广州南沙区GPS地面沉降监测数据处理

陈玉林 匡翠林 戴吾蛟 谢荣安 卢辰龙

1 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙市麓山南路932号，410083

2 湖南省精密工程测量与形变灾害重点实验室，长沙市麓山南路932号，410083

3 广东省地质测绘院，广州市新街大道50号，510800

近年来，随着GPS技术的发展及其应用精度的不断提高，GPS技术已成为地面沉降监测的一种重要手段［1－6］。广州南沙区位于珠江入海口，广泛发育滨海相和三角洲相厚层软土淤沙层，厚达25～45m［7－8］，在地表荷载作用下容易出现大变形，引起地面沉降和边坡失稳。为掌握本地区地面沉降情况及其时空演化规律，建立了GPS地面沉降监测系统［9］。测区位于低纬度地区（22.6°N，113.5°E），电离层活跃。本文分别用3种不同的基线选择方法进行GPS数据处理，并将GPS结果与水准结果进行对比，研究南沙区地面沉降特征。

1 数据采集与传输

广州南沙区地面沉降监测系统由数据采集子系统、数据通信子系统、数据处理与分析子系统组成（图1），通过TCP／IP 协议实现监测点接收机与服务器的互联互访、远程控制。

1.1 数据采集

系统共布设4个双频点和7个单频点，同时布设68个精密水准点，点位分布见图2。各测站配备的GPS接收机均采用Novatel GPS OEM 板卡，并集成GPRS DTU 终端，采用国产测地型天线。监测点均匀布置在整个测区，仰角7o以上没有遮挡。11个测站均进行24h 不间断观测，采样间隔20s。

图1 广州南沙地面沉降监测系统Fig.1 Structure of GPS land subsidence monitoring system

图2 广州南沙地面沉降监测点分布图Fig.2 Distribution of GPS stations and leveling benchmarks

1.2 数据传输

GPS接收机通过GPRS DTU 终端对数据进行处理，协议封装后发送到GPRS无线网络。监控中心通过数据接收软件与各测站的接收机进行实时数据交换，将接收到的原始观测数据转为RINEX 格式文件存储。同时，为了保证数据传输的可靠性，GPS接收机集成了存储卡，如网络故障或监测中心故障致使实时数据交换失败，则将数据存入存储卡，以便故障排除后监控中心可继续接收故障时数据，避免数据缺失。

2 基准站稳定性分析

广州南沙地面沉降监测系统共包含11 个GPS监测点，命名为GD01～GD11，其中GD03、GD05、GD08和GD10为双频监测点，其他点为单频监测点。GD05 点位于基岩上，作为稳定的基准点；GD08点位于打了基桩的建筑物上，为相对稳定的点。为研究GD08点的稳定性，首先利用PPP技术分别解算GD05、GD08点坐标，获取坐标时间序列，N、E、U分量的RMS分别为5mm、7mm、13mm。然后，采用区域滤波方法［10］去除共模误差，提高GPS区域网坐标序列的信噪比，得到滤波后的残差序列（图3）。去除共模误差之后，GD05、GD08点N、E、U3个方向的残差速率均接近于0，即GD08与GD05在各个方向上运动速率相同，由此可认为GD08同样是稳定不动的点，可作为基准点。因此，本文以GD05和GD08作为GPS网数据解算的参考站。

图3 GD05、GD08站去除共模误差前后的残差序列Fig.3 Residuals of station GD05and GD08before and after removing common mode error

3 数据处理与分析

GPS数据跨度为2012－07～2013－12，采样率60s，用BERNESE5.0 软件进行单天静态定位解算。

3.1 监测数据处理

由于沉降监测区位于低纬度地区，电离层活动活跃，基线长度对数据解算结果有很大影响。为研究基线长度对解算精度的影响，数据处理采用3种方案：方案1、2分别以GD05、GD08为单基准点进行解算，方案3以GD05和GD08为双基准点进行基线解算。解算策略为：采用24h时段解静态处理模式，高度截止角10°；对流层天顶延迟采用标准模型SAASTAMOINEN，对流层估计采用2h间隔分段估计；卫星轨道采用精密星历，相位中心改正采用绝对天线相位中心改正模型（I05.ATX）；海潮模型为FES2004，参考框架为ITRF2005。图4给出GD04号点高程方向的残差序列，从上至下依次为方案1、2、3的解算结果，GD04站距离GD05和GD08站的距离分别为9.57km 和2.29km。从图4可以看出，方案2的解算精度最高。

图4 GD04点U 方向残差时间序列Fig.4 Coordinate residuals of GD04station

3.2 监测结果分析

3.2.1 GPS监测精度统计分析

本文借鉴IGS组织评定坐标重复性标准，以周坐标重复性（WRMS）［11］作为评价指标。图5为GD07站点3种不同基准选择方案的周坐标重复性序列，从左至右依次为以GD05、GD08 为单基准点以及GD05和GD08为双基准点的解算结果。从图中可以看出，方案1解算结果的坐标重复性最差，方案2解算精度最高，方案3介于方案1、2 之间，其中GD07 点距GD05、GD08 分别为7.6km、2.8km。

图5 GD07站点周坐标重复性WRMSFig.5 WRMS of coordinate weekly repeatability for GD07station

表1给出了3种不同基准选择方案下各站点的周坐标重复性均值。可以看出，单频监测点GD04、GD06、GD07、GD09、GD11基线长度越短，其解算精度在N、E、U3个方向上均有不同程度的提高；单频监测点GD01、GD02并不满足基线长度越短精度越高，主要是由于这两个监测点接收机质量的问题，导致数据缺失较多，且接收数据质量差，从而使得监测结果精度不高；双频监测点GD03、GD10与两个基准点的距离相差不大且都小于10km，基线长度对其解算精度影响不明显，也不满足基线长度越短解算精度越高。

表1 3种不同方案解算坐标分量WRMS均值Tab.1 Mean WRMS of 11GPS stations

3.2.2 GPS监测结果与水准测量对比分析

精密水准被普遍应用于验证新型地面沉降监测技术的可靠性和复杂地面沉降现象的研究［12－13］。监测区的9个GPS监测点有8个进行了水准联测，表2为GPS与水准结果的对比。其中GPS结果为短基线原则的最优结果，数据时间为2012－07～2013－12。水准测量一共进行了3期复测，分别为2012－03、2012－12～2013－01和2013－07～08。从表2可以看出，除了监测点GD06外，其他7个监测点的GPS结果与水准结果基本吻合，GPS解算所得沉降速率与水准之差都在±4 mm 之间；监测点GD06进行水准测量时第1 期复测之后得到的沉降量为6.36mm，第2期复测得到相对于第一次复测结果的沉降量为－1.1 mm，而GPS结果显示此监测点两期之间沉降基本均匀，初步判断GD06水准结果与GPS不相符的原因可能是该点水准测量出现较大误差。

表2 GPS结果与水准结果对比Tab.2 The results of GPS and leveling

4 结 语

1）GD08为稳定点，可作为参考基准点。

2）广州处于电离层活跃区域，即使基线小于10km，单频GPS解算精度受基线长度的影响仍然较大，且基线越短精度越高，而双频点几乎不受影响，因此需深入研究利用双频点数据精化电离层误差改正模型，以提高单频监测点的精度。

3）经过对比分析，GPS结果与水准测量结果相吻合。

4）根据沉降速率大小，可以将监测网中的点分为3类：第1类是沉降速率小于5mm／a的点，即相对稳定点，包括GD03、GD05、GD07、GD08点；第2 类是沉降速率大于5 mm／a、小 于20 mm／a的点，包 括GD01、GD02、GD04、GD06、GD10、GD11点；第3类是沉降速率大于20mm／a的点，包括GD09点。

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