基于HNGICS的GNSS郑汴洛地面沉降监测技术

王金娜, 高彦涛, 孙 垦

(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.华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



基于HNGICS的GNSS郑汴洛地面沉降监测技术

王金娜1, 高彦涛1, 孙 垦2

(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.华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

应用河南省地质信息连续采集运行系统(HNGICS)开展郑汴洛地区的全球卫星导航系统(GNSS)地面沉降监测.监测网采用三级布设:一级网采用HNGICS基准站，作为监测基准网;二级网为地面沉降监测的基本网，采用B级GPS观测;三级网为地面沉降变形的监测网，采用C级GPS观测.利用GAMIT精密解算软件进行基线解算,获得高精度大地高数据,从而监测地面沉降的变化.将监测结果与水准监测资料对比,证实GNSS监测网的布设、外业观测和内业数据处理等方案可行,可为郑汴洛地区地面沉降和地裂缝的解释和减灾提供数据支持.

HNGICS;GNSS;地面沉降;监测技术;郑汴洛地区

自20世纪90年代以来,大范围的精密水准监测已基本取消,依靠地下水位监测难以全面掌握现今城市地面沉降、地裂缝的发展状况和变化规律,这样对高层建筑、地下管线、交通设施及地铁构成严重的灾害隐患,严重制约和影响城市的建设用地、建设规划以及经济发展.因此,迫切需要运用现代监测手段和信息技术代替传统的监测方式,研究和掌握地面沉降及地裂缝活动现状和发展规律,为我国城市建设的合理规划提供基础资料和科学依据.

随着新一代卫星定位导航系统[1]的发展,全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)以其全天候、高精度、高时空采样率、三维动态的特点在军事、交通运输、空间信息科学、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等诸多领域得到广泛应用,其平面精度可达±(1～2) mm或10-9(相对精度),高程精度也可达±(2～6) mm.随着我国地面沉降和地裂缝等地质灾害的加重,上海、北京、天津、西安等城市都布设了不同规模的GNSS监测网进行垂直形变监测[2].

河南省地质信息连续采集运行系统(Henan Geology Information Continuously Collecting and Operating System,HNGICS[5])是通过通讯网络把分布在全省范围内的永久性全球导航卫星系统(GNSS)基准站连接起来,构成的新一代网络化的地质信息连续采集系统.它可以实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位,伪距),各种改正数、状态信息,以及其他有关GPS的服务项目.HNGICS的建立为开展河南省高精度地面沉降监测提供了依托.

1 GNSS监测地面沉降的应用现状

应用GNSS技术监测地面沉降的早期报道见于美国的《Urnal of Surveying Engineering》(1989(2)),William E.Strange于1984—1985年应用4台V100 GNSS信号接收机研究了亚利桑那州(Arizona)东南部沉积盆地的大面积沉降,并与同步水准监测结果进行了比较.结果表明两者相差0.8～3.5 cm,但两种方法所得的地面沉降曲线形态基本一致.Strange研究认为,两种方法在沉降量上产生厘米级差异的主要原因在于GNSS所测定的大地高在转化为正常高时损失了精度.事实上,William E.Strange没有必要进行这种转换,直接用大地高变化量描述地面沉降,会获得更好的结果.

1995年,同济大学测量与国土信息工程系在苏州建立了三维形变监测网,采用GNSS技术监测苏州市地面沉降.该网共有12个监测点,采用Leica Wild 200/300 GNSS测量系统静态观测3 h,所得结果在高程方向上的误差为0.56～1.00 cm.1998年,上海市开始应用GNSS技术研究地面沉降,布设了由34个点组成的覆盖整个上海市的地面沉降监测基准网;2004年,又设立了4个GNSS固定站,对地面沉降实施连续监测[3].近年来,GNSS应用于监测区域地面沉降常见于国内外研究报道与文献中,GNSS技术已成为地面沉降监测的主要手段之一.

但在河南省，基于HNCICS的GNSS城市地面沉降监测技术研究的具体实例还不多见.在此,笔者就郑汴洛(郑州、开封、洛阳)地区的地面沉降、地裂缝监测展开讨论.文中主要以开封为例,研究基于HNCICS的GNSS监测网设计、外业观测、内业数据处理等技术问题.

2 地面沉降GNSS监测网设计与实施

当GNSS用于地裂缝、地面沉降监测时,需对相应的监测网进行技术设计,合理地布设基准点和GNSS监测点的位置,以便得到最优的布测方案.

郑州、开封、洛阳地面沉降监测以河南省地质信息连续采集运行系统(HNGICS)作为GNSS监测基准网,监测过程中采用三级布网的方式构网,包括GNSS监测基准网、地面沉降监测的基本网和地面沉降变形的监测网.本文主要以开封为例,一级GNSS网利用KFKF(开封站)、XXCY(长垣)、ZZZM(中牟)3个基准站,作为GNSS监测基准网[6];二级GNSS网为地面沉降监测的基本网,由开封烈士陵园、河南大学新校区、黄河大堤3个监测点组成,按照B级GPS进行观测;三级GNSS网为地面沉降变形的监测网,主要指位于沉降区的地面沉降监测点,开封15个点,按照C级GPS进行观测,用以监测地面沉降的三维形变信息,如图1所示.

2014年7月23—28日,开展了开封GNSS监测外业工作.共观测18个监测点(汴京公园被覆盖,无法观测),其中B级GNSS点3个,C级GNSS监测点15个.外业观测采用8台GNSS接收机,B级观测3个时段,每个时段23 h,满足B级观测要求;C级采用边连接,观测10 h,远远大于规范要求的4 h,B级与C级同时观测,共观测40个时段,平均重复设站数2.2个.

图1 开封市地面沉降GNSS监测网

3 GNSS监测的内业数据处理

3.1 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(GPS Analysis at MIT)精密求解软件进行,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并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1 h或2 h估计1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)参考框架为国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame，ITRF),惯性框架采用J2000,基线解算模式为固定解(BASELINE).

解算时,以GNSS监测网的基准点为起算点进行基线解算,并对其坐标于以5 mm约束,其余监测点根据给定的概略坐标予以约束,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, 1 h估计1个或2 h估计1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、删除不合格结果.

3.2 GNSS基线网平差

对GNSS基线网分别采用GLOBK软件和科傻软件进行平差,以便进行相互检核.平差时首先以(10.0 m,10.0 m,10.0 m)的松弛度对各测站进行无约束平差,然后以多个基准点的坐标为约束进行约束平差,使平差最后结果纳入国际地球参考框架(ITRF)中[4].

三维无约束平差可以检验GNSS基线向量网本身的内符合精度以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差.而三维约束平差结果,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.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±5 mm,垂直方向精度优于±10 mm.

4 监测结果与精度分析

通过对郑汴洛地面沉降GNSS监测网的布设、监测以及数据处理,在郑汴洛建立了地面沉降监测的基准网、基本网和监测网.三级监测网采用高精度的GNSS地面沉降监测作业技术方法完成两期GNSS监测工作,并采用高精度GNSS地面沉降监测数据处理方法及其局部区域变形监测基准框架平差模型进行了监测数据处理,获得了非常重要的监测成果,初步掌握了郑汴洛地区地面沉降现状.

根据开封2013—2014年间隔10个月,15个GNSS监测点监测结果,其中沉降量为0～10 mm的点有6个,沉降量为10～20 mm的点有 3个,沉降量为20～30 mm的点有5个,最大沉降量达到68 mm.与水准监测资料相对比,除了个别点由于GNSS观测条件不好,导致存在粗差,大部分点的沉降量误差均在10 mm之内,具体情况见表1.说明开封地面沉降GNSS监测结果基本可靠,证明了采用基于HNGICS的GNSS高精度监测方案进行地面沉降监测是可行的.

表1 2013—2014年开封市GPS、水准地面沉降监测对比

5 结 语

1)河南省地质信息连续采集运行系统(HNGICS)为大范围监测提供了很好的基准,解决了传统意义上基准点的选取问题.对郑汴洛地面沉降监测采用三级布网方式布设GNSS监测网,一级网采用HNGICS基准站，作为监测基准网；二级网采用B级GPS观测，作为地面沉降监测的基本网；三级网采用C级GPS观测，作为地面沉降变形的监测网.

2)数据处理采用GAMIT进行基线处理,采用GLOBK软件和科傻软件对GNSS基线网进行平差,获得了高精度大地高数据.

3)在开封布设的15个GNSS监测点的监测结果显示:沉降量为0～10 mm的点有6个,沉降量为10～20 mm的点有 3个,沉降量为20～30 mm的点有5个,最大沉降量达到68 mm.与水准监测资料对比,大部分监测点的沉降误差都在10 mm之内.说明开封地面沉降GNSS监测结果基本可靠,且采用基于HNGICS的GNSS高精度监测方案进行地面沉降监测切实可行.

[1]刘汉东,张秀鑫,缑慧娟.GPS高程转换模型在南水北调中线工程中的应用[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(1):35-38.

[2]张勤,王利,黄观文,等.区域地面沉降高精度GPS监测数据处理方法研究[C]//第十三届中国科协年会第12分会场-测绘服务灾害与应急管理学术研讨会论文集.北京:中国科学技术协会学会学术部,2011.

[3]谢海澜,郑锦娜.区域性地面沉降研究现状[J].地质调查与研究,2009(3):236-240.

[4]王建华,刘明辉.GPS控制网约束平差基点的选择[J].华北水利水电学院学报,2011,32(1):100-103.

[5]王军见,远顺立,吴孔军,等.河南省GPS连续运行参考站网的设计[J].地矿测绘,2008(4):40-42.

[6]熊福文,朱文耀,李家权.GPS技术在上海市地面沉降研究中的应用[J].地球物理学进展,2014,21(4):1352-1358.

(责任编辑:乔翠平)

Monitoring Technologies of Ground Settlement in Zheng-Bian-Luo Area by Global Navigation Satellite System Based on Henan Geological Information Continuously Collecting and Operating System

WANG Jinna1, GAO Yantao1, SUN Ken2

(1.Institute of Surveying and Mapping Geographic Information, Henan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development,Zhengzhou 450006, China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The ground settlement in Zheng-Bian-Luo area by Global Navigation Satellite System was monitored on the basis of Henan Geological Information Continuously Collecting and Operating System, the monitoring networks were distributed by three levels, the first networks used the base stations of Henan Geological Information Continuously Collecting and Operating System as monitoring reference networks, the secondary network was the basic monitoring network of ground settlement and used GPS of grade B to monitor, the third-level network was the monitoring network for ground settlement and deformation, and used GPS of grade C to monitor, the baseline solution was done by the precision calculating software of GAMIT, the datum of high-precision geodetic height were obtained, then the variations of ground settlement was monitored. The monitoring results were compared with the level monitoring datum. It is verified that the schemes are feasible, such as the layout of monitoring networks of Global Navigation Satellite System, outdoor observation, the treatment of indoor datum, and so on, so the monitoring results provide datum to explain the settlement and the ground fissure in Zheng-Bian-Luo area, and to support the measures of disaster mitigation.

Henan Geological Information Continuously Collecting and Operating System (HNGICS); Global Navigation Satellite System (GNSS); ground settlement; monitoring technology; Zheng-Bian-Luo area

2014-11-19

中国地质调查局“中原城市群地质环境监测与评价”(12120110809049).

王金娜(1980—),女,河南濮阳人,工程师,硕士,主要从事水工、环境地质方面的研究. 高彦涛(1982—)，男，河南周口人，工程师，硕士，主要从事GPS高精度数据处理、变形监测方面的研究. 孙 垦(1982—)，男，河南邓州人，讲师，博士研究生，主事从事环境工程方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.011

P642.26

A

1002-5634(2015)01-0051-04