基于GNSS的地面沉降监测数据处理及精度分析

2017-11-04高彦涛王军见许红伟王金娜

资源导刊(信息化测绘) 2017年10期

关键词：监测网水准测量水准

高彦涛王军见许红伟王金娜

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州450006；2.河南省测绘工程院，河南郑州450003）

基于GNSS的地面沉降监测数据处理及精度分析

高彦涛1王军见1许红伟2王金娜1

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州450006；2.河南省测绘工程院，河南郑州450003）

以开封市地面沉降监测为例，对监测过程中GNSS网布设、基线处理、网平差及常见问题等进行了分析论证，

并最终与水准测量结果进行了对比分析，验证了GNSS的监测精度达到厘米级，取得了应有的监测效果，从而给出了以GNSS开展城市大范围地面沉降监测的监测方法。

GNSS；GAMIT；Cosa；地面沉降

引言

河南是我国地面沉降较为严重的省份之一，地面沉降主要分布在豫北平原及郑州、开封、洛阳、许昌、濮阳、安阳、新乡等多个城市。目前豫北平原最大沉降速率在40mm/年以下，大部分地区小于10mm/年，沉降速率10～20mm/年的区域面积为3486.3km2，沉降速率大于20mm/年的区域面积为55.9km2。地面沉降速率总体相对较小，但范围扩大；郑汴新区最大沉降速率60.2mm/年，位于中牟县刘集—大孟一带[1]。

为此，河南省从2012年开始建立健全地面沉降监测网络。目前，主要在郑州、洛阳及开封等主要城市和郑汴新区建立了地面沉降监测网，共建设1个地面沉降监测站、1座基岩标、1组分层标、597个水准点、105个GNSS（Global Navigation Satellite System,简称GNSS）监测点和385个地下水监测点，初步构建了由基岩标、分层标、水准和GNSS监测网及地下水动态监测网，辅以InSAR空间观测系统组成的地面沉降监测网，基本实现了地面沉降立体监测和局部分层标组的实时监控，为地面沉降防治工作奠定了基础。2013～2016年开封市采用InSAR监测、水准监测、GNSS观测及地下水动态监测等多手段相结合开展了大范围地面沉降监测，并获得了多种手段的监测结果。同时，随着新一代卫星定位导航系统的发展，GNSS技术以其全天候、高精度、高时空采样率、三维动态等特点在大坝监测、板块运动、滑坡监测等诸多领域得到广泛应用。其平面精度可达±1～2mm或10-9（相对精度），高程精度也可达±2～6mm[2]。本文以2015～2016年开封市地面沉降GNSS观测数据处理为实例，详细介绍基于GNSS的城市地面沉降数据处理过程及精度分析，同时，为了尽可能地保证GNSS观测能够满足大范围地面沉降毫米级的监测精度要求，针对GNSS布网模式、观测方式、数据处理方法及误差消除等问题进行了探讨，并给出了以GNSS开展城市大范围地面沉降监测的监测方法及常见问题解决方法。

1 开封市地面沉降监测网设计与实施

1.1 水准监测网

2016年12月组织完成了开封市一、二等水准测量工作，共完成一等水准测量185km，二等水准测量150km，共联测普通监测点132个、基岩标1个、分层标6个、孔隙水监测孔标4个。

一等水准测量作为首级监测控制网，沿工作区外围、东西南北走向的主要道路的B级GNSS点和水准点组成一等水准网，然后在一等水准网内组成二等水准附合水准网，见图1。

图1 2015年地面沉降监测水准路线图

1.2 GNSS监测网

开封市地面沉降GNSS监测采用两级布网的方式构网，一级网为基准网(见图2)，由3个最近的HNGICS（河南省地质信息连续采集运行系统）基准站作为基准，分别是KFKF（开封）、XXCY（长垣）、ZZZM（中牟）3个基准站。二级GNSS网为地面沉降B级GNSS监测网，由分布在工作区范围内的B级GNSS监测点组成，2016年共观测24个B级GNSS点（“魏都路小学”“汴京公园”因被破坏未观测，“新于良寨”因被破坏以临近点位代替，“小庄”因上标石被破坏替代观测下标石，另增加了“新芦花岗”“魁庄南”等观测点位）。采用GNSS静态观测的形式构建地面沉降监测网，监测地面沉降的三维形变信息。

图2 2016年地面沉降GNSS监测网图

2016年10月下旬至11月初组织完成了开封市B级GNSS监测工作，共监测24个B级GNSS点，12个观测时段，72个观测点次。

2 GNSS监测的内业数据处理

2.1 GNSS基线向量解算

基线解的精度是保证监测成果可靠性的基础，因此，基线向量解算采用了著名的GAMIT精密求解软件进行GNSS基线向量解算。为了得到每监测时段的精确基线解，主要采取了如下技术手段：

① 卫星钟差的模型改正使用国际IGS站提供的卫星钟差参数；

② 卫星星历采用IGS提供的卫星精密星历；

③ 根据伪距观测值计算出接收机钟差进行钟差的模型改正；

④ 电离层折射延迟用LC观测值消除；

⑤ 对流层折射根据标准大气模型用Saastamoinen模型改正，采用分段线性的方法估算对流层折射参数，且每一小时或两小时估计一个参数，映射函数采用全球GMF模型；

⑥ 卫星和接收机天线相位中心改正采用IGS绝对相位中心改正；

⑦ 参考框架为ITRF（International Terrestrial Reference Frame）框架，惯性框架采用J2000，基线解算模式为固定解（BASELINE）[3]。

解算时，以GNSS监测网的基准点为起算点进行基线解算，并对其坐标给以5mm约束，其余监测点根据给定的概略坐标给以约束，基线向量的解算采用IGS提供的精密星历。单时段解算所用的参数设置和模型与基准点解算时一致，只是对流层延迟参数根据观测时段的长短有所改变，一小时估计一个或两小时估计一个。基线向量解算完毕后，需进行残差分析与质量检验，以便发现、修正、删除不合格成果。

2.2 GNSS基线向量解算常见问题及处理

（1）配置文件

Gamit数据处理配置文件主要包括station.info、sittbl.short、sestbl.、lfile.等，其中station.info为观测站点信息，主要包括Station Name（站名）、Session Start（开始时间）、Session Stop（结束时间）、Ant Ht（天线高）、HtCod（天线高改正类型）、Receiver Type（接收机类型）、Antenna Type（天线类型）等几个重要参数，大部分参数可以直接提取，但是Antenna Type不一定能够自动提取成功，需要根据rcvant.dat文件查询天线类型的标准名称[4]。

sittbl.short主要是站点约束，对于已知点一般平面约束为0.050m，高程约束为0.10m，其他不作约束。

sestbl.的设置很关键，根据实际解算结果对比分析，从而确定最优设置。

lfile.为所有GNSS观测点的概略坐标，根据实践经验，一般从O文件提取，同时对于已知点需要采用已知三维坐标覆盖更新。

（2）仪器高出现错误

仪器高出现错误在GNSS观测过程中会经常碰到，而且在Gamit解算过程中很难发现，但是在使用CosaGPS（可傻GPS数据处理软件，简称CosaGPS）网平差过程不通过，检查异步环找出问题所在，重新设置仪器高进行解算。

（3）站点名出现错误

站点名称出现错误直接导致不同时段处理时lfile.文件里面概略坐标错误，Gamit解算过程中会出现WARNING: MODEL/avclck: RCLOCK from PRN04 at epoch 452，同时平差时GPS三维基线向量（简称GPS 3D Vector）中与错误站点有关的各个分量的方差-协方差出现异常值，并且网平差不能通过。解决办法是：将有问题的站点重新进行数据标准化，并重新解算。

3 GNSS基线网平差

GNSS基线网采用CosaGPS进行网平差。平差时，首先利用KFKF（开封）、XXCY（长垣）、ZZZM（中牟）三个基准站进行约束[5]，进行基准网平差，获得测区基准点LSLY(烈士陵园)的精确坐标；然后约束基准点LSLY，进行监测网的平差，从而获得24个B级GNSS监测点的精确坐标。三维约束平差结果，将获得各GNSS网网点在国际地球参考框架下的三维地心坐标。

尽管通过基线处理过程中已经消除了大部分误差，但是由于GNSS观测过程中，仍然存在仪器对中误差、基线处理误差、数据观测质量等问题引起的误差，很难完全消除，因此，根据平差结果的观测值改正数PVV和单位权中误差M0来判定平差效果，为了取得更好的效果需要仔细比较重复基线的解算精度，选择解算精度高的基线，删除效果差的基线，从而进一步改进平差效果，提高网平差精度。以开封2016年为例，解算最终结果观测值改正数PVV=33.725cm^2、单位权中误差M0=0.323(cm)，根据MX=0.17cm、MY=0.28cm、MZ= 0.21cm，得出MP=0.39cm。GNSS网平差结果中，GNSS基线边的精度达到10-8，点位水平方向精度优于±3mm，垂直方向精度应优于±3mm。

4 GNSS监测与水准监测对比分析

传统水准测量以其精度高、可靠等特点一直以来作为地面沉降监测的主要监测手段，尤其是开封市地面沉降采用一、二等水准测量进行监测，满足DZ/T 0283—2015《地面沉降调查与监测规范》要求，因此，为了验证GNSS监测结果的可靠性，在不考虑水准测量误差的基础上与水准测量结果进行对比分析。

根据2016年度内GNSS监测结果与水准测量的监测结果，选择具有同步观测14个监测点的监测结果进行对比，水准与GNSS监测结果互差在5mm范围内的有6个，占43%；5～10mm的2个，占14%；10～15mm的2个，占36%；大于15mm的1个，占7%（见表1）。从而可以看出，GNSS监测与水准监测结果对比60%误差都在10mm范围之内，少部分误差大于10mm，但都在20mm以内，因此在大范围城市地面沉降监测中GNSS监测与水准测量相比不仅大大节省了人力、物力，经过精密GNSS数据处理及误差分析，能够满足地面沉降监测的需要。