GPS在跨断层垂直形变监测中的应用

杜伟吉 钟金宁 秦姗兰 崔笃信

(1南京市测绘勘察研究院有限公司，南京 210019)(2中国地震局第二监测中心，西安 710054)

GPS在跨断层垂直形变监测中的应用

杜伟吉1钟金宁1秦姗兰2崔笃信2

(1南京市测绘勘察研究院有限公司，南京 210019)
(2中国地震局第二监测中心，西安 710054)

摘 要:为分析和验证利用GPS技术进行跨断层垂直形变监测的可行性，利用GAMIT/GLOBK软件结合国内及周边的IGS站对地震网络剖面在包头跨断层观测场地2006，2009和2011年的GPS观测数据进行统一解算，得到各监测点在ITRF2008框架下的变形量，并与同期采用精密水准观测方法获取的变形量进行比较分析.结果显示，GPS监测方法与精密水准监测方法得到的变形量的平均差值约为5.1 mm，GPS监测成果精度较高，从而验证了利用GPS技术进行跨断层垂直形变监测的可行性.这种结合IGS站进行解算获取监测点在ITRF2008框架下变形量的方法，不需要稳定的起算点，有助于跨断层垂直形变监测方案的改进、监测效率的提升和费用开支的节省.

关键词:GPS;跨断层精密水准测量;垂直形变;地震网络剖面

GPS技术目前已在滑坡、地裂缝、地面沉降监测等方面得到了应用［1-3］，观测的连续性和高精度使其代替水准测量监测垂直形变成为可能.然而，在垂直形变监测中，研究者们往往关心的是垂直方向的变化而不是高程本身［4］.GPS大地高变化量(ΔU)和水准测量的垂直变化量(ΔH)的关系为ΔU=ΔHcosα，其中α为测站垂线偏差.本文以地震网络剖面包头跨断层观测场地GPS和精密水准观测为例，对GPS进行跨断层垂直形变监测的可行性进行分析和验证.由于研究区域的垂线偏差很小，ΔU≈ΔH，故可以用GPS大地高的变化来实现跨断层垂直形变监测.

1 资料概况

中国地震网络剖面工程包头跨断层观测场地如图1 所示，东经 109°56'～ 110°06'，北纬 40°18'～40°36'，北端跨乌拉山前断裂、南端跨鄂尔多斯北缘断裂.各站点高程为1 084～1 100 m，测线全长65.2 km.GPS观测分别于2006年10月、2009年9月、2011年8月各进行一期，每天(24 h)为1个时段，每期观测5个时段，数据采样间隔为30 s，卫星截止高度角为15°.一等水准观测分别于2006年9月、2009年8月、2011年5月各进行1期，以“普通Ⅰ包咸3”为基准起算点，选用因瓦标尺采取往返测进行测段高差测定，并加入尺长改正和水准面不平行改正，每公里往返测高差中误差为±0.376 mm.

2 数据处理

GPS数据处理是基于 linux系统的，采用GAMIT/GLOBK10.40软件对每期资料结合国内及周边的IGS站进行统一解算［5-7］.在此之前先用TEQC软件检查数据质量.在数据处理的过程中采用J2000惯性参考框架;为改进卫星轨道，在设置参数估算测站位置的同时，还可以微量调整地球自转参数(松散解模式)和卫星轨道.采用EGM08模型作为数据处理中涉及到的地球重力场模型;遵循IERS2010模型的方式进行固体潮模型和极潮模型改正;采用FES2004(全球海潮模型)改正海潮引发的GPS测站点地壳形变，并在顾及大气荷载、海潮导致的地球质心变化同时加入极移改正［8］;采用全球总电子数模型GMAP和地球地磁场IGRF11，并以L1和L2的载波相位(LC_AUTCLN)组合来消除电离层一阶项和二阶项的影响［9］.采用GPT大气模型与马尔科夫随机过程估算来消除GPS信号传输过程中大气对流层天顶延迟的影响，对每个GPS测站点，每小时估计1个天顶方向对流层延迟参数，并进行线性插值估算;投影映射函数采用高程方向应用精度最高的VMF1投影映射函数.考虑到区域大气的差异性，在进行GPS数据解算时对每个测站的4个方向各附加估算1个大气水平梯度参数，并加入大气荷载改正来消除大气荷载潮的影响［10-11］(本次解算采用全球大气格网数据插值计算得到GPS测站点的大气荷载影响值).采用ELEV模型对天线相位中心偏差做改正，消除天线相位中心变化的影响;光压模型采用BERNE模型.基线解算过程中，将连续观测、线性度较好的IGS站3个方向的约束均取为0.05 m，区域站的约束均取为1.0 m.

采用上述方案处理数据，获取单日松弛解，然后将其与 IGS站提供的单日松弛解绑定，用GLOBK软件计算测站点在ITRF2008框架下的坐标.各GPS测站点大地高方向的中误差除BT03(±5.1 mm)外均小于±4 mm，进一步得到每个GPS点2006—2009年、2009—2011年以及2006—2011年的沉降变化量，并将其与精密水准获得的结果进行对比(见表1)，沿测线作出跨断层垂直形变剖面图(见图2).

由图2可以看出，GPS监测跨断层监测点的垂直变形量平均略小于精密水准结果，与精密水准结果具有较好的一致性，可以较好地反映监测点的垂直变形情况.从表1可以看出，GPS与精密水准获取的各监测点沉降结果除BT11在2006—2009年差值为 12.79 mm，2006—2011年差值为 12.63 mm，BT21在2006—2011年差值为12.50 mm 外，其余各点差值均在0～10 mm之间(经检查是由于BT11点在2006年的观测数据质量不太好所致)，GPS观测大地高的变化量的中误差均值为±4.0～±5.0 mm，说明GPS监测结果以较高的精度准确反映出监测点的垂直变形情况.GPS与精密水准成果平均差值为5.1 mm，具有一定的系统规律，其原因在于:精密水准监测是以“普通Ⅰ包咸3”为起算点，如果此点因地壳运动变形而下沉，则会导致精密水准监测成果偏小，近年来的监测成果表明测点确实呈下沉状态.

表1 GPS与精密水准监测跨断层垂直形变结果对比

图2 GPS监测跨断层垂直形变与精密水准结果对比图

GPS与精密水准得出的监测点在2006年—2009年的垂直变形值平均相差5.4 mm，2009—2011年的垂直变形值平均相差2.2 mm，2006—2011年的监测结果平均差值7.6 mm，出现这种情况主要是由于测站点高程季节性变化所致［8］，其引起因素主要为大气荷载、固体潮、海潮等外部的引力摄动和季节性变化的GPS误差(如轨道、天顶延迟误差等).

综上所述，GPS与精密水准获取的监测站的垂直变形量平均差值约为5.1 mm，GPS可以获取与精密水准结果一致的高精度的垂直形变结果.这种结合IGS站解算获取监测点在全球ITRF2008框架下变形量的方法不需要稳定的起算点，对于跨断层垂直形变监测方案的改进、费用开支节省和监测效率的提升都有很大的帮助.

3 结语

本文将GPS方法与精密水准方法获取的包头跨断层观测场地的垂直变形量进行对比分析，发现GPS监测结果与精密水准监测结果平均差值约为5.1 mm，精度较高，验证了GPS方法监测跨断层垂直型变的可行性.采用GPS方法监测跨断层垂直变形，可以改进监测方案、降低成本支出，并显著提高作业效率.

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Application of GPS in cross-fault vertical deformation monitoring

Du Weiji1Zhong Jinning1Qin Shanlan2Cui Duxin2

(1Nanjing Institute of Surveying，Mapping and Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Nanjing 210019，China)
(2Second Crust Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi'an 710054，China)

Abstract:In order to analyze and validate the feasibility of using GPS(global positioning system)technology to monitor cross fault vertical deformation，the GAMIT/GLOBK software combined with domestic and around IGS(international globe navigation satellite system service)stations is used to unified solve the GPS data of the cross-sectional tomography observation zone of seismic network in Baotou in 2006，2009 and 2011.The deformation of each monitoring point in ITRF2008(international terrestrial reference frame 2008)is obtained and compared with the deformation by the precise leveling monitoring method.The results show that the average difference between the deformation by the GPS monitoring method and that by the precise leveling monitoring method is about 5.1 mm，and the accuracy of the former is higher，verifying the feasibility of the application of the GPS technology in the cross-fault vertical deformation monitoring.The method of using IGS stations to solve the monitor points'deformation in ITRF2008 does not require a stable starting point.And it is help to improve the program of cross-fault vertical deformation monitoring，the monitoring efficiency and cost-saving.

Key words:GPS(global positioning system);cross-fault precise leveling;vertical deformation;seismic network profiles

中图分类号:P228.4

A

1001－0505(2013)S2-0275-04

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.S2.012

收稿日期:2013-08-20.

杜伟吉(1985—)，男，助理工程师，292693726@qq.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41174083).

引文格式:GPS在跨断层垂直形变监测中的应用［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(S2):275-278.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.S2.012］