GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降机理的研究

2016-09-02董思学盛志鹏郑南山

测绘通报 2016年5期

关键词：监测网水准测量平原

董思学，盛志鹏，郑南山

(1. 浙江省第二测绘院，浙江杭州 310012； 2. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116)

GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降机理的研究

董思学1，盛志鹏1，郑南山2

(1. 浙江省第二测绘院，浙江杭州 310012； 2. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116)

为研究GNSS静态观测监测大面积区域平原沉降机理，在杭嘉湖平原地区建立了由25个基准点和15个监测点组成的基准监测网，并根据2008—2014连续6年的GNSS大地高与精密水准测量数据的对比分析，验证了GNSS静态观测方法的实际精度。结果表明：GNSS大地高变化可以替代精密水准测量获取水准测量点的沉降值，为研究大区域平面沉降监测提供了有力支撑。

GNSS；沉降；平原

杭嘉湖平原地面沉降监测工作仅限于嘉兴城区为主的地面精密水准测量，控制面积和传递精度不足，并且水准测量人工成本高、工期长，难以满足人们日益增长的对监测网的需求，也不能满足地面沉降机理研究、评价模型设计与预测预警设计的需要。因此建立起以GNSS区域监测网为骨干，城市建筑密集区精密水准监测网络为脉络，重要地区建立基岩标、分层标的从城市到乡村、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，具有重要的现实意义[1-4]。

为更好地利用GNSS测量的优势，在监测网取两个剖面进行GNSS与水准联测试验，进而为评价整个平原的GNSS测量精度与更为合理的布设方案作准备。

一、应用GNSS监测杭嘉湖平原沉降数据处理

1. 试验区GNSS与水准共用点分布

GNSS基准点和沉降监测点的密度及位置除了必须满足地质分析的要求，还要将基准点选择在地质条件稳定的地方，最好是在基岩上，从而紧密地与周围地面固联在一起，有效反映地壳形变。为了保证各个点有效表达为GNSS与水准共用点，点位四周高度角10°以上无成片障碍物，附近无大面积水域，并且要远离高压电塔等[5]。

在图1中，由25个基准点(Ⅰ01、Ⅰ02、…、Ⅰ25)组成GNSS基准网，由15个共用点作为监测点(Ⅱ26、Ⅱ27、…、Ⅱ40)组成GNSS监测网，最长的基线边长不超过35 km。点位确定后，所有的观测点均建造配备强制对中装置的混凝土观测墩。通过多年的精密水准观测和基准分析，认定Ⅰ07和Ⅰ21是稳定的，将其作为起算基准点解算整个GNSS网。

图1　GNSS与水准共用点分布图

2. GNSS数据处理与精度分析

基线处理软件采用GAMIT软件。解算采用IGS精密星历，使用前期稳定的高精度Ⅰ07和Ⅰ21作为基准点，利用AUTCLN模块准确修正观测数据中的周跳并删除大残差观测值得到干净的X-文件，采用CVIEW模块手工编辑质量较差的数据生成观测方程和解算基线，得出每个时段的解。

(1) 基线处理与精度分析[6-8]

① 同步环检核

由于GAMIT软件采用的是全组合解，其同步环闭合差在基线解算时已经进行了分配。对于GAMIT软件基线解的同步环检核，可以把基线解的nrms值作为同步环质量好坏的一个指标，一般要求nrms值小于0.5，不能大于1.0。本网共计算了25个基线文件，其中23个nrms值均小于0.5，最大的为0.681。这说明GNSS网的整体外业观测质量较高，基线解的精度较好。

② 重复基线

各时段解向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。该网共有325组重复基线，有关整体重复性精度统计如下。

在经过精化处理后，整体重复性在南北方向上为5.07 mm+2.59×10-8l，东西方向上为6.08 mm+3.57×10-8l，垂直方向为13.01 mm+10.6×10-8l，基线长度方向为6.21 mm+1.87×10-8l。按《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)，对于GPS B级网，其固定误差要≤8 mm，比例误差要≤1×10-6D，由此可见，杭嘉湖平原地面沉降监测网的基线处理的精度达到了技术设计的要求，完全满足设计的要求。

③ 异步环检核

GPS异步环闭合差反映的是整个GPS网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性，相对于同步环闭合差，异步环闭合差对GPS成果质量更为重要。

对于杭嘉湖平原地面沉降监测网，共检核由平差所用的独立基线构成的最简异步环186个。在检核的异步环中，所有的异步环闭合差都小于国家GPS规范的要求。其中，绝对闭合差最大的异步环为Ⅰ01→Ⅰ10(3371)0001→HUZH(3371)0010→HUZH(3431)(括弧中的数字前3位为年积日，第4位为时段号)，其X分量的闭合差为-0.012 3 m，Y分量的闭合差为-0.078 7 m，Z分量的闭合差为-0.019 0 m，位置的闭合差为0.082 m，位置的限差为0.335 m，其相对闭合差为0.750×10-6D；相对闭合差最大的异步环为Ⅰ09→Ⅱ28(3390)Ⅰ09→Ⅱ28(3390)，其相对闭合差为2.123×10-6D，X分量的闭合差为-0.010 6 m，Y分量的闭合差为-0.014 6 m，Z分量的闭合差为-0.031 9 m，位置的闭合差为0.029 m，而位置的限差为0.044 m。由此可见，所有的异步环均满足规范要求。

(2) 网平差及其精度分析

各期本次三维平差基于ITRF框架，采用武汉大学研制的PowerAdj科研分析版(PowerNet)。使用各同步观测网的227条独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量进行解算，通过对观测量方差因子的调整，使得三维无约束平差结果的单位权中误差通过χ2检验。

① 三维无约束平差结果的精度分析

从表1和表2的统计可以看出，基线分量的改正数都较小。如果以改正数σ=0.010 m为中误差，限差为两倍的中误差时，可以计算出真误差Δ在区间(-2σ，2σ)的置信概率[7]为89.5%；如果限差为三倍的中误差时，可以计算出真误差Δ在区间(-3σ，3σ)的置信概率为97.6%。这就从定量分析上说明观测质量较好，并且基线解的精度也较高。

表1　基线平差改正数统计　m

表2　改正数区间个数统计　m

② ITRF坐标框架下的三维约束平差精度分析

各期整体约束平差选用经过前期稳定性检验的基岩点Ⅰ07和Ⅰ21作为基准点，并且引入高精度的武汉(WUHA)和上海(SHAO)的IGS站点[8]，消除因星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统性偏差。

杭嘉湖平原地面沉降监测网ITRF坐标框架下的三维约束平差观测边长精度统计结果如图2和表3所示，点位坐标分量精度统计表见表4和表5。

图2　三维约束平差观测边长精度统计

<0.1×10-6D0.1～0.5×10-6D>0.5×10-6D1061165

表4　点位精度中误差统计　m

表5　点位精度中误差区间个数统计

由图2和表3、4、5可知：①监测网的平均相对精度为0.132 6×10-6D，最弱边(Ⅰ13-Ⅱ31)相对精度为0.968 7×10-6D，其边长为3 445.291 5 m；②坐标分量在水平方向上的平均精度为0.006 2 m，在大地高方向为0.009 4 m。其中Ⅰ09、Ⅰ17、Ⅰ25等点的观测条件不好，导致点位精度较差。最弱点为Ⅰ25，其水平精度为0.017 4 m，大地高精度为0.025 2 m。

根据《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)，B级网边长的精度指标为：固定误差小于8 mm，比例误差系数小于1×10-6D。由此可知，杭嘉湖平原地面沉降监测网精度优于规范所规定的精度指标，各期GNSS数据处理方案及精度均符合规范要求[9]。

二、GNSS监测地面沉降成果分析

对多期的GNSS沉降监测数据按文中步骤进行严格处理，水准测量数据按自由网平差，以消除各期观测值之间的尺度和方位偏差，实现位置基准、尺度基准和方位基准的统一，便于获得高精度的沉降监测结果[10]。本文主要对GNSS和水准测量共用点的两种测量方法的数据信息进行分析，并按对应年份比较列于表6。

表6　沉降监测剖面共用点沉降量表

续表6

注：表格内“负号”表示下沉；中误差σ表示大地高与水准高表示的沉降量中误差平方和开方。

从上述对照表可以看出：

1) 大地高沉降量中误差普遍小于水准测量的中误差，除了个别点在不同年份受周围观测条件影响外，大多数在5 mm左右。最终的中误差的数量级与两者沉降之差的数量级一致，排除外符合精度的高低，在理论精度上可以判断GNSS大地高监测沉降的可行性。

2) 如果以水准测量的沉降量为相对真值，2009年与2010年平均有90%以上的点沉降量为正值，表示地面有抬升现象，而GNSS大地高沉降量在2009年与2010年仅有30%的点沉降量为正值，平均相差20.5 mm，表示GNSS观测有系统误差存在。原因可能有两个：一是假定的基准点有抬升，可能使得GNSS测得的沉降量偏大；二是测量误差，也可能造成影响。

3) 对比分析2010年与2009年的沉降可以看到，GNSS大地高与水准测量的结果趋势性接近，并且差值与相应的水准测量结果的互差变小。考虑排除系统差的情况，GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降监测的可靠性可以得到保证。

4) 水准测量沉降值自2009年，沉降监测剖面几乎所有的点均有所抬升，至2012年达到最高点，如Ⅱ34抬升54 mm；GNSS大地高沉降值虽然有73%以上的点抬升，但少量点如Ⅱ37与Ⅱ38沉降不断反复，剔除系统差依然表现为沉降反复，实地勘察两地的观测条件已不符合GNSS观测要求，考虑重建共用点。

三、结束语

1) 本文对杭嘉湖平原地区多期的GNSS监测数据处理与沉降分析进行了研究，结合多期的精密水准测量数据表明，杭嘉湖平原的整体沉降自监测时间起发生抬升现象，并且抬升自2012年起呈减缓趋势。

2) 通过GNSS大地高变化，发现部分点沉降后反弹的趋势非常明显，在与精密水准测量方法获得的结果进行对照分析后，发现GNSS大地高误差有一定的系统性，考虑GNSS大地高观测的精度，按误差传播定律，1 cm左右的变形对于观测精度而言是不显著的，这对变形分析下结论是需要考虑的因素。

3) 杭嘉湖平原地区沉降变化在近年来逐年变小，甚至达到毫米级以下。为了保证GNSS在杭嘉湖平原地面沉降监测的精度及可靠性，在内外业中，应确保以下几点：使用强制对中观测墩；根据监测网点周边环境的变化，及时对监测网点分布进行优化设计；利用高精度解算软件GAMIT GLOBK进行基线计算并与Bernese软件基线解算结果进行对比。

4) GNSS观测数据可能包含一些偶然的误差和未知的因素在内，需要有长年的、多期的数据综合分析，才能更加精确地分析杭嘉湖平原地面沉降现象。如有可能，宜结合当地的InSAR[11-12]数据对GNSS数据监测结果进行补充验证，确保节省水准测量工作量的同时，得到准确地沉降模型，做好沉降监测与预测工作。

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