利用2015至2016年GNSS觀測數(shù)據(jù)進行天津CORS基準站速度場分析

周大山，王文旭，張志全，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

利用2015至2016年GNSS觀測數(shù)據(jù)進行天津CORS基準站速度場分析

周大山*，王文旭，張志全，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

選用天津CORS 中13個基準站2015年～2016年兩年的GNSS觀測數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK進行解算，得到了天津CORS基準站在ITRF2008框架下的三維速度場。結果表明，天津CORS整體在水平方向上有東南向運動趨勢，平均速率為 33.46 mm/年，優(yōu)勢方向為SEE109.79°。垂直方向上，除JIXN基準站表現(xiàn)出小幅隆升趨勢外，其他基準站均有不同程度的沉降，其中天津西南部沉降較嚴重，位于北辰的基準站QING沉降速率最大，達到了 69.55 mm/年。

速度場；GAMIT/GLOBK；沉降；天津CORS

1 引 言

GNSS觀測技術的迅速發(fā)展和完善成熟使其在地球動力學領域發(fā)揮著越來越重要的作用，利用長期、連續(xù)的GNSS觀測數(shù)據(jù)進行地殼水平研究和陸地垂直運動的研究也成為可能[1，2，3]。連續(xù)運行參考系統(tǒng)(Continuously Operating Reference System，CORS)正是這樣一種每天24h連續(xù)不間斷觀測的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以提供長期、穩(wěn)定的GPS觀測數(shù)據(jù)。天津市GNSS衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)(天津CORS)已穩(wěn)定運營10年，目前由覆蓋天津范圍的22個基準站組成，在天津城市測量、地方基準維持等領域發(fā)揮了巨大的作用。

近年來由于地下水過度開采等原因，天津市地表形變嚴重[4]，而天津CORS所采集的不間斷GNSS數(shù)據(jù)為研究天津地表形變提供了重要數(shù)據(jù)，基于此，本文利用天津CORS部分基準站2015年至2016年數(shù)據(jù)，計算基準站的三維速度場，對基準站的水平和垂直方向的運動情況進行了分析，得到了2015年至2016年天津市地表整體形變情況，有利于認識天津地殼的水平運動趨勢，同時可以獲得天津不同區(qū)域的沉降狀況。

2 數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)據(jù)為天津CORS各基準站數(shù)據(jù)和周邊的IGS站數(shù)據(jù)。選取天津CORS基準站中均勻分布的13個基準站，獲得其2015年～2016年共計兩年的每日24h觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解算之前，對CORS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質量檢查，除個別文件缺失外，數(shù)據(jù)整體質量較好。

綜合IGS站的分布、數(shù)據(jù)完整度等因素[5]，引入中國大陸及周邊的10個IGS站(包括BJFS、SHAO、CHAN、URUM、LHAZ、STK2、YSSK、URUM、TNML)參與計算，其分布情況如圖1所示。

圖1 參與解算IGS站分布

2.1處理策略

數(shù)據(jù)處理采用高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK(10.6)，主要分為兩步：利用GAMIT軟件解算基線，得到單天解，然后利用GLOBK軟件聯(lián)合單天解，求取天津CORS的三維速度場[6]。

基線處理采用如下策略：

(1)固定軌道，使用IGS發(fā)布的最終精密星歷；

(2)采用LC_HELP觀測量類型，即利用LC觀測值組合解算模糊度；

(3)截止高度角為15°，采樣率為 30 s，即每天觀測歷元數(shù)為2880；

(4)氣象條件：標準大氣壓，溫度為20°；

(5)對流層延遲模型為Saastamoinen(薩斯塔莫寧模型)，投影函數(shù)為NMF，延遲參數(shù)和水平梯度的估計間隔為2h；

(6)利用廣播星歷中的鐘差參數(shù)對衛(wèi)星鐘差進行模型改正，利用偽距觀測值計算接收機鐘差；

(7)天線相位中心改正：使用antmod.dat文件的設定值，天線模型采用隨高度角和方位角變化的模型(AZEL)；

(8)對于數(shù)據(jù)編輯采用自動處理AUTCLN；

(9)考慮測站位置的潮汐改正。

利用GLOBK軟件解算單日松弛解(h文件)，以NGS發(fā)布的IGS站在ITRF2008框架成果為基準，利用其高精度先驗坐標和速度，計算得到天津CORS基準站在ITRF2008框架下的坐標序列和速度場。

2.2計算質量評價

基線解算完成后，統(tǒng)計所有單天解的NRMS，結果顯示，所有單天解的NRMS均小于0.25，NRMS最大為0.219，出現(xiàn)在2016年的第240天，NRMS平均值為0.182，說明基線解精度較高，NRMS的分布如圖2所示。

圖2 2015年～2016年單天基線解的NRMS值分布

利用GLOBK進行單天解平差，得到天津CORS基準站N、E、U坐標分量的時間序列變化情況。時間序列不僅反映了單天解的精度，也直觀地顯示了基準站的位置變化趨勢。以基準站QING和基準站JIXN為例，其時間序列如圖3所示，精度指標反映出單天解質量良好，另外，兩個基準站在N、E方向上均有非常明顯的線性運動趨勢，QING基準站在U方向也有非常明顯的線性沉降趨勢。

圖3 QING基準站和JIXN基準站坐標N、E、U方向的時間序列

3 TJCORS速度場分析

當一個GPS測站的數(shù)據(jù)至少有兩個歷元，并且這兩個歷元之間的時間差超過0.9a的時候，就可以利用GLOBK對其及進行速度估計[7，8]，獲得各站基線處理結果后，使用GLOBK求得各基準站在ITRF2008下的聯(lián)合解，并估計其在ITRF2008框架下的速度。

3.1水平速度場

計算得到各個基準站在ITRF2008框架下E、N方向的速度及中誤差如表1所示。在解算精度方面，參與解算的13個站點中，中誤差最大的基準站為SW01，其E、N方向的中誤差均為 0.1 mm/a；其余基準站E、N方向中誤差均小于 0.1 mm/a；所有基準站在E、N方向中誤差平均值均為 0.6 mm/a，解算精度較高。速度大小方面，所有基準站在E方向平均速度為 31.48 mm/a，N方向的平均速度為 -11.33 mm/a，水平方向平均速率為 33.46 mm/a，優(yōu)勢方向為SEE109.79°。

各基準站在ITRF2008框架下的水平速度及中誤差 表1

根據(jù)計算速度值繪制出的速度場，如圖4所示，根據(jù)此圖，天津CORS整體上有較為明顯的向東南方向的運動趨勢，但各個基準站在速度方向和大小上仍存在差異，說明各個基準站間存在水平相對運動。

圖4 天津CORS各基準站點在ITRF2008框架下的水平速度場

3.2垂直速度場

計算得到各基準站垂直方向的速度及中誤差如表2所示，根據(jù)此表，在精度方面，中誤差最大值出現(xiàn)在基準站SW01，達到了 0.37 mm/a，所有基準站平均中誤差為 0.22 mm/a，精度低于水平方向。在速度大小上，除基準站JIXN速度為正，其他均為負，說明天津CORS各個基準站存在不同程度的沉降，其中基準站QING在U方向速度值最大，達到了 -69.55 mm/a。

參與解算CORS站在ITRF2008框架下的垂直方向速度及中誤差 表2

圖5 天津CORS各基準站在ITRF2008框架下的垂直速度場

根據(jù)計算值繪制出的速度場如圖5所示，結合表2可以看出，天津地區(qū)不同地區(qū)沉降情況差異較為明顯，整體表現(xiàn)為北部地區(qū)沉降較小，南部地區(qū)沉降較大。

其中，基準站QING位于天津市北辰區(qū)境內，該點的年沉降量達到了 69.55 mm/a，屬于沉降較大區(qū)域，其他地區(qū)如位于靜海境內的JHAI和SW01，沉降速度分別為 53.07 mm/a和 45.74 mm/a。

此外，位于天津東部寧河境內基準站NIHE及天津東南部基準站GGSL同樣沉降趨勢明顯，年沉降量分別為 28.99 mm和 35.03 mm。

除大部分沉降明顯地區(qū)外，天津北部JIXN站有略微隆升的趨勢，年變化量在 3.17 mm/a，JIXN基準站建立山頭裸露基巖上，較為穩(wěn)定。

4 結 論

本文基于GAMIT/GLOBK軟件，對天津CORS中13個基準站在2015年～2016年共計兩年GPS觀測數(shù)據(jù)進行了處理，得到了各個基準站在ITRF2008框架下的水平速度場和垂直速度場。

結果表明，天津CORS各基準站在水平方向上有明顯的運動趨勢，參與解算的13個站點E方向平均速度為 31.48 mm/a，N方向的速度平均值為 -11.33 mm/a，水平方向平均速率為 33.46 mm/a，優(yōu)勢方向為SEE109.79°。

通過垂直方向速度計算得出，天津不同地區(qū)沉降狀況差異較為明顯，整體表現(xiàn)為北部地區(qū)沉降較小，西南部地區(qū)及部分東部地區(qū)沉降較大，其中QING、JHAI、SW01、GGSL、NIHE具有較大幅度的沉降，最大的QING基準站沉降速率達到了 69.55 mm/a。

[1] Larson K M，F(xiàn)reymueller J，Philipsen S. GlobalPlate Velocities from the Global Positioning System[J]. J Geophys Res，1997，102(B5)：9961～9981.

[2] Hager B H，King R E，Murray M H. Measurementof Crustal Deformation Using the Global PositioningSystem[J]. Annu Rev Earth Planet Sci，1991，19：351～382.

[3] 王琪. 用GPS監(jiān)測中國大陸現(xiàn)今地殼運動：變形速度場與構造解釋[D]. 武漢：武漢大學，2004.

[4] 雷坤超，陳蓓蓓，宮輝力等. 基于PS-InSAR技術的天津地面沉降研究[J]. 水文地質工程地質，2013(6)：106～111.

[5] 楊凱鈞，袁鵬，秦昌威. 中國及其周邊IGS站數(shù)據(jù)質量評估[J]. 全球定位系統(tǒng)，2014(3)：41～43.

[6] 劉全海，王琰開. 基于常州CORS的常州三維速度場分析[J]. 城市勘測，2016(5)：83～86.

[7] 曾波，張彥芬，姜衛(wèi)平等. 山西CORS網(wǎng)基準站速度場分析[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2012(12)：1401～1404+1513.

[8] 魏子卿，劉光明，吳富梅. 2000中國大地坐標系：中國大陸速度場[J]. 測繪學報，2011(4)：403～410.

VelocityAnalysisofTianjinCORSStationsBasedonGNSSDataDuringPeriod2015and2016

Zhou Dashan，Wang Wenxu，Zhang Zhiquan，Wang Wenjiang

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

GNSS data of 13 stations from Tianjin continuously operating reference stations(CORS)，during the period of 2015～2016，were processed with GAMIT/GLOBK software，and Tianjin’s three dimensional velocity field under the ITRF2008 reference frame was worked out. Results show that in the horizontal direction，Tianjin CORS has the movement trend of southeast at the mean velocity 33.46 mm/yr，in the dominant direction of SEE109.79°. As for the vertical velocity，all stations have subsidence behavior except that JIXNstation has a slightly uplift. Moreover，the stations in southwest part of Tianjin have higher settling velocity rate than the rest，among which station QING has the biggest settling velocity of 69.55 mm/yr.

velocity field；GAMIT/GLOBK；subsidence；Tianjin CORS

1672-8262(2017)05-49-04

P228

A

2017—09—08

周大山(1991—)，男，碩士，助理工程師，主要從事天津市地理信息空間基準維護方面工作。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文三等獎。