GPS技术在郑汴新区地面沉降观测中的应用

刘平利+乔天荣+赵珂+王传先

摘 要：基于《河南省郑汴新区城市地质灾害与地质环境综合调查评价》项目中地面沉降部分，对GPS技术在郑汴新区地面沉降监测中的应用，总结出了一些行之有效的高精度监测方法。该文介绍了地面沉降监测点制作规格和监测网的建立情况，详细说明了GPS技术在郑汴地面沉降精密监测野外实施方法和得出监测数据的整个流程。

關键词：GPS 郑汴新区 地面沉降观测

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（c）-0081-02

目前随着GPS定位精度的不断提高，尤其是高程分量精度的不断提高， 以观测时间周期短、布网灵活、自动化程度高、观测点间无需保持通视、全天候作业，并能同时观测点的三维坐标等优点，使采用GPS建立地面形变三维监测网，直接测定测区的三维空间变形得到了认可。因此，可以在测区建立GPS三维地面变形监测网，从中获得变形监测点在WGS-84系里的大地坐标，进而通过周期观测，获得地表的三维变形信息，从而得出地面沉降在大地坐标下的沉降量。

1 起算点的解算与精度分析

郑汴新区地面沉降GPS监测z网的起算点 （已知点） 为中牟、郑州和开封三点为河南省地质信息连续采集运行系统连续跟踪站点。为了获得其高精度的起算点基准，我们在郑州航空港区打了800 m深的一个基岩标（JYJC），和联测了郑州梅山基岩标，采用GAMIT软件和IGS精密星历一起进行解算，通过固定中牟、郑州和开封CORS三个跟踪站的坐标平差后获得JYJC和梅山在ITRF00坐标框架下的准确坐标，两个点的坐标精度优于5 mm，可作为基准点的起算坐标。

2 强制观测墩的规格

监测地面沉降测量标石至关重要，它反映地面沉降的一个重要指标，利用强制观测可以消除因为仪器对中和仪器高而产生的误差。图1是我们这次强制观测墩的设计和实物。

3 监测网的建立及数据采集

针对郑汴新区地理位置和地质地貌的特殊性，采用整体布网和局部加密的方法布施监测网，以高精度、高效率地监测郑汴新区地面沉降，郑汴新区沉降观测项目观测范围的总面积2 127 km2，在郑汴新区布设统一的区域性的地面沉降GPS监测网，通过定期的重复观测，该次依据地质地貌的特征和重要的地面人为工程，我们在2009年底建立地面沉降和建筑物变形监测45点，共埋设了40个沉降强制观测墩，制作5个高层建筑物的强制观测标，其中基岩标带有GPS接收天线强制归心平台和球型高程标志，地面沉降观测标志和高层建筑物顶部的测量观测标志也均带有GPS接收天线强制归心平台和球型高程标志，以便于GPS观测和水准联测，地面沉降观测墩标石埋设后，经过一个雨季等标石稳定后方可用于观测。

对于已建成的郑汴新区地面沉降GPS监测网分别于2012年12月、2013年3月、2013年6月、2013年9月、2013年12月进行了5期监测，GPS监测方法采用测量级别选择以B级网观测方法观测，每次观测时都用专用的连接杆和仪器相连，以至于减少连接误差，GPS接收机在开始观测前，都进行预热和静置，为了便于使用，GPS数据文件名中都包含测站名和测站号，观测单元、测站类型、日期、时段号等信息。施测时采用6台双频GPS接收机以静态相对定位模式，同步观测，并以网连式构网方式进行观测。GPS外业观测时间为每天早8点到晚8点左右，保证每一时段 （每天）的观测时间不少于12 h，并以6个点构成同步观测图形，图2（监测点分布图）是我们观测组网的情况。

4 数据解算与数据分析

由于观测数据量大、要求精度高，联测国家基准参考站数据和省内中牟、开封、郑州三个河南省地质信息连续采集运行系统的cors站数据，所以每次野外观测完数据委托于国家大地解算中心进行数据解算，获得基准点和监测点在WGS-84坐标系里的空间直角坐标、大地坐标，在就基准网以及相关监测网实施多期观测之后发现，借助大地高变化，可以获得郑汴新区的实际地面垂直沉降数据信息。为了在一定程度上防止出现精度损失，一般情况下基准点以及监测点的大地高其实并不需要转换为政策高形式，可以直接在大地高差值基础上实施，垂直沉降分析。此外，在多期GPS监测数据处理前提下，为了进一步消除不同时期地面沉降数值的尺度偏差以及方位偏差，做到方位基准、位置基准以及尺度基准三者的统一，从而获得更为精确的监测结果，可以在统一坐标下，实现5次GPS数据的统一归算，最终归算到统一历元里。根据相关监测结果显示，郑汴新区自身的地面沉降变形情况并不是十分严重。总之，借助GPS卫星定位技术，可以就城市地面沉降情况进行全方位监测，其具体监测精度可以充分满足城市沉降监测要求，可以进一步增强郑汴新区在数据监测管理方面的现代化程度，获得本区域的实际地面沉降量，更好地开展地质预测评价，从而为制定科学合理的防御措施提供相应的设计参考。结合正确化、合理化的沉降趋势预测，最终获得地面沉降可能会带来的危害，从而为相关部门提供有效参考。

5 结语

（1）GPS测量有一定局限性，监测点附近必须地势开阔，无大障碍物，GPS接收机必须容易接收到卫星信号，因此，需要埋设的强制观测墩必须在空旷的区域，但由于地区城市化发展比较快，不利于保存这些测量标志，对常年观测这些点造成了严重的影响，这也是郑汴新区地面沉降采用GPS测量方法全面取代水准测量方法所需解决的一个问题。

（2）由GPS定位技术监测地面沉降受粗差干扰严重，粗差来源有很多因素，因此，观测时要详细记录周围是否有大面积噪声、气候等因素。在数据处理方法中，需借助国外先进软件提高基线向量的解算精度，并研究在平差方法中使用抗差估计以降低粗差干扰的影响。

（3）将GPS技术用于地面沉降监测需进行精心的监测网技术设计、建造强制观测墩、制定严格的观测周期，特别是在处理观测数据时要进行对数据的分析和剔除，加之对网中的观测点进行二等水准联测，这样方能实现以足够的高程精度进行地面沉降监测，并对与经济活动有关的地面沉降的发展趋势进行工程地质预测评价，为经济、合理的防御和避让措施提供设计依据。

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