城市CORS系統(tǒng)在地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

曹炳強(qiáng)　劉智強(qiáng)　魯澤宇　簡(jiǎn)程航　張雙成

關(guān)鍵詞：CORS系統(tǒng);地面沉降;大地高精度;監(jiān)測(cè)網(wǎng)型

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多行業(yè)都建立了自己的衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)完成、運(yùn)行正常的GNSS基準(zhǔn)站，可以滿(mǎn)足不同行業(yè)、不同用戶(hù)對(duì)定位精度的個(gè)性化要求，可以提供測(cè)繪、氣象、地震、交通、水利、應(yīng)急保障和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多種服務(wù)（慕永燈，2019）。目前北京市有許多家企事業(yè)單位都進(jìn)行了CORS系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)站網(wǎng)在北京市氣象局、北京市地震局、千尋網(wǎng)絡(luò)位置服務(wù)公司等不同行業(yè)間的數(shù)據(jù)共享，基準(zhǔn)站在全市數(shù)量眾多且分布廣泛（北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)，2019）。

地面沉降能夠造成交通和地下管線受損、河流防汛能力降低，同時(shí)也給城市建設(shè)的布局與規(guī)劃造成困難，已經(jīng)發(fā)展成為城市的主要地質(zhì)災(zāi)害（楊艷等，2012;羅勇等，2013）。地面沉降成因復(fù)雜，在許多國(guó)家都有發(fā)生，其主要特點(diǎn)是持續(xù)周期長(zhǎng)、影響范圍廣以及治理難度大。為了應(yīng)對(duì)地面沉降問(wèn)題，北京市很早就建立了以高精度水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量、InSAR測(cè)量和7個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)站構(gòu)成的地面沉降立體監(jiān)測(cè)體系，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋主要沉降區(qū)（劉明坤等，2012;羅勇等，2014;北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局等，2008）。本文基于26個(gè)CORS站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了CORS系統(tǒng)在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，也為下一步充分利用北京市已有的CORS站并將部分CORS站納入北京市地面沉降GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供了參考數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1北京市GNSS沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)現(xiàn)狀

目前北京市專(zhuān)門(mén)用于地面沉降監(jiān)測(cè)的GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)共有105個(gè)，其中包括3個(gè)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站，分布在海淀區(qū)、通州區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、順義區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、房山區(qū)等10個(gè)區(qū)，各點(diǎn)間距2～5 km不等，基本上覆蓋了北京市整個(gè)平原地區(qū)（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局等，2008）。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均建為永久性混凝土觀測(cè)墩，觀測(cè)墩頂部有不銹鋼強(qiáng)制對(duì)中裝置，以消除天線對(duì)中誤差的影響。每年7—9月統(tǒng)一對(duì)100余個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次外業(yè)測(cè)量，接收機(jī)采用天寶雙頻接收機(jī)，接收機(jī)天線采用天寶扼流圈天線，以減弱多路徑效應(yīng)。為了提高測(cè)量結(jié)果精度，削弱系統(tǒng)及周期性測(cè)量誤差，每期測(cè)量時(shí)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量時(shí)間都是固定的。根據(jù)多期的GNSS監(jiān)測(cè)成果顯示，GNSS監(jiān)測(cè)成果與一等精密水準(zhǔn)測(cè)量、InSAR等其他監(jiān)測(cè)結(jié)果具有良好的符合性。近幾年隨著北京城市快速發(fā)展，導(dǎo)致少量監(jiān)測(cè)點(diǎn)遭到破壞，一部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)環(huán)境受到影響，降低了部分站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)精度，也使得整個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度受到影響。

2 CORS數(shù)據(jù)解算

2.1軟件介紹

GNSS基線解算采用GAMIT/GLOBK軟件包，其由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）與海洋研究所（SIO）研制。GAMIT軟件是開(kāi)源軟件，高校及科研機(jī)構(gòu)可以通過(guò)官網(wǎng)申請(qǐng)，得到許可之后能夠免費(fèi)使用，其自動(dòng)化程度高，通過(guò)選取適當(dāng)數(shù)量的IGS站，并使用精密星歷解算GNSS數(shù)據(jù)，可求得高精度基線向量和地面測(cè)站坐標(biāo)，是目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)科研及生產(chǎn)單位應(yīng)用廣泛且解算精度較高的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件之一（閔陽(yáng)，2018;劉洋洋等，2018;呂旭陽(yáng)，2015），最新版本已經(jīng)能夠解算包括我國(guó)北斗數(shù)據(jù)在內(nèi)的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)。本文數(shù)據(jù)解算軟件為GAMIT/GLOBK 10.71，操作系統(tǒng)為Ubuntu 12.04。

2.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文搜集了26個(gè)北京市連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，包含3個(gè)專(zhuān)門(mén)的北京市地面沉降監(jiān)測(cè)連續(xù)運(yùn)行站，23個(gè)測(cè)繪及氣象部門(mén)的連續(xù)運(yùn)行站（圖1）。由于監(jiān)測(cè)站在高程方向上的最大周期性變化能達(dá)到4 cm（王利，2015），為了削弱監(jiān)測(cè)站在高程方向上的周期性誤差，所采用的數(shù)據(jù)采集日期均為2019年8月1日—8月7日的數(shù)據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)處理

基線解算是將3個(gè)基巖基準(zhǔn)點(diǎn)（BJFS、BJSH、JIXN）與26個(gè)連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算。在解算時(shí)對(duì)基巖點(diǎn)和連續(xù)運(yùn)行站分別進(jìn)行約束：基巖點(diǎn)為0.05 m的水平方向約束，0.1 m的垂直方向約束;連續(xù)運(yùn)行站水平方向和垂直方向的約束分別為0.1 m和0.2 m。此外，對(duì)于海洋潮汐、地球固體潮、極潮、大氣負(fù)載潮等引起的站臺(tái)漂移，以及太陽(yáng)光壓、相對(duì)論效應(yīng)引起的測(cè)量誤差都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚恚ǜ吆?014;黨亞民等，2007;李征航等，2016;劉大杰等，1996）。具體的基線解算參數(shù)見(jiàn)表1。

3解算結(jié)果分析

對(duì)26個(gè)連續(xù)運(yùn)行站2020年8月1日—8月7日的數(shù)據(jù)進(jìn)行了基線解算與平差處理，分別得到了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)，然后對(duì)其精度分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。一般情況下，單時(shí)段解算得到的標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差（NRMS）值越小，基線解算精度越高;其值越大，則基線解算精度越低，一般要求NRMS值小于0.3 mm（曹炳強(qiáng)等，2015;王樹(shù)東等，2018）。最后對(duì)解算結(jié)果文件（Q文件）中的NRMS值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。NRMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果：最大值為0.1813，最小值為0.1612，平均值為0.1686，解算得到的NRMS值為0.16～0.19 mm，滿(mǎn)足基線解算要求。圖2為CORS站三維坐標(biāo)方向的精度，圖3為大地坐標(biāo)系下CORS站在BLH方向上的精度。

從圖2可以看到，CORS站解算結(jié)果在三維方向上的坐標(biāo)精度都在2mm之內(nèi)，其中X、Y、Z方向的誤差平均值分別為0.47 mm、0.81 mm、0.71 mm，解算結(jié)果在三維方向上的坐標(biāo)精度都在1mm之內(nèi)的CORS站占84.6%。

北京市地面沉降GNSS監(jiān)測(cè)站點(diǎn)沉降變化信息主要通過(guò)比較各期監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大地高H得到，所以GNSS監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大地高H精度的高低直接影響到北京市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)的可靠性。圖3可以看到大地坐標(biāo)系下，CORS站解算結(jié)果大地高方向的誤差都在2 mm之內(nèi)，其中有23個(gè)站的高程誤差小于1 mm，占總數(shù)的88.5%。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

綜合以上分析得出，采用CORS站數(shù)據(jù)解算，可以高精度獲取包括大地高在內(nèi)的坐標(biāo)信息，可以高精度獲取地面沉降監(jiān)測(cè)成果。

4結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)26個(gè)北京市連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到基于CORS站解算的結(jié)果大地高方向誤差都在2 mm之內(nèi)，而且有23個(gè)站的高程誤差小于1 mm，能夠得到高精度的解算成果。

目前各城市都建有大量的CORS站，分布廣泛，聯(lián)合多部門(mén)實(shí)現(xiàn)CORS系統(tǒng)在不同行業(yè)間的數(shù)據(jù)共享，將不同行業(yè)的CORS站納入城市地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這樣可以借助CORS系統(tǒng)增加地面沉降監(jiān)測(cè)面積和提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋密度，增強(qiáng)現(xiàn)有GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度與可靠性，提高解算成果的精度，也更容易實(shí)現(xiàn)城市地面沉降監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。