GPS在滨海新区地面沉降监测中的应用研究

□ 王建营张琦（.天津市测绘院，天津西青30038；.天津市武清区规划建筑设计所，天津武清30700）

GPS在滨海新区地面沉降监测中的应用研究

□ 王建营1张琦2
（1.天津市测绘院，天津西青300381；2.天津市武清区规划建筑设计所，天津武清301700）

本文简要介绍了滨海新区沉降监测中GPS数据处理方案，研究了高精度GPS数据处理参数设置、数据处理中涉及到的成果精度评定。结合GPS基准站和一级GPS监测点数据进行区域地表形变监测数据处理及数据分析，通过数据分析，简单论述了滨海新区地面沉降分布发育情况以及引起滨海新区地面沉降的影响因素，找出数据之间存在的规律性，为今后滨海新区地面沉降防治与研究提供数据支持。

GPS高程；滨海新区；地表沉降；形变监测

0.引言

地面沉降是一种导致区域性地面高程降低的环境地质灾害，常发生在人口密集、工业发达的城市，具有沉降速度相对较慢难以明显察觉、危害面积广、破坏严重、几乎不可恢复性等特点，越来越引起人们的重视[1]。伴随着各种测量仪器、相关地面沉降监测技术方法的不断改进，地面沉降的自动化监测工作取得了巨大的进步，近年来兴起的GPS（Global Position System）技术应用于地面沉降监测已经成为一个热点研究课题[2]。

随着全球导航卫星系统 GNSS（Global Navigation Satellite System）技术的发展，很多国家和地区建立了GPS形变监测网，用于研究区域性地面沉降[3]。利用GPS建立大区域的形变监测网可有效地克服常规监测网的弊端。它以地心坐标系为参考系，很好地解决了各种形变监测的基准难题，而且GPS监测成果不存在误差累积[4]。

本文从理论上探讨正高、正常高与大地高以及地面沉降量的关系，论述了由GPS和精密水准测量所获得的地面沉降量在理论上的一致性。

并将GPS测量技术应用于滨海新区地面沉降监测的实践中，通过GPS测量结果与一等水准测量结果的对比分析，从而论证了采用GPS测量方法可以用于大范围的地面沉降监测。

本文简要介绍了滨海新区GPS形变监测网的布设和GPS数据处理方案，研究了高精度GPS数据处理参数设置、数据处理中涉及到的成果精度评定。结合滨海新区范围内的GPS基准站和一级GPS监测点数据进行区域地表形变监测数据处理及数据分析，通过数据分析，简单论述了全市地面沉降分布发育情况以及引起滨海新区地面沉降的影响因素，找出数据之间存在的规律性，为今后滨海新区地面沉降防治与研究提供数据支持。

1.数据采集

滨海新区地面沉降GPS监测网络由GPS基准站网和一级GPS监测网两部分组成。滨海新区及周边共有3座GPS基准站和10个一级GPS监测点，基本形成了GPS监测的骨干网络体系。3个GPS连续运行基准站10个一级GPS监测点位置分布如图1所示，图中，CH02、KC01以及TJA1为连续运行基准站，其余为一级GPS监测点。

图1 滨海新区GPS监测网1络点位分布图

3个GPS连续运行参考站属于市GPS连续运行参考站网，实行全天候长期监测，数据自动采集。10个一级GPS监测点每年11月进行外业测量1次。监测网布设观测采用参照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2009）B级GPS网相关技术要求，基于GPS连续运行基准站网的点观测模式。每个监测点连续监测3个时段，共计72小时，采样率设定30秒[5]。各批次涉及点同步观测，各站点平均距离约为50km。

2.数据处理

数据处理包括监测站基线解算以及平差处理两部分。

2.1 基线处理

原始数据采集并整理完成以后，选择适当数量的IGS站数据，并使用精密星历解算GPS数据，可求得高精度基线向量和测站坐标。GPS基线解算是基于 Linux fedora 16平台上运行GAMIT软件完成的。

表1 控制参数设置

2.2 平差处理

对GPS基线处理结果的平差方法是利用GLOBK软件对GAMIT软件计算的单天结果进行平差处理，使用数据是GAMIT软件解算产生的H文件，处理结果给出最终的GPS测站坐标和精度评定及速率和精度评定。

此次GPS观测结果的数据处理中，平差计算使用的软件是GLOBK软件5.18版本。计算方案为。

（1）对本期数据的GAMIT计算结果分别进行单期的平差合并处理，计算出的GPS测站坐标的最佳估计值和它的精度估计值。

（2）坐标参考框架为ITRF2005全球坐标系统框架，使用ITRF2005系统的核心观测站的坐标和坐标运动速率为坐标系统平差控制参数。对核心站的坐标给予强约束，东西向和南北向为5mm，竖向为10mm，对坐标运动速率给予东西向和南北向约束为2mm/a，竖向为5mm/a[6]。本次数据处理中ITRF2005系统的核心观测站有6个，它们分别是：SHAO、BJFS、USUD、IRKT、YSSK、POL2。对其余的GPS观测站的坐标和坐标运动速率给予松约束，坐标东西向和南北向约束为10m，竖向为10m，速度约束为东西向和南北向为10mm/a，竖向为100mm/a[7]。

3.沉降提取

水准测量测得的是正常高的变化，而GPS测得的是大地高的变化，同一个点上的正常高与大地高是不同的，两者不能直接比较。同一个点上正常高的变化Δh与大地高的变化ΔU两者存在如下关系。

其中cosa是该点上垂线偏差的余弦。由于天津地区a很小（一般在几十秒的量级），因此可以直接用ΔU代替Δh表示地面沉降的变化，即直接将GPS测得的大地高的变化代替水准测量正常高的变化。于是，可用周期监测的大地高变化量来表示当年该点的沉降。

2013年沉降量值由2013年与2012年GPS站点大地高相减所得。根据2012～2013年GPS解算成果年度沉降值表，做出2012～2013年沉降速率等值线图，如图2所示。

图2 2012-2013年滨海新区地面沉降速率等值线图

从图2可以得知，2012～2013年下沉量最大的GPS点为TJA1，沉降值达到了-85.4mm，下沉值最小的为TJ10，沉降值为-6.2mm，滨海新区所有GPS点沉降量平均值为-35.83mm。

4.成果比较

由上节可知，两期GPS测量所获得大地高变化量ΔU表示地面沉降量，与应用两期精密水准测量方法所获得的正常高变化量Δh表示地

面沉降量，在变化趋势上基本一致。为了进一步比较2012～2013年GPS测量成果与水准测量成果的一致性，特从相关部门收集到2012年与2013年部分GPS监测点水准测量成果，通过对比分析，二者较差见表2。

表2 GPS测量与水准测量成果较差表

从表2可知，GPS测量成果与水准测量成果二者较差小于±5mm的站点有5个，占比为50%；较差介于5-10mm之间的站点有3个，占比30%；较差介于10-20mm之间的站点有2个，占比20%;较差大于20mm的站点有2个。统计以上数据可知，80%的站点较差小于10mm，充分说明数据解算的高精度和可靠性。两种测量方法成果较差分段统计图如图3所示。

图3 GPS测量成果与水准测量成果较差占比图

有研究文章指出，通过十年GPS沉降监测数据试验，全天津市GPS测量大地高变化与水准测量大沽高变化之差的均值约为10mm。因此，表2里80%的对比结果正常。对比结果大于15mm只有TJA1。仔细分析TJA1站GPS测量与水准测量之差差异大的原因，有以下三条：一是GPS观测数据质量不好，GPS信号产生多路径效应，影响了数据观测质量；二是地质环境改变，TJA1周围2013年5月有大型建筑工地开工，沉降加剧；三是水准观测与GPS观测不完全同步。由此造成水准观测与GPS测量之间差异。

通过不同监测方法比较，GPS监测精度满足要求，可以应用于滨海新区地面沉降监测，一是GPS监测能实现自动化，大大节省了人力物力财力；二是它以地心坐标系为参考系，很好地解决了形变监测的基准难题；三是GPS监测不像水准测量存在误差累积的现象，使得监测成果更接近于沉降真值。

5.结论

本文通过同期水准监测数据和GPS监测数据对比，经过统计分析，验证了GPS监测技术应用于地面沉降监测的可行性。

从2012～2013年滨海新区沉降等值线图，得出滨海新区沉降概况。基本情况是以TJA1为中心，沉降逐渐扩散，中间沉降大，周边沉降逐步减小。

通过GPS连续运行基准站观测结果可知，基准站所在地区地面沉降呈线性下沉，无法恢复。

[1]许才军，张朝玉等．地壳形变测量与数据处理[M]．武汉：武汉大学出版社，2009（10）．

[2]许曙光，刘树臣等．国内外地面沉降研究动向[A]．第六届地面沉降论文集，2001．

[3]崔振东，唐益群．国内外地面沉降现状与研究[J]．西北地质学报，2009，29（03）：275-278．

[4]GB/T 18314-2009．全球定位系统（GPS）测量规范[S]．北京：中国标准出版社，2009．

[5]董克刚，易长荣．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（04）：68-71．

[6]黄立人，武艳强等．GPS连续站在地面沉降监测中的应用[J].工程地质学报，2005，S1(13)：94-97．

[7]任立生，黄立人等．天津GPS沉降监测的十年试验结果[J]．测绘科学，2006，31(04)：17-19．

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2095-7319（2015）03-0062-05

王建营（1981—），男，双学士，工程师，天津市测绘院，现在主要从事GNSS应用研究。