基于GNSS的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及精度分析

高彥濤 王軍見 許紅偉 王金娜

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南鄭州450006；2.河南省測繪工程院，河南鄭州450003）

基于GNSS的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及精度分析

高彥濤1王軍見1許紅偉2王金娜1

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南鄭州450006；2.河南省測繪工程院，河南鄭州450003）

以開封市地面沉降監(jiān)測為例，對監(jiān)測過程中GNSS網(wǎng)布設(shè)、基線處理、網(wǎng)平差及常見問題等進(jìn)行了分析論證，

并最終與水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了GNSS的監(jiān)測精度達(dá)到厘米級，取得了應(yīng)有的監(jiān)測效果，從而給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監(jiān)測的監(jiān)測方法。

GNSS；GAMIT；Cosa；地面沉降

引言

河南是我國地面沉降較為嚴(yán)重的省份之一，地面沉降主要分布在豫北平原及鄭州、開封、洛陽、許昌、濮陽、安陽、新鄉(xiāng)等多個城市。目前豫北平原最大沉降速率在40mm/年以下，大部分地區(qū)小于10mm/年，沉降速率10～20mm/年的區(qū)域面積為3486.3km2，沉降速率大于20mm/年的區(qū)域面積為55.9km2。地面沉降速率總體相對較小，但范圍擴(kuò)大；鄭汴新區(qū)最大沉降速率60.2mm/年，位于中牟縣劉集—大孟一帶[1]。

為此，河南省從2012年開始建立健全地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前，主要在鄭州、洛陽及開封等主要城市和鄭汴新區(qū)建立了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，共建設(shè)1個地面沉降監(jiān)測站、1座基巖標(biāo)、1組分層標(biāo)、597個水準(zhǔn)點(diǎn)、105個GNSS（Global Navigation Satellite System,簡稱GNSS）監(jiān)測點(diǎn)和385個地下水監(jiān)測點(diǎn)，初步構(gòu)建了由基巖標(biāo)、分層標(biāo)、水準(zhǔn)和GNSS監(jiān)測網(wǎng)及地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，輔以InSAR空間觀測系統(tǒng)組成的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)了地面沉降立體監(jiān)測和局部分層標(biāo)組的實(shí)時監(jiān)控，為地面沉降防治工作奠定了基礎(chǔ)。2013～2016年開封市采用InSAR監(jiān)測、水準(zhǔn)監(jiān)測、GNSS觀測及地下水動態(tài)監(jiān)測等多手段相結(jié)合開展了大范圍地面沉降監(jiān)測，并獲得了多種手段的監(jiān)測結(jié)果。同時，隨著新一代衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，GNSS技術(shù)以其全天候、高精度、高時空采樣率、三維動態(tài)等特點(diǎn)在大壩監(jiān)測、板塊運(yùn)動、滑坡監(jiān)測等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其平面精度可達(dá)±1～2mm或10-9（相對精度），高程精度也可達(dá)±2～6mm[2]。本文以2015～2016年開封市地面沉降GNSS觀測數(shù)據(jù)處理為實(shí)例，詳細(xì)介紹基于GNSS的城市地面沉降數(shù)據(jù)處理過程及精度分析，同時，為了盡可能地保證GNSS觀測能夠滿足大范圍地面沉降毫米級的監(jiān)測精度要求，針對GNSS布網(wǎng)模式、觀測方式、數(shù)據(jù)處理方法及誤差消除等問題進(jìn)行了探討，并給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監(jiān)測的監(jiān)測方法及常見問題解決方法。

1 開封市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計與實(shí)施

1.1 水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)

2016年12月組織完成了開封市一、二等水準(zhǔn)測量工作，共完成一等水準(zhǔn)測量185km，二等水準(zhǔn)測量150km，共聯(lián)測普通監(jiān)測點(diǎn)132個、基巖標(biāo)1個、分層標(biāo)6個、孔隙水監(jiān)測孔標(biāo)4個。

一等水準(zhǔn)測量作為首級監(jiān)測控制網(wǎng)，沿工作區(qū)外圍、東西南北走向的主要道路的B級GNSS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)組成一等水準(zhǔn)網(wǎng)，然后在一等水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)組成二等水準(zhǔn)附合水準(zhǔn)網(wǎng)，見圖1。

圖1 2015年地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)路線圖

1.2 GNSS監(jiān)測網(wǎng)

開封市地面沉降GNSS監(jiān)測采用兩級布網(wǎng)的方式構(gòu)網(wǎng)，一級網(wǎng)為基準(zhǔn)網(wǎng)(見圖2)，由3個最近的HNGICS（河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運(yùn)行系統(tǒng)）基準(zhǔn)站作為基準(zhǔn)，分別是KFKF（開封）、XXCY（長垣）、ZZZM（中牟）3個基準(zhǔn)站。二級GNSS網(wǎng)為地面沉降B級GNSS監(jiān)測網(wǎng)，由分布在工作區(qū)范圍內(nèi)的B級GNSS監(jiān)測點(diǎn)組成，2016年共觀測24個B級GNSS點(diǎn)（“魏都路小學(xué)”“汴京公園”因被破壞未觀測，“新于良寨”因被破壞以臨近點(diǎn)位代替，“小莊”因上標(biāo)石被破壞替代觀測下標(biāo)石，另增加了“新蘆花崗”“魁莊南”等觀測點(diǎn)位）。采用GNSS靜態(tài)觀測的形式構(gòu)建地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測地面沉降的三維形變信息。

圖2 2016年地面沉降GNSS監(jiān)測網(wǎng)圖

2016年10月下旬至11月初組織完成了開封市B級GNSS監(jiān)測工作，共監(jiān)測24個B級GNSS點(diǎn)，12個觀測時段，72個觀測點(diǎn)次。

2 GNSS監(jiān)測的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.1 GNSS基線向量解算

基線解的精度是保證監(jiān)測成果可靠性的基礎(chǔ)，因此，基線向量解算采用了著名的GAMIT精密求解軟件進(jìn)行GNSS基線向量解算。為了得到每監(jiān)測時段的精確基線解，主要采取了如下技術(shù)手段：

① 衛(wèi)星鐘差的模型改正使用國際IGS站提供的衛(wèi)星鐘差參數(shù)；

② 衛(wèi)星星歷采用IGS提供的衛(wèi)星精密星歷；

③ 根據(jù)偽距觀測值計算出接收機(jī)鐘差進(jìn)行鐘差的模型改正；

④ 電離層折射延遲用LC觀測值消除；

⑤ 對流層折射根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型用Saastamoinen模型改正，采用分段線性的方法估算對流層折射參數(shù)，且每一小時或兩小時估計一個參數(shù)，映射函數(shù)采用全球GMF模型；

⑥ 衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心改正采用IGS絕對相位中心改正；

⑦ 參考框架為ITRF（International Terrestrial Reference Frame）框架，慣性框架采用J2000，基線解算模式為固定解（BASELINE）[3]。

解算時，以GNSS監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行基線解算，并對其坐標(biāo)給以5mm約束，其余監(jiān)測點(diǎn)根據(jù)給定的概略坐標(biāo)給以約束，基線向量的解算采用IGS提供的精密星歷。單時段解算所用的參數(shù)設(shè)置和模型與基準(zhǔn)點(diǎn)解算時一致，只是對流層延遲參數(shù)根據(jù)觀測時段的長短有所改變，一小時估計一個或兩小時估計一個?；€向量解算完畢后，需進(jìn)行殘差分析與質(zhì)量檢驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)、修正、刪除不合格成果。

2.2 GNSS基線向量解算常見問題及處理

（1）配置文件

Gamit數(shù)據(jù)處理配置文件主要包括station.info、sittbl.short、sestbl.、lfile.等，其中station.info為觀測站點(diǎn)信息，主要包括Station Name（站名）、Session Start（開始時間）、Session Stop（結(jié)束時間）、Ant Ht（天線高）、HtCod（天線高改正類型）、Receiver Type（接收機(jī)類型）、Antenna Type（天線類型）等幾個重要參數(shù)，大部分參數(shù)可以直接提取，但是Antenna Type不一定能夠自動提取成功，需要根據(jù)rcvant.dat文件查詢天線類型的標(biāo)準(zhǔn)名稱[4]。

sittbl.short主要是站點(diǎn)約束，對于已知點(diǎn)一般平面約束為0.050m，高程約束為0.10m，其他不作約束。

sestbl.的設(shè)置很關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)際解算結(jié)果對比分析，從而確定最優(yōu)設(shè)置。

lfile.為所有GNSS觀測點(diǎn)的概略坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般從O文件提取，同時對于已知點(diǎn)需要采用已知三維坐標(biāo)覆蓋更新。

（2）儀器高出現(xiàn)錯誤

儀器高出現(xiàn)錯誤在GNSS觀測過程中會經(jīng)常碰到，而且在Gamit解算過程中很難發(fā)現(xiàn)，但是在使用CosaGPS（可傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件，簡稱CosaGPS）網(wǎng)平差過程不通過，檢查異步環(huán)找出問題所在，重新設(shè)置儀器高進(jìn)行解算。

（3）站點(diǎn)名出現(xiàn)錯誤

站點(diǎn)名稱出現(xiàn)錯誤直接導(dǎo)致不同時段處理時lfile.文件里面概略坐標(biāo)錯誤，Gamit解算過程中會出現(xiàn)WARNING: MODEL/avclck: RCLOCK from PRN04 at epoch 452，同時平差時GPS三維基線向量（簡稱GPS 3D Vector）中與錯誤站點(diǎn)有關(guān)的各個分量的方差-協(xié)方差出現(xiàn)異常值，并且網(wǎng)平差不能通過。解決辦法是：將有問題的站點(diǎn)重新進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并重新解算。

3 GNSS基線網(wǎng)平差

GNSS基線網(wǎng)采用CosaGPS進(jìn)行網(wǎng)平差。平差時，首先利用KFKF（開封）、XXCY（長垣）、ZZZM（中牟）三個基準(zhǔn)站進(jìn)行約束[5]，進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)平差，獲得測區(qū)基準(zhǔn)點(diǎn)LSLY(烈士陵園)的精確坐標(biāo)；然后約束基準(zhǔn)點(diǎn)LSLY，進(jìn)行監(jiān)測網(wǎng)的平差，從而獲得24個B級GNSS監(jiān)測點(diǎn)的精確坐標(biāo)。三維約束平差結(jié)果，將獲得各GNSS網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)在國際地球參考框架下的三維地心坐標(biāo)。

盡管通過基線處理過程中已經(jīng)消除了大部分誤差，但是由于GNSS觀測過程中，仍然存在儀器對中誤差、基線處理誤差、數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量等問題引起的誤差，很難完全消除，因此，根據(jù)平差結(jié)果的觀測值改正數(shù)PVV和單位權(quán)中誤差M0來判定平差效果，為了取得更好的效果需要仔細(xì)比較重復(fù)基線的解算精度，選擇解算精度高的基線，刪除效果差的基線，從而進(jìn)一步改進(jìn)平差效果，提高網(wǎng)平差精度。以開封2016年為例，解算最終結(jié)果觀測值改正數(shù)PVV=33.725cm^2、單位權(quán)中誤差M0=0.323(cm)，根據(jù)MX=0.17cm、MY=0.28cm、MZ= 0.21cm，得出MP=0.39cm。GNSS網(wǎng)平差結(jié)果中，GNSS基線邊的精度達(dá)到10-8，點(diǎn)位水平方向精度優(yōu)于±3mm，垂直方向精度應(yīng)優(yōu)于±3mm。

4 GNSS監(jiān)測與水準(zhǔn)監(jiān)測對比分析

傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量以其精度高、可靠等特點(diǎn)一直以來作為地面沉降監(jiān)測的主要監(jiān)測手段，尤其是開封市地面沉降采用一、二等水準(zhǔn)測量進(jìn)行監(jiān)測，滿足DZ/T 0283—2015《地面沉降調(diào)查與監(jiān)測規(guī)范》要求，因此，為了驗(yàn)證GNSS監(jiān)測結(jié)果的可靠性，在不考慮水準(zhǔn)測量誤差的基礎(chǔ)上與水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。

根據(jù)2016年度內(nèi)GNSS監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)測量的監(jiān)測結(jié)果，選擇具有同步觀測14個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，水準(zhǔn)與GNSS監(jiān)測結(jié)果互差在5mm范圍內(nèi)的有6個，占43%；5～10mm的2個，占14%；10～15mm的2個，占36%；大于15mm的1個，占7%（見表1）。從而可以看出，GNSS監(jiān)測與水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果對比60%誤差都在10mm范圍之內(nèi)，少部分誤差大于10mm，但都在20mm以內(nèi)，因此在大范圍城市地面沉降監(jiān)測中GNSS監(jiān)測與水準(zhǔn)測量相比不僅大大節(jié)省了人力、物力，經(jīng)過精密GNSS數(shù)據(jù)處理及誤差分析，能夠滿足地面沉降監(jiān)測的需要。

表1 GNSS監(jiān)測與水準(zhǔn)監(jiān)測對比結(jié)果

5 總結(jié)

以開封市地面沉降監(jiān)測為例，對GNSS網(wǎng)布設(shè)、數(shù)據(jù)處理過程中問題及精度分析等進(jìn)行了詳細(xì)的分析論證，并最終與水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了GNSS的監(jiān)測精度，取得了應(yīng)有的監(jiān)測效果，從而給出了以GNSS開展城市大范圍地面沉降監(jiān)測的監(jiān)測方法及常見問題解決方法，具有一定的參考價值。

[1]謝海瀾，鄭錦娜．區(qū)域性地面沉降研究現(xiàn)狀[J]．地質(zhì)調(diào)查與研究，2009，33(3)．78-82．

[2]張勤，王利，黃觀文，等．區(qū)域地面沉降高精度GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究[C]//第十三屆中國科協(xié)年會第12分會場．測繪服務(wù)災(zāi)害與應(yīng)急管理學(xué)術(shù)研討會論文集．2011．

[3]趙桂儒．基于GAMIT軟件的GPS數(shù)據(jù)處理框架建設(shè)[D]．北京：中國地震局地震預(yù)測研究所，2007．

[4]鄂棟臣，詹必偉，姜衛(wèi)平，等．應(yīng)用GAMIT／GLOBK軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理[J]．極地研究，2005，17(3)：173-182．

[5]柏柳，肖鸞，胡友?。瓹ORS的精度及其穩(wěn)定性研究[J]．河南理工大學(xué)學(xué)報，2005，24(4)：283-288．

高彥濤（1982—），男，漢族，工程師，從事工程測繪測量工作。E-mail:71657192@qq.com