CORS網(wǎng)和GNSS技術(shù)在地面變形監(jiān)測中的應(yīng)用
——以浙江東南部為例

王 偉，黨亞民，章傳銀，楊 強(qiáng)

（1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300）

0 引言

地面變形對工程建設(shè)安全穩(wěn)定具有一定影響，對工程建設(shè)規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害防治等具有重要意義。地面變形劇烈地面穩(wěn)定性下降，若遇到極端天氣、潮汐大潮等動(dòng)力環(huán)境異常情況，容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。因此，對區(qū)域地面變形監(jiān)測和地面穩(wěn)定性變化的定量分析意義重大。

對于地面形變監(jiān)測，有水準(zhǔn)復(fù)測、GNSS 監(jiān)測網(wǎng)和InSAR 監(jiān)測等技術(shù)和手段[1]。水準(zhǔn)復(fù)測技術(shù)簡單，但工作量大、復(fù)測周期長。GNSS 監(jiān)測網(wǎng)以點(diǎn)監(jiān)測為主，在面監(jiān)測上還有不足。InSAR 監(jiān)測具有大覆蓋、高分辨率的特點(diǎn)，但技術(shù)要求高、花費(fèi)成本較高。對于穩(wěn)定性的定量研究方面，有因子分析法、模糊數(shù)學(xué)方法、證據(jù)權(quán)重法等多種方法，考慮的影響因素也有不同，使定量分析評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生差別[2-5]。穩(wěn)定性分析和評價(jià)正在不斷完善，向著定量化、綜合化，并與多種自然科學(xué)相融合、交叉的方向發(fā)展[6]。隨著觀測手段和觀測技術(shù)的提高，地面穩(wěn)定性變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測將成為可能，為災(zāi)害分析和預(yù)測等提供更好的支持[7-8]。氣候和地球表層水文環(huán)境的改變，引起地面形變和重力變化，可導(dǎo)致區(qū)域地面穩(wěn)定性變化。地面形變和重力變化等是各種動(dòng)力環(huán)境因素的綜合響應(yīng)，監(jiān)測分析地面形變和重力變化等情況，并建立與地面穩(wěn)定性的量化關(guān)系，就可定量分析地面穩(wěn)定性變化。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站（Continuously Operating Reference Station, CORS）可以實(shí)現(xiàn)對站點(diǎn)的地面形變進(jìn)行連續(xù)觀測。利用CORS 網(wǎng)連續(xù)GNSS（Global Navigation Satellite System）觀測成果，結(jié)合大氣、地表水和海平面變化觀測資料，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域地面形變及重力變化等的高精度連續(xù)監(jiān)測[9-11]。本文利用CORS 網(wǎng)連續(xù)觀測，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地面形變場和重力場變化監(jiān)測，通過與地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行時(shí)空分析，確定用于地面穩(wěn)定性變化分析的要素和權(quán)重，進(jìn)而定量分析地面穩(wěn)定性變化。

1 方法和數(shù)據(jù)

1.1 基于CORS 網(wǎng)的區(qū)域地面形變場和重力場變化監(jiān)測

CORS 網(wǎng)連續(xù)觀測解算得到的是各站點(diǎn)的大地高變化，如果直接進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合內(nèi)插只能獲得區(qū)域大地高變化結(jié)果，而且分辨率和精度比較低。受大陸水、大氣壓及海平面變化等地表負(fù)荷變化影響，CORS 站點(diǎn)的大地高隨時(shí)間變化。根據(jù)固體地球負(fù)荷形變理論，負(fù)荷引起的大地高變化滿足負(fù)荷格林函數(shù)積分[12]。

式中：Ht——計(jì)算點(diǎn)處的地面大地高變化；

ρw——水的密度；

hw——等效水高度變化；

Gr(Ψ)——地面徑向負(fù)荷格林函數(shù)；

Ψ——球面角距；

S——地表面積。

以CORS 站網(wǎng)大地高變化為觀測量，通過動(dòng)力學(xué)同化和參數(shù)估計(jì)算法，可求解地面負(fù)荷等效水高變化。有了地面等效水高變化，就可按負(fù)荷形變理論，計(jì)算區(qū)域地面大地高、正常高、重力和地傾斜等各種大地測量參數(shù)的負(fù)荷影響變化。為了提高區(qū)域形變場監(jiān)測的空間分辨率和可靠性，可進(jìn)行大氣和土壤水等已知負(fù)荷的移去恢復(fù)，利用殘余大地高作為觀測量進(jìn)行計(jì)算[10]。

1.2 定量分析區(qū)域地面穩(wěn)定性變化的方法

一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某地的地面大地高、地面重力或地傾斜變化頻繁，或變化幅度較大，則該地方的穩(wěn)定性必然較低[7]。大地高變化主要反映了垂直方向上的地面形變，空間作用范圍較大，隨距離成反比衰減。重力變化主要受計(jì)算點(diǎn)距離較近地表負(fù)荷影響，時(shí)間上比較敏感。地傾斜變化是不同方向上變化情況的反映。因此，綜合利用大地高、重力或地傾斜等的時(shí)空變化監(jiān)測成果，可定量估計(jì)監(jiān)測時(shí)間范圍內(nèi)區(qū)域地面穩(wěn)定性變化。

將各種負(fù)荷影響的大地高變化、重力變化和地傾斜變化等與地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行空間上的對比分析。以地面穩(wěn)定性降低與已有地質(zhì)災(zāi)害事件的一致性為優(yōu)化目標(biāo)，確定選取典型的要素類型，并確定相應(yīng)的權(quán)重關(guān)系。因此，區(qū)域地面穩(wěn)定性變化的定量評價(jià)P可表示為：

式（2）中X1,X2,···,Xn為用于評價(jià)的大地測量觀測要素，q1,q2,···,qn為各要素所占的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

本文利用浙江東南部38 座CORS 站網(wǎng)2015——2017年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣壓數(shù)據(jù)、土壤水模型數(shù)據(jù)和海平面月變化格網(wǎng)時(shí)序，在分離CORS 站大地高線性變化基礎(chǔ)上，利用格林函數(shù)積分方法，計(jì)算大氣、土壤水和海平面變化的模型負(fù)荷影響[10]。采用已有負(fù)荷移去恢復(fù)法，利用公式（1）計(jì)算等效水高，進(jìn)一步計(jì)算重力變化和地傾斜變化，獲得地面大地高變化、重力變化和地傾斜變化向量格網(wǎng)時(shí)序，空間分辨率為2′×2′，時(shí)間分辨率為1月。

地表總負(fù)荷變化對地面大地高變化、重力變化、地傾斜的影響如圖1所示。圖1中的一些細(xì)線和虛線分別是河流和地理區(qū)劃。圖1（a）（b）是大地高變化，在2月份大地高變化普遍大于0，8月份普遍小于0，主要受降水影響，沿海地區(qū)受海平面變化影響明顯。圖1（c）（d）是地面重力變化，半年的變化量約在15 μGal。圖1（e）（f）是地傾斜變化情況，箭頭方向代表地傾斜的水平方向，顏色代表了地傾斜的大小。

綜上所述，利用CORS 網(wǎng)GNSS 連續(xù)觀測，可實(shí)現(xiàn)地面變形面的觀測，有負(fù)荷形變理論，可進(jìn)一步獲得地面負(fù)荷重力變化和地傾斜變化等。利用地面形變監(jiān)測各種量的變化情況，可對地面穩(wěn)定性變化進(jìn)行評估。

根據(jù)不同負(fù)荷形變計(jì)算公式和性質(zhì)，大地高變化、地面重力變化或地傾斜變化，對檢測地面穩(wěn)定性變化的敏感性，無論在時(shí)間還是空間上，都存在較大差別。例如，重力變化量在時(shí)間上敏感，可以快速捕獲地面穩(wěn)定性變化信號，但由于其有效作用范圍隨距離平方成反比衰減，不利于確定穩(wěn)定性變化的空間范圍；而大地高變化的有效作用范圍，根據(jù)負(fù)荷形變理論，僅隨距離成反比衰減，在確定穩(wěn)定性變化范圍時(shí)遠(yuǎn)比重力變化量有效，但在時(shí)間上的敏感度又低于重力變化量。為了提高CORS 站網(wǎng)地面穩(wěn)定性變化監(jiān)測水平和可靠性，本文綜合CORS 站網(wǎng)監(jiān)測的地面大地高變化、地面重力變化和地傾斜變化格網(wǎng)時(shí)間序列進(jìn)行定量分析。

根據(jù)大地高、地面重力和地傾斜的以上時(shí)空特點(diǎn)，最終選取以下6 個(gè)觀測要素構(gòu)建地面穩(wěn)定性變化定量辨識準(zhǔn)則：①地面大地高增大；②地面重力減??；③地傾斜由某點(diǎn)向外發(fā)散；④地面高程變化梯度較大；⑤地面重力變化梯度較大；⑥地傾斜變化方向在地形坡度方向的投影較大。

以該地區(qū)部分地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的時(shí)間和發(fā)生位置為參考，通過區(qū)域大地高變化和重力變化等的時(shí)空特點(diǎn)，與地質(zhì)災(zāi)害在時(shí)間和空間上的對比分析，以地面穩(wěn)定性降低與已有地質(zhì)災(zāi)害事件的一致性為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整各種觀測要素之間的權(quán)比關(guān)系，最終確定了區(qū)域的地面穩(wěn)定性變化情況，如圖2所示。

圖2 浙江東南部地面穩(wěn)定性變化Fig.2 Changes of ground stability in southeastern of Zhejiang Province

地面穩(wěn)定性變化格網(wǎng)時(shí)序，反映了地面穩(wěn)定性變化的當(dāng)前態(tài)勢，以及不同位置上當(dāng)前態(tài)勢之間的空間差異。圖2中彩色對應(yīng)不同的數(shù)值。圖2中數(shù)值越大，穩(wěn)定性越低；數(shù)值增大，穩(wěn)定性降低。不同月份的地面穩(wěn)定性變化，用于反映當(dāng)前時(shí)刻地面穩(wěn)定性變化隨時(shí)間的累積效應(yīng)，以及不同位置上累積效應(yīng)之間的空間差異。如圖2（c）所示，麗水市中心左下方存在數(shù)值較大明顯區(qū)域，是地面穩(wěn)定性變化較大區(qū)域。

不同于因子分析法中采用的地震、沉降和斷層等多種類型要素，本文采用的是大地測量觀測要素，以地面變形監(jiān)測資料為主，在地面形變場監(jiān)測基礎(chǔ)上開展。大地測量監(jiān)測的是穩(wěn)定性變化對各種動(dòng)力環(huán)境因素的綜合響應(yīng)。在缺乏其他信息和調(diào)查資料的情況下，大地測量監(jiān)測成果也能較為準(zhǔn)確地分析評價(jià)穩(wěn)定性變化。

3 結(jié)論

利用CORS 網(wǎng)連續(xù)觀測，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地面大地高、地面重力和地傾斜變化監(jiān)測，通過與部分地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行時(shí)空分析，確定用于地面穩(wěn)定性變化分析的要素和權(quán)重，進(jìn)而分析地面穩(wěn)定性變化。研究發(fā)現(xiàn)利用CORS網(wǎng)GNSS 連續(xù)觀測，綜合大氣、地表水和海平面變化等資料，可實(shí)現(xiàn)地面變形面的監(jiān)測，獲得大地高變化、重力變化和地傾斜變化等量。

地面大地高增大、地面重力減小、地傾斜由某點(diǎn)向外發(fā)散、地面高程變化梯度較大、地面重力變化梯度較大、地傾斜變化方向在地形坡度方向的投影較大，這6種觀測要素可以有效建立地面穩(wěn)定性變化的準(zhǔn)則。根據(jù)構(gòu)建的穩(wěn)定性變化準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)地面穩(wěn)定性變化的定量監(jiān)測。

本監(jiān)測方法在浙江東南部地區(qū)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，獲得了較好的效果。利用CORS 網(wǎng)和連續(xù)觀測技術(shù)能夠監(jiān)測地面變形面的變化，定量分析區(qū)域地面穩(wěn)定性變化情況，可為區(qū)域規(guī)劃和地質(zhì)災(zāi)害防治提供技術(shù)支持。