基于寧波市三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的沉降監(jiān)測(cè)

吳 洋

(寧波市鎮(zhèn)海規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 寧波 315200)

0 引 言

傳統(tǒng)城市地面沉降監(jiān)測(cè)多使用一、二等水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行，觀測(cè)周期長(zhǎng)，經(jīng)費(fèi)高，效率相對(duì)低下。目前基于城市厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面精化成果和連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站系統(tǒng)(CORS)實(shí)時(shí)獲取高精度的三維空間信息正成為測(cè)繪領(lǐng)域的全新發(fā)展方向[1]。通過寧波市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(NBCORS)建設(shè)、基本高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)、似大地水準(zhǔn)面精化、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系聯(lián)測(cè)工作，寧波市構(gòu)建了三維動(dòng)態(tài)空間定位基準(zhǔn)體系[2-3]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于控制測(cè)量、工程測(cè)量、地籍測(cè)量等領(lǐng)域[4]，探討利用寧波市三維動(dòng)態(tài)空間定位基準(zhǔn)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)的可行性具有重要意義。

1 寧波市三維動(dòng)態(tài)空間定位基準(zhǔn)介紹

1.1 NBCORS

NBCORS由8個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)(寧波站、余姚站、鄞州站、大榭站、寧海站、象山站、石浦站和慈溪站)、一個(gè)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng)組成。NBCORS覆蓋面積約5 330 km2，完全覆蓋寧波市全境。經(jīng)過檢核，NBCORS平面中誤差為±1.5 cm，高程中誤差為±1.7 cm[5].

1.2 寧波似大地水準(zhǔn)面[3]

在NBCORS基準(zhǔn)框架下，綜合運(yùn)用了174 個(gè)GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)、3 673個(gè)重力點(diǎn)數(shù)據(jù)、航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(SRTM)高分辨率7.5"×7.5" 數(shù)字地面模型，以EIGEN03C 地球重力場(chǎng)模型作為參考重力場(chǎng)，采用了嚴(yán)密的顧及地球曲率的陸海統(tǒng)一算法，利用了第二類Helmert 凝集法，建立了2'×2'高分辨率、±1 cm的高精度似大地水準(zhǔn)面，經(jīng)全面檢核，寧波市似大地水準(zhǔn)面靜態(tài)GPS高程中誤差為±0.015 m，網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)高程中誤差為±0.022 m.

2 基于三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

寧波市地處濱海平原,海積軟土層分布廣泛，物理力學(xué)性質(zhì)差，地質(zhì)環(huán)境敏感。寧波市區(qū)自1964年發(fā)現(xiàn)地面沉降以來，到2006年地面沉降漏斗面積約260 km2，沉降中心區(qū)累計(jì)沉降量為504.4 mm.地面沉降已經(jīng)嚴(yán)重威脅寧波市的城市建設(shè)及基礎(chǔ)設(shè)施安全。

2.1 觀測(cè)方法

布設(shè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)時(shí)考慮了GPS觀測(cè)要求，且采用了強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于最近兩期的地面沉降觀測(cè)成果，分別由二等水準(zhǔn)、靜態(tài)GPS、NBCORS-RTK測(cè)量得到。靜態(tài)GPS測(cè)量以NBCORS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)為起算點(diǎn)，選取14個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)4 h，數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用寧波市似大地水準(zhǔn)面軟件，自動(dòng)計(jì)算GPS高程；使用NBCORS-RTK每點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量5次，分別采集60 s，共計(jì)測(cè)量14點(diǎn)，合計(jì)70點(diǎn)次，數(shù)據(jù)處理時(shí)利用Leica Geo Office(LGO)軟件，加載寧波市似大地水準(zhǔn)面精化模型，導(dǎo)入觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以直接獲取NBCORS-RTK高程；二等水準(zhǔn)測(cè)量使用S05級(jí)電子水準(zhǔn)儀及配套水準(zhǔn)尺，測(cè)量時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行GB/T12897-2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》。

2.2 精度分析

1)二等水準(zhǔn)測(cè)量精度

經(jīng)平差計(jì)算，寧波市地面沉降觀測(cè)兩期二等水準(zhǔn)單位全中誤差分別為±1.4 mm、±1.2 mm，最弱點(diǎn)高程中誤差分別為±0.8、±0.7 mm，滿足《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》要求，精度較高。與靜態(tài)GPS高程、NBCORS-RTK高程對(duì)比時(shí)可認(rèn)為二等水準(zhǔn)成果為真值。

2)靜態(tài)GPS高程精度

統(tǒng)計(jì)兩期28點(diǎn)次的靜態(tài)GPS高程數(shù)據(jù)，以地面沉降監(jiān)測(cè)(二等水準(zhǔn))高程為真值，計(jì)算靜態(tài)GPS高程中誤差為±1.02 cm.由于觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，NBCORS連續(xù)運(yùn)行參考站數(shù)據(jù)精度高，且采用了強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，靜態(tài)GPS高程精度稍高于寧波市似大地水準(zhǔn)面精度檢核結(jié)果[3]。

3)NBCORS-RTK高程精度

統(tǒng)計(jì)兩期140點(diǎn)次的NBCORS-RTK數(shù)據(jù)，與二等水準(zhǔn)高程對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 NBCORS-RTK高程統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以二等水準(zhǔn)高程為真值，計(jì)算NBCORS-RTK高程中誤差為±2.13 cm；先計(jì)算5次測(cè)量成果平均值，再計(jì)算NBCORS-RTK高程平均值中誤差為±1.74 cm.求取平均值后NBCORS-RTK高程精度有所提高。

2.3 可行性分析

2.3.1 相鄰沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)間高差精度分析

按照二等水準(zhǔn)觀測(cè)路線，統(tǒng)計(jì)相鄰沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的靜態(tài)GPS高差、NBCORS-RTK平均值高差與二等水準(zhǔn)高差間的較差，根據(jù)二等水準(zhǔn)測(cè)量距離，計(jì)算二等水準(zhǔn)限差，以二等水準(zhǔn)高差為真值，分析靜態(tài)GPS、NBCORS-RTK平均值高程達(dá)到的精度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

可以看出，高差較差精度與沉降觀測(cè)點(diǎn)間的距離無相關(guān)性，靜態(tài)GPS高差較差精度明顯高于NBCORS-RTK平均值高差較差。視二等水準(zhǔn)高差為真值，距離大于5km時(shí)，靜態(tài)GPS高程可滿足二等水準(zhǔn)精度要求；從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，在8 km以內(nèi)，NBCORS-RTK高程平均值難以滿足二等水準(zhǔn)限差要求。

表2 GPS高差、RTK平均值高差與二等水準(zhǔn)高差較差統(tǒng)計(jì)表

2.3.2 沉降量精度分析

視二等水準(zhǔn)沉降量為真值，統(tǒng)計(jì)14個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度，并計(jì)算沉降量中誤差，其中靜態(tài)GPS沉降量中誤差為±0.72 cm，NBCORS-RTK平均值沉降量中誤差為±1.48 cm.

可以看出，靜態(tài)GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度明顯高于對(duì)應(yīng)的高程精度，主要是根據(jù)兩次觀測(cè)高程求差計(jì)算沉降量時(shí)消除了寧波市似大地水準(zhǔn)面高程轉(zhuǎn)換帶來的誤差。

2.3.3 可行性分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)兩點(diǎn)間距離大于5 km時(shí)，基于寧波市三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的靜態(tài)GPS高程可以達(dá)到二等水準(zhǔn)精度，且誤差不隨距離增加而增大；靜態(tài)GPS測(cè)量沉降量中誤差為±0.72 cm.地面沉降監(jiān)測(cè)范圍廣，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，沉降量大。相對(duì)于數(shù)百甚至上千平方千米的范圍，連續(xù)幾十年的觀測(cè)時(shí)間，區(qū)域年均幾十毫米的沉降量，基于寧波市三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的靜態(tài)GPS測(cè)量可以滿足地面沉降觀測(cè)精度要求。

距離8 km以內(nèi)NBCORS-RTK高程平均值難以滿足二等水準(zhǔn)限差要求，NBCORS-RTK平均值沉降量中誤差為±1.48 cm，不能滿足地面沉降精度要求，不過對(duì)于大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的地面沉降監(jiān)測(cè)，NBCORS-RTK成果有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)束語

基于寧波市三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的靜態(tài)GPS高程中誤差為±1.02 cm，距離大于5 km時(shí)可滿足二等水準(zhǔn)精度要求，沉降量中誤差為±0.72 cm，可以滿足地面沉降觀測(cè)精度要求；NBCORS-RTK高程平均值中誤差為±1.74 cm，距離8 km以內(nèi)難以滿足二等水準(zhǔn)精度要求，沉降量中誤差為±1.48 cm，難以滿足地面沉降觀測(cè)精度要求，但在大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的地面沉降監(jiān)測(cè)中有一定的參考價(jià)值。

基于三維動(dòng)態(tài)定位基準(zhǔn)的靜態(tài)GPS進(jìn)行大范圍地面沉降監(jiān)測(cè)可以明顯提高效率，且能達(dá)到精密水準(zhǔn)測(cè)量的精度。但對(duì)于較小范圍、或沉降量較小區(qū)域，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，其精度有待進(jìn)一步研究。

[1]陳俊勇,李建成,寧津生,等.全國(guó)及部分省市地區(qū)高精度高分辨率大地水準(zhǔn)面的研究及其實(shí)施[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2006,31(4):283-288.

[2]施立群,張旭東.基于NBCORS的寧波市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)成果融合應(yīng)用研究[J].城市勘測(cè),2012(4):91-94.

[3]張文峰,張旭東.寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)及精度檢驗(yàn)[J].地理空間信息,2013,11(2):157-159.

[4]袁 崢,崔 逍,萬宏德.網(wǎng)絡(luò)RTK在寧波機(jī)場(chǎng)快速路工程首級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2011(10):32-34.

[5]許國(guó)安,梁燕飛,周靜君,等.寧波市網(wǎng)絡(luò)RTK應(yīng)用的可靠性及精度研究[J].測(cè)繪工程,2011,20(5):26-28.