城市CORS系统在地面沉降监测中的应用

曹炳强　刘智强　鲁泽宇　简程航　张双成

关键词：CORS系统;地面沉降;大地高精度;监测网型

近年来，国内很多行业都建立了自己的卫星定位连续运行网络，建设完成、运行正常的GNSS基准站，可以满足不同行业、不同用户对定位精度的个性化要求，可以提供测绘、气象、地震、交通、水利、应急保障和地质灾害监测等多种服务（慕永灯，2019）。目前北京市有许多家企事业单位都进行了CORS系统的建设，实现了基准站网在北京市气象局、北京市地震局、千寻网络位置服务公司等不同行业间的数据共享，基准站在全市数量众多且分布广泛（北京市规划和自然资源委员会，2019）。

地面沉降能够造成交通和地下管线受损、河流防汛能力降低，同时也给城市建设的布局与规划造成困难，已经发展成为城市的主要地质灾害（杨艳等，2012;罗勇等，2013）。地面沉降成因复杂，在许多国家都有发生，其主要特点是持续周期长、影响范围广以及治理难度大。为了应对地面沉降问题，北京市很早就建立了以高精度水准测量、GNSS测量、InSAR测量和7个地面沉降监测站构成的地面沉降立体监测体系，监測范围覆盖主要沉降区（刘明坤等，2012;罗勇等，2014;北京市地质矿产勘查局等，2008）。本文基于26个CORS站的监测数据，探讨了CORS系统在城市地面沉降监测中的应用，也为下一步充分利用北京市已有的CORS站并将部分CORS站纳入北京市地面沉降GNSS监测系统，提供了参考数据和依据。

1北京市GNSS沉降监测网现状

目前北京市专门用于地面沉降监测的GNSS监测点共有105个，其中包括3个连续运行监测站，分布在海淀区、通州区、昌平区、大兴区、顺义区、西城区、东城区、朝阳区、丰台区、房山区等10个区，各点间距2～5 km不等，基本上覆盖了北京市整个平原地区（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。每个测量点均建为永久性混凝土观测墩，观测墩顶部有不锈钢强制对中装置，以消除天线对中误差的影响。每年7—9月统一对100余个监测点进行一次外业测量，接收机采用天宝双频接收机，接收机天线采用天宝扼流圈天线，以减弱多路径效应。为了提高测量结果精度，削弱系统及周期性测量误差，每期测量时每个监测点对应的测量设备和测量时间都是固定的。根据多期的GNSS监测成果显示，GNSS监测成果与一等精密水准测量、InSAR等其他监测结果具有良好的符合性。近几年随着北京城市快速发展，导致少量监测点遭到破坏，一部分监测点观测环境受到影响，降低了部分站点的监测精度，也使得整个GNSS监测网的精度受到影响。

2 CORS数据解算

2.1软件介绍

GNSS基线解算采用GAMIT/GLOBK软件包，其由美国麻省理工学院（MIT）与海洋研究所（SIO）研制。GAMIT软件是开源软件，高校及科研机构可以通过官网申请，得到许可之后能够免费使用，其自动化程度高，通过选取适当数量的IGS站，并使用精密星历解算GNSS数据，可求得高精度基线向量和地面测站坐标，是目前国际、国内科研及生产单位应用广泛且解算精度较高的GNSS数据处理软件之一（闵阳，2018;刘洋洋等，2018;吕旭阳，2015），最新版本已经能够解算包括我国北斗数据在内的多系统数据。本文数据解算软件为GAMIT/GLOBK 10.71，操作系统为Ubuntu 12.04。

2.2数据来源

本文搜集了26个北京市连续运行监测站的数据，包含3个专门的北京市地面沉降监测连续运行站，23个测绘及气象部门的连续运行站（图1）。由于监测站在高程方向上的最大周期性变化能达到4 cm（王利，2015），为了削弱监测站在高程方向上的周期性误差，所采用的数据采集日期均为2019年8月1日—8月7日的数据。

2.3数据处理

基线解算是将3个基岩基准点（BJFS、BJSH、JIXN）与26个连续运行站的数据联网计算。在解算时对基岩点和连续运行站分别进行约束：基岩点为0.05 m的水平方向约束，0.1 m的垂直方向约束;连续运行站水平方向和垂直方向的约束分别为0.1 m和0.2 m。此外，对于海洋潮汐、地球固体潮、极潮、大气负载潮等引起的站台漂移，以及太阳光压、相对论效应引起的测量误差都进行了适当的处理（高涵，2014;党亚民等，2007;李征航等，2016;刘大杰等，1996）。具体的基线解算参数见表1。

3解算结果分析

对26个连续运行站2020年8月1日—8月7日的数据进行了基线解算与平差处理，分别得到了监测点的空间直角坐标和大地坐标，然后对其精度分别进行了统计分析。一般情况下，单时段解算得到的标准化均方根残差（NRMS）值越小，基线解算精度越高;其值越大，则基线解算精度越低，一般要求NRMS值小于0.3 mm（曹炳强等，2015;王树东等，2018）。最后对解算结果文件（Q文件）中的NRMS值进行了统计。NRMS值统计结果：最大值为0.1813，最小值为0.1612，平均值为0.1686，解算得到的NRMS值为0.16～0.19 mm，满足基线解算要求。图2为CORS站三维坐标方向的精度，图3为大地坐标系下CORS站在BLH方向上的精度。

从图2可以看到，CORS站解算结果在三维方向上的坐标精度都在2mm之内，其中X、Y、Z方向的误差平均值分别为0.47 mm、0.81 mm、0.71 mm，解算结果在三维方向上的坐标精度都在1mm之内的CORS站占84.6%。

北京市地面沉降GNSS监测站点沉降变化信息主要通过比较各期监测站点的大地高H得到，所以GNSS监测站点大地高H精度的高低直接影响到北京市地面沉降GPS监测的可靠性。图3可以看到大地坐标系下，CORS站解算结果大地高方向的误差都在2 mm之内，其中有23个站的高程误差小于1 mm，占总数的88.5%。具体统计结果见表2。

综合以上分析得出，采用CORS站数据解算，可以高精度获取包括大地高在内的坐标信息，可以高精度获取地面沉降监测成果。

4结论与建议

通过对26个北京市连续运行监测站数据进行处理，可以得到基于CORS站解算的结果大地高方向误差都在2 mm之内，而且有23个站的高程误差小于1 mm，能够得到高精度的解算成果。

目前各城市都建有大量的CORS站，分布广泛，联合多部门实现CORS系统在不同行业间的数据共享，将不同行业的CORS站纳入城市地面沉降监测系统中，这样可以借助CORS系统增加地面沉降监测面积和提高监测点的覆盖密度，增强现有GNSS监测网的精度与可靠性，提高解算成果的精度，也更容易实现城市地面沉降监测的自动化。