站在ITRF2008框架下的水平速度场和垂直速度场，并进行了分析。结果表明，CZCORS参考站在ITRF2008框架下的平均水平运动速率为 35.55 mm·a-1，方向为E20.55°S；在垂直方向上，位于新北、金坛和溧阳参考站表现为小幅向上抬升，平均速率为 3.77 mm·a-1，武进站呈现出较为明显的沉降趋势，速率为 13.97 mm·a-1，考虑到GPS垂直方向定位精度较低、参考站季节性温度变化等因素的影响，将BTBX、WJIN站的结果与城市二等水准成果进行了对比验证，从定性的角度验证了本文垂直速度场的分析。

本文所研究的4个参考站是在CZCORS建立初期建成的，具有时间跨度较长的GPS观测数据，但参考站间平均距离近 40 km，分布密度不够。截至2015年底，CZCORS已建成10个参考站，站间距离更小，分布更密。下一步将基于更多个参考站进行速度场的研究，尤其是在垂直方向上，同时结合更大范围的城市二等水准测量以及InSAR等现代测量技术进行验证，会得到更具说服力的结果。

[1] Hager B H，King R E，Murray M H. Measurement of Crustal Deformation Using Global Positioning System[J]. Annu Rev Earth Planet Sci，1991，19： 351～382.

[2] Larson K M，Freymueller J，Philipsen S. Global Plate Velocities from the Global Positioning System[J]. J Geophys Res，1997，102(B5)：9961～9981.

[3] 王琪. 用GPS监测中国大陆现今地壳运动：变形速度场与构造解释[D]. 武汉：武汉大学，2004.

[4] 庄文彬，刘全海，谢中华. 常州市连续运行卫星定位服务系统的建设及关键技术研究[J]. 城市勘测，2007(3)：13～16，31.[5] 王敏，沈正康，牛之俊等. 现今中国大陆地壳运动与活动块体模型[J]. 中国科学(D辑)，2003，33(Z1)：21～31.

[6] 曾波，张彦芬，姜卫平等. 山西CORS网基准站速度场分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2012，37(12)：1401～1404.[7] 袁鹏，孙宏飞，秦昌威等. 安徽CORS参考站三维速度场分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2016，41(4)：0535～0540.

[8] 张云. 苏南地区地面沉降概述[J]. 地质灾害与环境保护，2010(2)：66-72.

Analysis of Changzhou 3D Velocity Filed on the Basis of CORS

Liu Quanhai1，2，Wang Yankai1，2

(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou City Geographic Information Technology Center，Changzhou 213003，China)

GPS data from Changzhou Continuously Operating

tations (CZCORS) during the period of 2008-05 and 2012-10 were processed using GAMIT/GLOBK software then the 3D coordinate time series and velocity field were determined. Horizontal and vertical crustal movement of Changzhou was analyzed on the basis of the time series and velocity field. Results show that the absolute horizontal velocity of CZCORS stations move at 35.55mm·a-1on average in the direction of E20.55°S under the ITRF2008 reference frame. As for the vertical velocity field，CZCORS stations except for WJIN station uplift slightly with a 3.77mm·a-1speed while WJIN station subside obviously with the speed of 13.97 mm·a-1. The vertical velocity of BTBX and WJIN stationswas compared and verificated with the results of Second-class leveling.

CORS；ITRF2008；velocity field；land subsidence

1672-8262(2016)05-83-04

P228

A

2016—07—20

刘全海(1972—)，男，博士，研究员级高级工程师，主要研究方向为智慧城市建设理论、现代大地测量基准等。

住房和城乡建设部科学技术项目计划(项目编号 2013-k8-5)；常州市科技计划(应用基础研究)(项目编号CJ20130038)。