基于地面沉降监测应用的嘉兴市GPS参考站网系统建设

摘 要：本文主要介绍了基于地面沉降监测的嘉兴市GPS参考站网建设的背景、总体目标、基本原则以及参考站网各子系统建设的概况和系统建设所采用的关键技术。

关键词：地面沉降 监测 参考站

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0045-02

1 国内外GPS参考站网系统在地面沉降中的应用现状

1.1 国际上GPS参考站系统在地面沉降监测中的应用

地面沉降在世界上许多国家都有发生，但采用GPS参考站系统来监测地面沉降的国家还是相对较少，在美国加州、日本的东京、大阪、新泻和泥绮等地，GPS测量已经取代了区域性的地面标高的水准测量，他们利用GPS技术量测了地面沉降数据，绘制了沉降变化图，同时他们采用最严格的测量程序，其大地高的精度可达到毫米级，为控制和监测地面沉降的进一步变化提供了很好的参考和研究的依据。一些国外其他国家自20世纪开始也在研究通过GPS参考站网系统来监测地面沉降的问题，取得了成功的经验，走在了世界的前列。

1.2 国内GPS参考站系统在地面沉降监测中的应用

20世纪20年代初，中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害，至20世纪60年代两地地面沉降灾害已十分严重，上海市自1998年开展了利用GPS技术监测地面沉降的研究，布设了上海市的地面沉降监测基准网，对上海市地面沉降实施连续监测。天津市针对本市地面沉降严重的特殊情况，也建立了自己的GPS参考站网系统，希望能通过参考站网系统对天津市地面沉降做到实时的、高精度的监测，为城市发展、政府决策提供依据。

20世纪70年代，长江三角洲主要城市及平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降；80年代以来，中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加，地面沉降范围也由此从城市向农村扩展，在城市上连片发展。国内其它城市如昆明、重庆、武汉、宁波、西安等城市也都相继建立了自己的GPS参考站网系统，从而在地面沉降监测方面也具有了更好的监测手段和更大的探索空间，为防止和控制地面沉降迈开了具有实质性意义的一步。

2 系统建设的背景

对嘉兴而言，地面沉降形势严峻、监测研究相对薄弱，监测工作只限于嘉兴城区为主的地面水准测量，控制面积、控制精度不足，难以系统、全面、适时、可靠地掌握区域地面沉降的分布和发展规律，且水准测量人工费用较高、工期较长，难以满足日益扩大的监测网的需要，也不能满足地面沉降机理研究、评价模型建设及预测预警的需要。

建立起以嘉兴市连续运行GPS参考站网系统为骨干，城市建筑密集区精密水准监测网络为辅，重要地区建立基岩标、分层标，由此构成从城市到乡村、由局部到区域、由地表到地下的系统的立体监测网络体系，并实现地面沉降与地下水监测的自动化监测、网络化管理，很有现实意义。

3 系统建设的总体目标和基本原则

嘉兴市连续运行GPS参考站网系统总体目标在于建立以区域GPS监测、重要城市区域精密水准测量为主，辅以地下水动态监测网，实现地面沉降自动化监测和监测数据实时传输的形变监测自动化基准平台。

基本原则如下。

（1）在满足系统技术要求的条件下以最少的地面沉降监测站、合理的分布实现最大的覆盖。

（2）有利于工程总体目标的实现及系统分步建设。

（3）采用目前最先进、最完善的GPS基准站网建站技术，立足测绘，服务社会。

（4）系统结构应该体现简洁、适用、操作简便和低成本运行的概念。

（5）利用目前国内外先进的无线电通信技术，尽量采用公共通讯网统一频点、统一标准、统一管理，以节省频率资源，提高效率。

（6）采用科学的项目管理手段对系统进行全程建设指导，从方案设计、施工、验收等实现全程监理模式确保系统建设的可靠性。

（7）系统应兼顾目前及今后的发展。

4 参考站的选址

嘉兴市连续运行地面沉降GPS参考站站址的选择遵循以下基本依据和原则。

4.1 选址依据

（1）基准站址对我市地面沉降严重地区的监测精度影响，我们尽量把基站选取在地面沉降漏斗之处。

（2）地质特性，嘉兴全市到基岩的地质沉积厚度各不相同，基本介于170～300 m之间，因此在考虑基岩标选址时为了保证其便于施工，节省工程资金，以及降低标心在施工中的形变等因素，我们尽量选择基岩较浅的地区进行选址。

（3）网形依据，网络建成后，不但要进行地面沉降监测，同时要服务于国土管理的其它测绘工作，但因我市总面积只有3915 km2，在其中布设7个站，则其站间距已非常高，已能满足在我市以内的监测应用，因此本依据从弱。

4.2 GPS基准站建设选址原则

（1）保证基准站周围开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°高度角，原则上是周围200～300 m内没有大的建筑物或者树等遮挡。

（2）远离高压线。

（3）远离无线电发射塔。

（4）远离不明干扰源。

（5）远离大的水面或者水泥地面等影响多路径比较严重的地区。

（6）远离能引起较大震动的地区，比如行驶20 t以上卡车主干道。

（7）要保证多个基准站要合理分布，形成很好的几何图形。

（8）尽量靠近数据传输网络。

在满足以上选址条件的同时，我们还要考虑站址的环境要求，前期还要进行选址测试。

5 参考站网子系统的建设

5.1 基站建设

根据实地踏勘和综合分析，6个基岩标分别建于王店三建村、海宁诸桥村、桐乡联丰村、平湖友联村、海盐县看守所、嘉善陶庄村，由安徽省地质矿产勘察局313地质队实施，基岩标深度介于150～320之间，其中海宁最浅约158 m，嘉善最深约311 m。

参考站观测墩墩基约为一长、宽、深各为2 m的立方体水泥墩上再浇筑一长宽约1 m×1 m礅体，各参考站点也以不同形式做了一定程度的美化，比如装饰钛金条、不锈钢圆管等（图1）。

5.2 防雷设施的建设

为了有效保证参考站系统的正常运行以及参考站设备的安全，消除雷暴天气对整个参考站系统和设备的影响，对每个参考站设备都进行了有效地防护措施，主要包括接地桩和避雷针以及电涌防护设备。

5.3 UPS供电系统的建设

连续供电对GPS参考站网系统的稳定性具有非常重要的作用和意义，在一般情况下，参考站系统使用民用交流电运行，当市电中断时，UPS电源还能维持大约24小时左右的续航能力，以保证参考站网系统的正常运行。

6 通讯网络子系统的建设

通讯网络子系统是连接控制中心、地面沉降监测网子系统的纽带，没有通讯网络子系统整个系统就只是一个一个的孤立的单元，数据无法流动，就不能构成一个有机的整体，也就不能成为一个系统。

GPS参考站网系统与控制中心的通讯主要是将GPS地面沉降监测网的观测数据通过通讯网络传输到控制中心，同时控制中心监测地面沉降监测网的状态和完好性，实现数据实时监控处理（图2）。

在数据中心主要采用Internet播发网络RTK数据（NTRIP），支持多个用户。用户可通过GSM/CDMA拨入电话网或GPRS无线上网获取网络RTK改正数据。

7 数据中心和控制中心子系统的建设

在参考站网系统中，数据中心是整个系统非常重要的一个部分，目前已配备有一台专门的HP沉降网服务器，此服务器与所有参考站GPS接收机相连，可用于远程操作。

当各参考站GPS原始数据采集到数据中心后，其中数据文件以及GPS数据质量检查报告和系统消息日志文件可传送到客户的Web服务器上，用户则可通过Internet下载必要的数据。

8 系统关键技术

嘉兴市GPS参考站网系统建设中的关键运用了VRS技术以及VPN技术。VRS技术的出现，使测量员一进入测区的任何一点就能立即开始GPS高精度实时动态RTK测量。这一创新的定位理论思想是采用了固定参考站网络来合成“虚拟参考站”，使测区内每个测量员都能使用，它能得到厘米级的精度，并大大增强系统的性能和可靠性，它标志着高精度GPS进入了一个新的发展阶段。VPN技术即虚拟专用网，是通过一个公用网络（通常是因特网）建立一个临时的、安全的连接，是一条穿过混乱的公用网络的安全、稳定的隧道。VPN架构中采用了多种安全机制，如隧道技术（Tunneling）、加解密技术（Encryption）、密钥管理技术、身份认证技术（Authentication）等，通过上述的各项网络安全技术，确保资料在公众网络中传输时不被窃取，或是即使被窃取了，对方亦无法读取数据包内所传送的资料。

嘉兴市GPS参考站网系统的建成，对嘉兴市全市地面沉降监测起到了极大的推动作用，真正做到了监测数据的实时采集、实时汇总，为地面沉降防治和政府决策起到了很好的指导作用。

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