GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機(jī)理的研究

董思學(xué)，盛志鵬，鄭南山

(1. 浙江省第二測(cè)繪院，浙江 杭州 310012； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機(jī)理的研究

董思學(xué)1，盛志鵬1，鄭南山2

(1. 浙江省第二測(cè)繪院，浙江 杭州 310012； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為研究GNSS靜態(tài)觀測(cè)監(jiān)測(cè)大面積區(qū)域平原沉降機(jī)理，在杭嘉湖平原地區(qū)建立了由25個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并根據(jù)2008—2014連續(xù)6年的GNSS大地高與精密水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了GNSS靜態(tài)觀測(cè)方法的實(shí)際精度。結(jié)果表明：GNSS大地高變化可以替代精密水準(zhǔn)測(cè)量獲取水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)的沉降值，為研究大區(qū)域平面沉降監(jiān)測(cè)提供了有力支撐。

GNSS；沉降；平原

杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)工作僅限于嘉興城區(qū)為主的地面精密水準(zhǔn)測(cè)量，控制面積和傳遞精度不足，并且水準(zhǔn)測(cè)量人工成本高、工期長(zhǎng)，難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的需求，也不能滿足地面沉降機(jī)理研究、評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)預(yù)警設(shè)計(jì)的需要。因此建立起以GNSS區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)為骨干，城市建筑密集區(qū)精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為脈絡(luò)，重要地區(qū)建立基巖標(biāo)、分層標(biāo)的從城市到鄉(xiāng)村、由局部到區(qū)域、由地表到地下的系統(tǒng)的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，并實(shí)現(xiàn)地面沉降與地下水監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化管理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

為更好地利用GNSS測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)取兩個(gè)剖面進(jìn)行GNSS與水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)試驗(yàn)，進(jìn)而為評(píng)價(jià)整個(gè)平原的GNSS測(cè)量精度與更為合理的布設(shè)方案作準(zhǔn)備。

一、應(yīng)用GNSS監(jiān)測(cè)杭嘉湖平原沉降數(shù)據(jù)處理

1. 試驗(yàn)區(qū)GNSS與水準(zhǔn)共用點(diǎn)分布

GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度及位置除了必須滿足地質(zhì)分析的要求，還要將基準(zhǔn)點(diǎn)選擇在地質(zhì)條件穩(wěn)定的地方，最好是在基巖上，從而緊密地與周圍地面固聯(lián)在一起，有效反映地殼形變。為了保證各個(gè)點(diǎn)有效表達(dá)為GNSS與水準(zhǔn)共用點(diǎn)，點(diǎn)位四周高度角10°以上無(wú)成片障礙物，附近無(wú)大面積水域，并且要遠(yuǎn)離高壓電塔等[5]。

在圖1中，由25個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(Ⅰ01、Ⅰ02、…、Ⅰ25)組成GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)，由15個(gè)共用點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Ⅱ26、Ⅱ27、…、Ⅱ40)組成GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，最長(zhǎng)的基線邊長(zhǎng)不超過(guò)35 km。點(diǎn)位確定后，所有的觀測(cè)點(diǎn)均建造配備強(qiáng)制對(duì)中裝置的混凝土觀測(cè)墩。通過(guò)多年的精密水準(zhǔn)觀測(cè)和基準(zhǔn)分析，認(rèn)定Ⅰ07和Ⅰ21是穩(wěn)定的，將其作為起算基準(zhǔn)點(diǎn)解算整個(gè)GNSS網(wǎng)。

圖1　GNSS與水準(zhǔn)共用點(diǎn)分布圖

2. GNSS數(shù)據(jù)處理與精度分析

基線處理軟件采用GAMIT軟件。解算采用IGS精密星歷，使用前期穩(wěn)定的高精度Ⅰ07和Ⅰ21作為基準(zhǔn)點(diǎn)，利用AUTCLN模塊準(zhǔn)確修正觀測(cè)數(shù)據(jù)中的周跳并刪除大殘差觀測(cè)值得到干凈的X-文件，采用CVIEW模塊手工編輯質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)生成觀測(cè)方程和解算基線，得出每個(gè)時(shí)段的解。

(1) 基線處理與精度分析[6-8]

① 同步環(huán)檢核

由于GAMIT軟件采用的是全組合解，其同步環(huán)閉合差在基線解算時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了分配。對(duì)于GAMIT軟件基線解的同步環(huán)檢核，可以把基線解的nrms值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo)，一般要求nrms值小于0.5，不能大于1.0。本網(wǎng)共計(jì)算了25個(gè)基線文件，其中23個(gè)nrms值均小于0.5，最大的為0.681。這說(shuō)明GNSS網(wǎng)的整體外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量較高，基線解的精度較好。

② 重復(fù)基線

各時(shí)段解向量的重復(fù)性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。該網(wǎng)共有325組重復(fù)基線，有關(guān)整體重復(fù)性精度統(tǒng)計(jì)如下。

在經(jīng)過(guò)精化處理后，整體重復(fù)性在南北方向上為5.07 mm+2.59×10-8l，東西方向上為6.08 mm+3.57×10-8l，垂直方向?yàn)?3.01 mm+10.6×10-8l，基線長(zhǎng)度方向?yàn)?.21 mm+1.87×10-8l。按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)，對(duì)于GPS B級(jí)網(wǎng)，其固定誤差要≤8 mm，比例誤差要≤1×10-6D，由此可見(jiàn)，杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線處理的精度達(dá)到了技術(shù)設(shè)計(jì)的要求，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

③ 異步環(huán)檢核

GPS異步環(huán)閉合差反映的是整個(gè)GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性，相對(duì)于同步環(huán)閉合差，異步環(huán)閉合差對(duì)GPS成果質(zhì)量更為重要。

對(duì)于杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，共檢核由平差所用的獨(dú)立基線構(gòu)成的最簡(jiǎn)異步環(huán)186個(gè)。在檢核的異步環(huán)中，所有的異步環(huán)閉合差都小于國(guó)家GPS規(guī)范的要求。其中，絕對(duì)閉合差最大的異步環(huán)為Ⅰ01→Ⅰ10(3371)0001→HUZH(3371)0010→HUZH(3431)(括弧中的數(shù)字前3位為年積日，第4位為時(shí)段號(hào))，其X分量的閉合差為-0.012 3 m，Y分量的閉合差為-0.078 7 m，Z分量的閉合差為-0.019 0 m，位置的閉合差為0.082 m，位置的限差為0.335 m，其相對(duì)閉合差為0.750×10-6D；相對(duì)閉合差最大的異步環(huán)為Ⅰ09→Ⅱ28(3390)Ⅰ09→Ⅱ28(3390)，其相對(duì)閉合差為2.123×10-6D，X分量的閉合差為-0.010 6 m，Y分量的閉合差為-0.014 6 m，Z分量的閉合差為-0.031 9 m，位置的閉合差為0.029 m，而位置的限差為0.044 m。由此可見(jiàn)，所有的異步環(huán)均滿足規(guī)范要求。

(2) 網(wǎng)平差及其精度分析

各期本次三維平差基于ITRF框架，采用武漢大學(xué)研制的PowerAdj科研分析版(PowerNet)。使用各同步觀測(cè)網(wǎng)的227條獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測(cè)量進(jìn)行解算，通過(guò)對(duì)觀測(cè)量方差因子的調(diào)整，使得三維無(wú)約束平差結(jié)果的單位權(quán)中誤差通過(guò)χ2檢驗(yàn)。

① 三維無(wú)約束平差結(jié)果的精度分析

從表1和表2的統(tǒng)計(jì)可以看出，基線分量的改正數(shù)都較小。如果以改正數(shù)σ=0.010 m為中誤差，限差為兩倍的中誤差時(shí)，可以計(jì)算出真誤差Δ在區(qū)間(-2σ，2σ)的置信概率[7]為89.5%；如果限差為三倍的中誤差時(shí)，可以計(jì)算出真誤差Δ在區(qū)間(-3σ，3σ)的置信概率為97.6%。這就從定量分析上說(shuō)明觀測(cè)質(zhì)量較好，并且基線解的精度也較高。

表1　基線平差改正數(shù)統(tǒng)計(jì)　m

表2　改正數(shù)區(qū)間個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)　m

② ITRF坐標(biāo)框架下的三維約束平差精度分析

各期整體約束平差選用經(jīng)過(guò)前期穩(wěn)定性檢驗(yàn)的基巖點(diǎn)Ⅰ07和Ⅰ21作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并且引入高精度的武漢(WUHA)和上海(SHAO)的IGS站點(diǎn)[8]，消除因星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差。

杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)ITRF坐標(biāo)框架下的三維約束平差觀測(cè)邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2和表3所示，點(diǎn)位坐標(biāo)分量精度統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4和表5。

圖2　三維約束平差觀測(cè)邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)

<0.1×10-6D0.1～0.5×10-6D>0.5×10-6D1061165

表4　點(diǎn)位精度中誤差統(tǒng)計(jì)　m

表5　點(diǎn)位精度中誤差區(qū)間個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

由圖2和表3、4、5可知：①監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平均相對(duì)精度為0.132 6×10-6D，最弱邊(Ⅰ13-Ⅱ31)相對(duì)精度為0.968 7×10-6D，其邊長(zhǎng)為3 445.291 5 m；②坐標(biāo)分量在水平方向上的平均精度為0.006 2 m，在大地高方向?yàn)?.009 4 m。其中Ⅰ09、Ⅰ17、Ⅰ25等點(diǎn)的觀測(cè)條件不好，導(dǎo)致點(diǎn)位精度較差。最弱點(diǎn)為Ⅰ25，其水平精度為0.017 4 m，大地高精度為0.025 2 m。

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)，B級(jí)網(wǎng)邊長(zhǎng)的精度指標(biāo)為：固定誤差小于8 mm，比例誤差系數(shù)小于1×10-6D。由此可知，杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度優(yōu)于規(guī)范所規(guī)定的精度指標(biāo)，各期GNSS數(shù)據(jù)處理方案及精度均符合規(guī)范要求[9]。

二、GNSS監(jiān)測(cè)地面沉降成果分析

對(duì)多期的GNSS沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按文中步驟進(jìn)行嚴(yán)格處理，水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)按自由網(wǎng)平差，以消除各期觀測(cè)值之間的尺度和方位偏差，實(shí)現(xiàn)位置基準(zhǔn)、尺度基準(zhǔn)和方位基準(zhǔn)的統(tǒng)一，便于獲得高精度的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果[10]。本文主要對(duì)GNSS和水準(zhǔn)測(cè)量共用點(diǎn)的兩種測(cè)量方法的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并按對(duì)應(yīng)年份比較列于表6。

表6　沉降監(jiān)測(cè)剖面共用點(diǎn)沉降量表

續(xù)表6

注：表格內(nèi)“負(fù)號(hào)”表示下沉；中誤差σ表示大地高與水準(zhǔn)高表示的沉降量中誤差平方和開方。

從上述對(duì)照表可以看出：

1) 大地高沉降量中誤差普遍小于水準(zhǔn)測(cè)量的中誤差，除了個(gè)別點(diǎn)在不同年份受周圍觀測(cè)條件影響外，大多數(shù)在5 mm左右。最終的中誤差的數(shù)量級(jí)與兩者沉降之差的數(shù)量級(jí)一致，排除外符合精度的高低，在理論精度上可以判斷GNSS大地高監(jiān)測(cè)沉降的可行性。

2) 如果以水準(zhǔn)測(cè)量的沉降量為相對(duì)真值，2009年與2010年平均有90%以上的點(diǎn)沉降量為正值，表示地面有抬升現(xiàn)象，而GNSS大地高沉降量在2009年與2010年僅有30%的點(diǎn)沉降量為正值，平均相差20.5 mm，表示GNSS觀測(cè)有系統(tǒng)誤差存在。原因可能有兩個(gè)：一是假定的基準(zhǔn)點(diǎn)有抬升，可能使得GNSS測(cè)得的沉降量偏大；二是測(cè)量誤差，也可能造成影響。

3) 對(duì)比分析2010年與2009年的沉降可以看到，GNSS大地高與水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果趨勢(shì)性接近，并且差值與相應(yīng)的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的互差變小?？紤]排除系統(tǒng)差的情況，GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)的可靠性可以得到保證。

4) 水準(zhǔn)測(cè)量沉降值自2009年，沉降監(jiān)測(cè)剖面幾乎所有的點(diǎn)均有所抬升，至2012年達(dá)到最高點(diǎn)，如Ⅱ34抬升54 mm；GNSS大地高沉降值雖然有73%以上的點(diǎn)抬升，但少量點(diǎn)如Ⅱ37與Ⅱ38沉降不斷反復(fù)，剔除系統(tǒng)差依然表現(xiàn)為沉降反復(fù)，實(shí)地勘察兩地的觀測(cè)條件已不符合GNSS觀測(cè)要求，考慮重建共用點(diǎn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

1) 本文對(duì)杭嘉湖平原地區(qū)多期的GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與沉降分析進(jìn)行了研究，結(jié)合多期的精密水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，杭嘉湖平原的整體沉降自監(jiān)測(cè)時(shí)間起發(fā)生抬升現(xiàn)象，并且抬升自2012年起呈減緩趨勢(shì)。

2) 通過(guò)GNSS大地高變化，發(fā)現(xiàn)部分點(diǎn)沉降后反彈的趨勢(shì)非常明顯，在與精密水準(zhǔn)測(cè)量方法獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析后，發(fā)現(xiàn)GNSS大地高誤差有一定的系統(tǒng)性，考慮GNSS大地高觀測(cè)的精度，按誤差傳播定律，1 cm左右的變形對(duì)于觀測(cè)精度而言是不顯著的，這對(duì)變形分析下結(jié)論是需要考慮的因素。

3) 杭嘉湖平原地區(qū)沉降變化在近年來(lái)逐年變小，甚至達(dá)到毫米級(jí)以下。為了保證GNSS在杭嘉湖平原地面沉降監(jiān)測(cè)的精度及可靠性，在內(nèi)外業(yè)中，應(yīng)確保以下幾點(diǎn)：使用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩；根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)周邊環(huán)境的變化，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用高精度解算軟件GAMIT GLOBK進(jìn)行基線計(jì)算并與Bernese軟件基線解算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4) GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)可能包含一些偶然的誤差和未知的因素在內(nèi)，需要有長(zhǎng)年的、多期的數(shù)據(jù)綜合分析，才能更加精確地分析杭嘉湖平原地面沉降現(xiàn)象。如有可能，宜結(jié)合當(dāng)?shù)氐腎nSAR[11-12]數(shù)據(jù)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，確保節(jié)省水準(zhǔn)測(cè)量工作量的同時(shí)，得到準(zhǔn)確地沉降模型，做好沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)工作。

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Research on Hangjiahu Plain Subsidence Mechanism with GNSS

DONG Sixue，SHENG Zhipeng，ZHENG Nanshan

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0155.

2015-07-06

董思學(xué)(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事大地測(cè)量、地面移動(dòng)測(cè)量與GNSS微波遙感方面的工作。E-mail：danel2006@sina.com

P228.4

B

0494-0911(2016)05-0057-04

引文格式： 董思學(xué)，盛志鵬，鄭南山. GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降機(jī)理的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(5)：57-60.