基于CORS的高程參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)

摘要：通過InSAR技術(shù)對山東省地表形變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，黃三角、魯西南等地區(qū)地表沉降明顯，這些地球形變的發(fā)生，使測繪基準(zhǔn)成果的可靠性變差，嚴(yán)重影響了測繪基準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)。高程參考框架本身也是動態(tài)的，開展高程參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)是必要的。通過對CORS站網(wǎng)2015—2019年的連續(xù)觀測成果進(jìn)行精細(xì)處理，2019年開展對CORS站、B級和C級點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測，通過2015年、2019年兩期水準(zhǔn)成果檢核CORS站點(diǎn)正常高值，探索出一種基于CORS實(shí)現(xiàn)對大地高程參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)的新方法，通過研究還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了沉降，少數(shù)水準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了抬升，CORS和水準(zhǔn)的數(shù)據(jù)成果也驗證了InSAR對地表形變的監(jiān)測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；CORS；高程參考框架；維護(hù)；時間序列分析

中圖分類號：P228文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.009

引文格式：陳瑞聰，竇慶文，張金盈.基于CORS的高程參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)［J］.山東國土資源，2023，39（5）：5966.CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying. Dynamic Monitoring and Maintenance of Elevation Reference Framework Based on CORS［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：5966.

0引言

CORS是連續(xù)運(yùn)行GPS定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuous Operational Reference Stations），是在現(xiàn)代GNSS技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時定位服務(wù)技術(shù)和現(xiàn)代移動通訊技術(shù)基礎(chǔ)之上的大型定位與導(dǎo)航綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)［12］，由GNSS參考站網(wǎng)、控制中心、數(shù)據(jù)中心、通訊網(wǎng)絡(luò)、用戶應(yīng)用終端等子系統(tǒng)組成［3］?，F(xiàn)代大地坐標(biāo)框架是動態(tài)的或準(zhǔn)動態(tài)的，對于一個高精度的區(qū)域CORS參考框架坐標(biāo)系必須考慮該坐標(biāo)系的維持問題，從而保證CORS系統(tǒng)可向用戶提供連續(xù)、有效服務(wù)，因此CORS參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)具有重要意義［4］。利用區(qū)域CORS網(wǎng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域坐標(biāo)參考框架的維持，是當(dāng)前公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段［5］。夏傳義等多位學(xué)者做了基于CORS維持參考框架的研究。區(qū)域參考框架一般采用實(shí)測時間序列方法來維持［6］，本文通過山東衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)即SDCORS站時間序列分析成果獲取大地高變化量，最終獲得正常高變化量，通過水準(zhǔn)檢核CORS站正常高變化量精度，開展對大地高程參考框架動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)的方法研究。

1總體研究流程

山東省陸域面積15.58萬km2。結(jié)合“黃三角地表形變監(jiān)測”項目和“魯西南地表形變監(jiān)測”項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化布設(shè)監(jiān)測區(qū)域、路線，優(yōu)化選擇GPS、CORS站及水準(zhǔn)點(diǎn)。開展大地高程參考框架動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)的研究。

山東省現(xiàn)有二等以上水準(zhǔn)路線，為高程參考框架變化監(jiān)測點(diǎn)位選取和水準(zhǔn)路線布設(shè)提供依據(jù)。選取水準(zhǔn)路線成網(wǎng)，路線貫穿InSAR監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的主要形變區(qū)，同時環(huán)線包含非形變區(qū)一等基巖水準(zhǔn)點(diǎn)和CORS基巖站，選取的CORS站、B級和C級點(diǎn)具有2016年衛(wèi)星定位觀測和水準(zhǔn)聯(lián)測成果。采用二等水準(zhǔn)測量對地表形變區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)、SDCORS站、B級點(diǎn)和C級點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測。利用CORS站時間序列分析成果獲取大地高變化量，利用大氣等觀測資料推算高程異常變化量，求取CORS站點(diǎn)的正常高變化量，利用兩期水準(zhǔn)資料進(jìn)行精度驗證，實(shí)現(xiàn)地表形變區(qū)內(nèi)基于CORS站網(wǎng)的高程參考框架的變化監(jiān)測。技術(shù)流程圖如圖1所示。

2研究區(qū)域地表形變發(fā)現(xiàn)

利用InSAR技術(shù)2017年8月完成的“黃三角地表形變監(jiān)測”項目和2018年3月完成的“魯西南地表形變監(jiān)測”項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合SDCORS基準(zhǔn)站2015—2018年坐標(biāo)時間序列分析，確定較為明顯的主要地表形變區(qū)為黃三角和魯西南地區(qū)（圖2），主要是：①東營市廣饒縣、河口區(qū)；②聊城市茌平縣、臨清市；③菏澤市鄆城縣、東明縣、單縣等。

3基于CORS站網(wǎng)的高程參考框架動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)3.1水準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取與處理

在基準(zhǔn)站觀測中，GPS高程觀測更容易受到外界噪聲的干擾，獲得高精度高程需要考慮其周期性變化［7］，基于這點(diǎn)，利用地表形變區(qū)內(nèi)CORS站網(wǎng)連續(xù)5年觀測，時間周期覆蓋前后2次水準(zhǔn)網(wǎng)觀測的時間周期的數(shù)據(jù)，獲取CORS站點(diǎn)的正常高變化，實(shí)現(xiàn)高程參考框架動態(tài)監(jiān)測。2019年二等水準(zhǔn)網(wǎng)實(shí)測路線37條，構(gòu)成17個閉合環(huán)，共3432.4 km。2015年、2019年水準(zhǔn)網(wǎng)均以泰安TAAN主作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計算，數(shù)據(jù)加入標(biāo)尺長度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正［8］。2019年的水準(zhǔn)觀測全網(wǎng)合乎規(guī)范精度要求，2015年、2019年水準(zhǔn)主要精度指標(biāo)見表1。

3.2CORS站大地高時間序列分析與重構(gòu)

要想為建立和維持動態(tài)地球或區(qū)域參考框架提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就必須研究造成測站非線性運(yùn)動的物理機(jī)制［5］。采用同樣的GPS觀測數(shù)據(jù)，選取不同的參考框架得到的結(jié)果往往是有差異的［9］，ITRF是目前公認(rèn)精度最高、應(yīng)用最廣的參考框架［6］，目前最新的參考框架版本為ITRF2014，于2016年1月21日發(fā)布［10］。ITRF2008是目前世界上精度較高的地球參考框架［11］，這次CORS站數(shù)據(jù)處理參考框架采用ITRF2008?？蚣苷镜膸缀畏植紩y站坐標(biāo)時間序列產(chǎn)生很大影響［12］，在區(qū)域內(nèi)及周邊選定10個IGS跟蹤站為約束，處理15個CORS站2015—2019年的數(shù)據(jù)，解算得到CORS站點(diǎn)的單日解，最終獲取CORS站點(diǎn)2015—2019年的周解，最終解算得到15個CORS站的三維坐標(biāo)周解時間序列（N、E、U方向），時間分辨率為7天，時間段為2015年6月1日至2019年7月30日。針對每座CORS站大地高周解時間序列，得到大地高非線性變化時間序列。對時間序列散點(diǎn)進(jìn)行周期估計，估計得到周期項參數(shù)，然后重構(gòu)大地高非線性變化時間序列。

CORS站點(diǎn)的分布見圖3。圖4a、圖4b為15個CORS站大地高時間序列分析與重構(gòu)結(jié)果。

3.3高程異常變化解算

基準(zhǔn)站的位置會發(fā)生微小而又復(fù)雜的變化，這些變化包含了線性變化和非線性變化［13］?；鶞?zhǔn)站點(diǎn)坐標(biāo)時間序列分析的結(jié)果表明，各種周期性的非線性運(yùn)動不可忽視，當(dāng)坐標(biāo)時間序列跨度小于2.5年時，若不考慮非線性因素可能得到錯誤的測站線性速度，僅有部分非線性影響因素能夠用模型修正，例如潮汐改正、極移改正等［14］。本次研究利用ECMWF全球大氣壓模型、GLDAS陸地水文模型、AVISO全球海面高數(shù)據(jù)模型，綜合地球負(fù)荷形變和地球重力場理論，計算全球負(fù)荷模型量，并基于負(fù)荷球諧系數(shù)模型及區(qū)域負(fù)荷格林函數(shù)的移去恢復(fù)方法，計算區(qū)域負(fù)荷精化量，將二者相加最終得到CORS站點(diǎn)的高程異常變化。

最終推算得到15個CORS站點(diǎn)的高程異常變化時間序列，時間段為2015年1月至2019年8月，時間分辨率為1個月，表2為15個CORS站的總負(fù)荷高程異常變化信息統(tǒng)計。

3.4結(jié)果驗證

根據(jù)給定兩個時刻的CORS站大地高變化和高程異常變化，即可計算CORS站正常高變化，利用CORS站點(diǎn)大地高變化時間序列和似大地水準(zhǔn)面變化時間序列，兩者作差得到正常高變化時間序列，即可對CORS站點(diǎn)的歷史水準(zhǔn)觀測正常高進(jìn)行動態(tài)改正。采用2015年和2019年水準(zhǔn)成果，對CORS站點(diǎn)的正常高動態(tài)改正結(jié)果進(jìn)行檢核，檢驗基于衛(wèi)星定位的高程參考框架維護(hù)精度。

兩期水準(zhǔn)測量得到了32個CORS站點(diǎn)的正常高變化，獲得了15個CORS站點(diǎn)系統(tǒng)觀測正常高變化差與水準(zhǔn)觀測正常高變化差，圖5為2015—2019年CORS系統(tǒng)觀測正常高與水準(zhǔn)觀測正常高變化比對柱狀圖，15個站點(diǎn)覆蓋了山東省西北西南地區(qū)，約占全省三分之一的面積，兩種方法得到的正常高變化差值的最大值為32.3 mm，最小值為0.643 mm，CORS正常高變化差值的中誤差為15.463 mm，小于2019年水準(zhǔn)最弱點(diǎn)的高程中誤差±22.10 mm，這與前人研究高程方向精度優(yōu)于2cm研究結(jié)果一致［1516］，表3為15個CORS站點(diǎn)的正常高變化差值比較結(jié)果。與2015年和2019年的平差后水準(zhǔn)正常高中誤差比較，15個站點(diǎn)中只有濟(jì)寧JINI、東明DOMI、壽光SHGU這3個CORS站的正常高變化差值略微超過平差后水準(zhǔn)正常高的中誤差，表明利用CORS站數(shù)據(jù)確定正常高變化具備較高的精度，這與前人研究成果相吻合［17］。表4為參與這次研究的區(qū)域SDCORS站點(diǎn)名點(diǎn)號對照列表。

4結(jié)語

研究選擇區(qū)域跨度大，地表形變復(fù)雜，CORS站點(diǎn)發(fā)生沉降的點(diǎn)占總點(diǎn)數(shù)的87%，兩CORS站出現(xiàn)了抬升，占總點(diǎn)數(shù)的13%。15個CORS站點(diǎn)的其中11個站有效數(shù)據(jù)時間段未達(dá)到100%覆蓋兩期水準(zhǔn)觀測周期，由于時間不吻合必然造成一定的數(shù)據(jù)誤差，水準(zhǔn)數(shù)據(jù)本身存在誤差，但通過CORS站大地高時間序列分析與重構(gòu)，得到的站點(diǎn)正常高變化差值，通過二等水準(zhǔn)驗證其仍然具有極高的精度，CORS站點(diǎn)和精密水準(zhǔn)共網(wǎng)的情況下，CORS數(shù)據(jù)質(zhì)量好的條件下，可以基于CORS大地高的變化量修正正常高，再進(jìn)行水準(zhǔn)網(wǎng)的平差，維護(hù)高程基準(zhǔn)的現(xiàn)勢性，可以實(shí)現(xiàn)高程參考框架的動態(tài)監(jiān)測與維護(hù)，保持測繪基準(zhǔn)的現(xiàn)勢性，提供當(dāng)今歷元的測繪基準(zhǔn)的高程值。參考框架的維持可以提升其精度，為國家經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)提供精準(zhǔn)的位置服務(wù)。

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Dynamic Monitoring and Maintenance of?Elevation Reference Framework Based on CORS

CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying

（Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：InSAR technology is used to monitor the surface deformation in Shandong province. It is found that the surface subsidence is obvious in the Yellow River Delta and the southwest of Shandong province. The occurrence of these earth deformations have made the reliability of surveying and mapping datum results worse， which will seriously affect the application service of surveying and mapping datum. The elevation reference frame itself is dynamic， so it is necessary to carry out dynamic monitoring and maintenance of the elevation reference frame. Through fine processing of continuous observation results of CORS station network from 2015 to 2019， second order leveling observation will be carried out for CORS station， Class B and class C points， and benchmark in 2019. Through checking normal height value of CORS station through leveling results in 2015 and 2019， a new method of dynamic monitoring and maintenance of geodetic elevation reference frame based on CORS has been explored. It is also found that most benchmark have subsided， a few benchmark have been uplifted， and the data results of CORS and leveling also verify the monitoring results of InSAR on surface deformation.

Key words：Global positioning system; continuously operating reference stations; elevation reference frame; maintenance; time series analysis