北京土层GNSS连续观测站沉降影响的识别和改正

吴培稚　梁　芳　胡乐银　徐　平　邢成起　孙建宝　黄雨蕊　施玉芳　季　红

1　北京市地震局，北京市苏州街28号，100080 2　中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京市华严里甲1号，100029



北京土层GNSS连续观测站沉降影响的识别和改正

吴培稚1梁芳1胡乐银1徐平1邢成起1孙建宝2黄雨蕊1施玉芳1季红1

1北京市地震局，北京市苏州街28号，100080 2中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京市华严里甲1号，100029

以基岩GNSS连续观测站为背景，考察各土层GNSS连续观测站垂直、水平分量的变化特征。观测结果表明，排除沉降干扰，严重沉降站一般需要改正，一般沉降站视研究需要决定是否改正。最后给出受沉降影响的测项的改正方法。

GNSS；区域基准；沉降干扰；改正

北京GNSS连续观测网于2005年建成[1]，大部分测站建在土层上，部分测站还设在沉降区。它们为研究沉降提供了采样率最高、连续性最好的观测手段，也为GNSS监测地壳运动，研究排除沉降干扰提供了有利条件。本文以基岩站为背景，考察各土层站3个分量的变化特征。

1　背景选择

在全球框架下，北京地区GNSS站的水平分量存在南移、东移的趋势，基岩站垂直分量呈现小幅度上升的趋势。仿照构造区域基准的方法，选择沉降区及周边的基岩站构成稳定点组。北京GNSS连续观测网共有4个基岩站，其中房山、十三陵、蓟县3个站缺数很少，由此3个站组成稳定点组；牛口峪站作为检验站，用以检验基岩区域基准的稳定性。图1是区域基准下4个基岩站的日值变化曲线。可以看出，牛口峪站变化与其他3个站整体相同，4个测站所有测项的年平均变化量均小于1.5 mm，低于各分量日值的平均误差，基岩区域基准是稳定的(图中各测站曲线的标识符见表1)。

图1　基岩站U、N、E分量变化曲线Fig.1　Time series of U, N and E components in bedrock stations

2　垂直分量沉降影响的识别和改正

基岩区域基准下，全部12个土层站的垂直分量日值变化曲线见图2(a)，图中缺数原因为缺测及冻土、大树干扰等。可以看出，这12个站的下降变化各不相同。由水准、InSAR、地下水和宏观调查得知，北京市郊存在大面积的土层沉降[2-3]，上述下降变化是由地面沉降引起的。

综合日值观测误差、年平均下降量等因素可以初步设定，年平均下降量小于5 mm的测站为不沉降站，5～10 mm的为一般沉降站，超过10 mm的为严重沉降站。据此，12个土层站可分成3组，不沉降站有昌平、延庆、汤河口、斋堂，它们不在沉降区内；一般沉降站有大兴、西集、石景山、测绘院，它们大部分在沉降区边缘；严重沉降站有牛栏山、平谷、朝阳、东三旗，其中东三旗站年平均沉降量80 mm左右，为连续GNSS观测到的沉降最严重的台站。

图2　土层测站U分量变化曲线Fig.2　Time series of U components in soil stations

在时间序列曲线图上，土层沉降使原来的水平趋势变化变为缓慢下降，沉降改正、期望改正后的趋势变化接近原来的水平状态。图2(d)中严重沉降的4个测站，经多种方法试算、多项指标比较发现，东三旗、牛栏山、朝阳3个站适于用二次多项式拟合，平谷站适于用线性模型拟合。拟合改正后的曲线见图3，各曲线年平均变化量接近0，基本排除了沉降干扰的影响。

图3　土层严重沉降组各站垂直分量改正后的变化曲线Fig.3　Corrected time series of U components in severely subsidence soil stations

3　水平分量沉降影响的识别和改正

水平分量实测结果见图4。图4(a)、图4(b)为不沉降组的N、E曲线，图4(c)、图4(d)为一般沉降组的N、E曲线，图4(e)、4(f)为严重沉降组的N、E曲线。仿照上文垂直分量设定沉降指标的方法，以年平均变化量1.5 mm为界，不沉降组和一般沉降组各站的年平均变化量均小于1.5 mm(测绘院站因人为干扰，U分量曲线未绘)，可不作改正。

严重沉降组中平谷站年平均变化量小于1.5 mm，可不作改正。东三旗、朝阳、牛栏山站的平均年变化量一般大于1.5 mm，变化特点也不同。南北分量中，东三旗站和朝阳站北移，牛栏山站南移，东三旗站偏移量最大；东西分量中，朝阳站东移，牛栏山站和东三旗站西移，朝阳站偏移量最大。3个测站偏移的方向和大小受该站在沉降区中位置的制约，这种制约符合沉降漏斗的假设，属沉降影响所致。排除沉降对水平分量的干扰，改正后的趋势变化应在时序曲线图中接近水平。改正方法可用本测站垂直分量的改正数学模型，即二次多项式。图5是东三旗、朝阳、牛栏山站改正后的时序曲线，它们的趋势变化接近水平。

年平均变化量的计算方法如下：在选定时段内绘日值曲线，时间以a为单位，对所有测站各分量曲线进行直线回归，直线的斜率即是年平均变化量。表1给出了所有测站在基岩区域基准下日值曲线的斜率值、沉降改正的数学模型及所属组别，改正后曲线斜率都接近0，改正效果较好。

表1　测站日值曲线的斜率及沉降改正模型

图4　土层站水平分量各组变化曲线Fig.4　Time series of horizontal components in soil stations

图5　土层严重沉降组N分量、E分量改正后的变化曲线Fig.5　Corrected time series of N and E components in severely subsidence soil stations

4　结　语

在以日值为基础的GNSS测值变化曲线上，地面沉降和地壳运动均会呈现缓慢的趋势变化，消除沉降干扰必须慎重[4-6]。测站沉降的识别和改正可分为以下几步：1)在排除冻土、树木、超差、迁址、设备和人为等已知干扰后，土层测站在垂直方向上表现出下降趋势，并积累了一定程度，可确定为疑似沉降站；2)收集疑似沉降站能反映沉降的资料，找出肯定、否定沉降的证据；3)由基岩等不沉降站组成稳定点组，构造区域基准；4)适当扩大时空范围，在区域基准下计算疑似沉降站及周边其他测站的3个分量值；5)绘制区域基准下垂直分量曲线，土层站年平均下降量大于设定值(如10 mm)时视为严重沉降站；6)考虑到沉降的局部、缓慢、多变等特点，分时段选择合适的数学方法消除垂直分量的沉降干扰，改正后的趋势变化大体与基岩站接近；7)沉降区内测站的水平分量也会受沉降影响，这种影响的数量、方向、大小与沉降不是一一对应的，需逐站逐分量逐时段地识别和改正；8)对于一般沉降站是否需要改正，应视研究目标而定，一般应尽可能少改正。

本文给出的沉降识别指标还需要在更大范围、更长时段内得到证实，沉降改正算法也需随时间、地点的改变而变化。在使用GNSS数据监测地壳运动时，考虑测站有无沉降干扰是必要的。

致谢：感谢顾国华研究员、王敏研究员的悉心帮助和指导！

[1]吴培稚，孙建宝，徐平，等.利用北京GNSS连续站监测地壳运动遇到的问题及解决办法[J].地震，2014，34(1):144-151(Wu Peizhi, Sun Jianbao, Xu Ping, et al. Problems and Solutions Encountered in Continuous GNSS Monitoring of Crustal Movement [J]. Earthquake, 2014, 34(1):144-151)[2]杨艳，贾三满，王海刚. 北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析[J].上海地质，2010，31(4):23-28(Yang Yan, Jia Sanman, Wang Haigang, et al. The Status and Development of Land Subsidence in Beijing Plain [J]. Shanghai Geology, 2010, 31(4):23-28)

[3]梁芳，孙建宝，沈正康，等.L波段InSAR数据观测到的北京及其周边2007-2010年间累计地壳形变基本特征[J].地震，2013，33(4):43-54(Liang Fang, Sun Jianbao, Shen Zhengkang, et al. Accumulated Crustal Deformation and Its Characteristics in Beijing and Surrounding Regions in 2007-2010 from L-band InSAR [J].Earthquake, 2013, 31(4): 43-54)

[4]黄立人. GPS基准站坐标分量时间序列的噪声特性分析[J].大地测量与地球动力学，2006，26(2)：31-33(Huang Liren. Noise Properties in Time Series of Coordinate Component at GPS Fiducial Stations [J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2006, 26(2):31-33)

[5]王敏，沈正康，董大南. 非构造形变对GPS连续站位置时间序列的影响和修正[J].地球物理学报，2005，48(5)：1 045-1 052(Wang Min, Shen Zhengkang, Dong Danan, et al. Effects of Non-Tectonic Crustal Deformation on Continuous GPS Position Time Series and Correction to Them [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2005, 48(5):1 045-1 052)

[6]顾国华. 基准站GPS连续观测得到的垂直位移时间序列[J].地震地质，2005，27(2)：332-340(Gu Guohua. Time Series of Vertical Displacements Obtained from Continuous GPS Measurement at Fiducial Stations in the Crustal Movement of Observation Network of China [J]. Seismology and Geology, 2005, 27(2):332-340)

Foundation support:The Old Experts Scientific Research Fund of CEA, No.201502；Natural Science Foundation of Beijing, No.8041001,8092012.

About the first author:WU Peizhi, researcher, majors in earthquake monitoring and prediction, E-mail:quakewu@163.com.

Identification and Correction of Subsidence Signals for Soil-Based GNSS Continuous Stations in Beijing Area

WUPeizhi1LIANGFang1HULeyin1XUPing1XINGChengqi1SUNJianbao2HUANGYurui1SHIYufang1JIHong1

1Earthquake Administration of Beijing Municipality, 28 Suzhou Street, Beijing 100080，China 2State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology,CEA, A1 Huayanli,Beijing 100029, China

In this paper, we take rock-based GNSS continuous stations as referents, and inspect the observed deformation variations in both horizontal and vertical components of every soil-based GNSS continuous station. Observations show that severe subsidence stations must be corrected, slight subsidence stations should be corrected depending on the research goals, and no correction is needed on non-subsidence stations for continuous GPS observations. We also present some methods for subsidence correction on GNSS station observations.

GNSS; regional base station; subsidence interference; correction

2015-07-15

吴培稚，研究员，主要从事地震监测预报研究，E-mail:quakewu@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.008

1671-5942(2016)09-0789-04

P315

A

项目来源：中国地震局老专家科研基金(201502)；北京市自然科学基金(8041001,8092012)。