基于宁波市三维动态定位基准的沉降监测

吴 洋

(宁波市镇海规划勘测设计研究院,浙江 宁波 315200)

0 引 言

传统城市地面沉降监测多使用一、二等水准测量方法进行，观测周期长，经费高，效率相对低下。目前基于城市厘米级似大地水准面精化成果和连续运行卫星定位基准站系统(CORS)实时获取高精度的三维空间信息正成为测绘领域的全新发展方向[1]。通过宁波市连续运行卫星定位服务系统(NBCORS)建设、基本高程控制网复测、似大地水准面精化、2000国家大地坐标系联测工作，宁波市构建了三维动态空间定位基准体系[2-3]，已经广泛应用于控制测量、工程测量、地籍测量等领域[4]，探讨利用宁波市三维动态空间定位基准进行地面沉降监测的可行性具有重要意义。

1 宁波市三维动态空间定位基准介绍

1.1 NBCORS

NBCORS由8个GNSS连续运行参考站网(宁波站、余姚站、鄞州站、大榭站、宁海站、象山站、石浦站和慈溪站)、一个系统控制与数据中心、通信网络子系统和用户应用子系统组成。NBCORS覆盖面积约5 330 km2，完全覆盖宁波市全境。经过检核，NBCORS平面中误差为±1.5 cm，高程中误差为±1.7 cm[5].

1.2 宁波似大地水准面[3]

在NBCORS基准框架下，综合运用了174 个GPS/水准点数据、3 673个重力点数据、航天飞机雷达地形测绘使命(SRTM)高分辨率7.5"×7.5" 数字地面模型，以EIGEN03C 地球重力场模型作为参考重力场，采用了严密的顾及地球曲率的陆海统一算法，利用了第二类Helmert 凝集法，建立了2'×2'高分辨率、±1 cm的高精度似大地水准面，经全面检核，宁波市似大地水准面静态GPS高程中误差为±0.015 m，网络RTK动态高程中误差为±0.022 m.

2 基于三维动态定位基准的沉降监测试验

宁波市地处滨海平原,海积软土层分布广泛，物理力学性质差，地质环境敏感。宁波市区自1964年发现地面沉降以来，到2006年地面沉降漏斗面积约260 km2，沉降中心区累计沉降量为504.4 mm.地面沉降已经严重威胁宁波市的城市建设及基础设施安全。

2.1 观测方法

布设地面沉降观测点时考虑了GPS观测要求，且采用了强制对中观测墩。实验数据来源于最近两期的地面沉降观测成果，分别由二等水准、静态GPS、NBCORS-RTK测量得到。静态GPS测量以NBCORS连续运行参考站网为起算点，选取14个地面沉降监测点连续观测4 h，数据处理时，利用宁波市似大地水准面软件，自动计算GPS高程；使用NBCORS-RTK每点独立测量5次，分别采集60 s，共计测量14点，合计70点次，数据处理时利用Leica Geo Office(LGO)软件，加载宁波市似大地水准面精化模型，导入观测数据，可以直接获取NBCORS-RTK高程；二等水准测量使用S05级电子水准仪及配套水准尺，测量时严格执行GB/T12897-2006《国家一、二等水准测量规范》。

2.2 精度分析

1)二等水准测量精度

经平差计算，宁波市地面沉降观测两期二等水准单位全中误差分别为±1.4 mm、±1.2 mm，最弱点高程中误差分别为±0.8、±0.7 mm，满足《国家一、二等水准测量规范》要求，精度较高。与静态GPS高程、NBCORS-RTK高程对比时可认为二等水准成果为真值。

2)静态GPS高程精度

统计两期28点次的静态GPS高程数据，以地面沉降监测(二等水准)高程为真值，计算静态GPS高程中误差为±1.02 cm.由于观测时间较长，NBCORS连续运行参考站数据精度高，且采用了强制对中观测墩，静态GPS高程精度稍高于宁波市似大地水准面精度检核结果[3]。

3)NBCORS-RTK高程精度

统计两期140点次的NBCORS-RTK数据，与二等水准高程对比结果如表1所示。

表1 NBCORS-RTK高程统计结果

以二等水准高程为真值，计算NBCORS-RTK高程中误差为±2.13 cm；先计算5次测量成果平均值，再计算NBCORS-RTK高程平均值中误差为±1.74 cm.求取平均值后NBCORS-RTK高程精度有所提高。

2.3 可行性分析

2.3.1 相邻沉降监测点间高差精度分析

按照二等水准观测路线，统计相邻沉降监测点间的静态GPS高差、NBCORS-RTK平均值高差与二等水准高差间的较差，根据二等水准测量距离，计算二等水准限差，以二等水准高差为真值，分析静态GPS、NBCORS-RTK平均值高程达到的精度。统计结果如表2所示。

可以看出，高差较差精度与沉降观测点间的距离无相关性，静态GPS高差较差精度明显高于NBCORS-RTK平均值高差较差。视二等水准高差为真值，距离大于5km时，静态GPS高程可满足二等水准精度要求；从统计数据看，在8 km以内，NBCORS-RTK高程平均值难以满足二等水准限差要求。

表2 GPS高差、RTK平均值高差与二等水准高差较差统计表

2.3.2 沉降量精度分析

视二等水准沉降量为真值，统计14个沉降观测点的静态GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度，并计算沉降量中误差，其中静态GPS沉降量中误差为±0.72 cm，NBCORS-RTK平均值沉降量中误差为±1.48 cm.

可以看出，静态GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度明显高于对应的高程精度，主要是根据两次观测高程求差计算沉降量时消除了宁波市似大地水准面高程转换带来的误差。

2.3.3 可行性分析

根据统计结果，当两点间距离大于5 km时，基于宁波市三维动态定位基准的静态GPS高程可以达到二等水准精度，且误差不随距离增加而增大；静态GPS测量沉降量中误差为±0.72 cm.地面沉降监测范围广，监测时间长，沉降量大。相对于数百甚至上千平方千米的范围，连续几十年的观测时间，区域年均几十毫米的沉降量，基于宁波市三维动态定位基准的静态GPS测量可以满足地面沉降观测精度要求。

距离8 km以内NBCORS-RTK高程平均值难以满足二等水准限差要求，NBCORS-RTK平均值沉降量中误差为±1.48 cm，不能满足地面沉降精度要求，不过对于大范围、长时间的地面沉降监测，NBCORS-RTK成果有一定的参考价值。

3 结束语

基于宁波市三维动态定位基准的静态GPS高程中误差为±1.02 cm，距离大于5 km时可满足二等水准精度要求，沉降量中误差为±0.72 cm，可以满足地面沉降观测精度要求；NBCORS-RTK高程平均值中误差为±1.74 cm，距离8 km以内难以满足二等水准精度要求，沉降量中误差为±1.48 cm，难以满足地面沉降观测精度要求，但在大范围、长时间的地面沉降监测中有一定的参考价值。

基于三维动态定位基准的静态GPS进行大范围地面沉降监测可以明显提高效率，且能达到精密水准测量的精度。但对于较小范围、或沉降量较小区域，由于监测数据有限，其精度有待进一步研究。

[1]陈俊勇,李建成,宁津生,等.全国及部分省市地区高精度高分辨率大地水准面的研究及其实施[J].武汉大学学报·信息科学版,2006,31(4):283-288.

[2]施立群,张旭东.基于NBCORS的宁波市现代测绘基准建设成果融合应用研究[J].城市勘测,2012(4):91-94.

[3]张文峰,张旭东.宁波市似大地水准面数字高程基准建设及精度检验[J].地理空间信息,2013,11(2):157-159.

[4]袁 峥,崔 逍,万宏德.网络RTK在宁波机场快速路工程首级控制网测量中的应用[J].测绘通报,2011(10):32-34.

[5]许国安,梁燕飞,周静君,等.宁波市网络RTK应用的可靠性及精度研究[J].测绘工程,2011,20(5):26-28.