武清区地下水资源服务中心
摘要：目前地面沉降监测以传统的大地水准测量为主，地面沉降严重的城市基本上每年监测一次。但是在地面沉降严重，地面沉降范围广的城市，受到基准点不稳定性和水准路线误差累计这两个因素的综合影响，地面沉降监测精度难以继续提高，严重影响了地面沉降发展趋势的鉴别，给控制地面沉降措施的制定带来了麻烦，急切需要提出新的解决方法。本篇文章对GPS建立地面沉降监测基准进行研究，以供参考。
关键词：地面沉降GPS；监测基准；水准测量
引言
地面沉降在GPS沉降监测数据处理过程中，基准点及点位坐标基准的选择对于提高数据的处理精度和真实客观地反映监测点位沉降速率均具有十分重要的意义。基准点要求建立在稳定的基岩上，但由于地壳运动的存在，建立在基岩上的基准点同时也存在水平和垂直方向上的运动。鉴于此，选用稳定、高精度的动态三维地心坐标系，用于监测网点的数据处理是整个数据处理中十分关键的一步。本文主要研究了利用对IGS站作为沉降监测网中的基准点，联合沉降监测网中的监测点在ITRF2008框架下统一平差，从而确定各监测点位的高精度垂直变化分量，得到点位的沉降值。
1建立GPS监测基准的方法
1.1GPS基准点的原理
现在许多城市都建设了自己的COＲS系统，除了作为城市地理信息框架的组成部分，GPS连续监测站有着自己独特的优点，即站点分布均匀，间距约为50km左右，观测时间序列长，监测值精确可靠。GPS连续监测站本身的沉降量可以通过GPS技术精确计算出来，因此可将其视为基准点。基准点观测墩上同时设有水准标志，与整个水准网连测，根据基准点沉降量和两期水准观测即可求出其他水准点的沉降量。该方法可以减少水准点和基准点的连测距离，即减少误差传播累积，从而大幅提高地面沉降的监测精度。需要注意的是，这里的基准点和普通的GPS静态观测点是不同的，后者观测时间仅有2d～3d，只有少量单天高程解。由于定位技术本身的原因，GPS单天高程解的精度一直比水平定位精度低，所以2个～3个高程值的可靠性也差，普通的GPS静态观测点是不适合作为基准点的。该方法的关键是获取GPS基准点的精确沉降量并建立基准点和水准网的联合模型。随着观测方式和计算方法的不断改进，GPS垂向处理精度有所提高。由于GPS和大地水准测量技术采用的不是同一个高程基准，所以不能通过高程建立联系。然而两种高程的变化量是一致的，这为建立GPS基准点和水准网的严密关系提供了很好的切入点。
1.2GPS区域地面沉降联合布网
监测网型结构对GPS测高精度有直接影响，基准点与沉降区的距离远近也会影响到监测网的精度，基准点较远提高了测高的比例误差，测高精度降低，GPS基准点和监测点的位置关系和监测点的密度必须满足变形分析的需要。基准点必须选择在地质条件稳定的地方。为了保证顺利地接收卫星信号，点位四周高度角10°以上无成片障碍物，点位附近避免强电磁波磁场的干扰，还需要考虑减弱多路径效应的影响，避免周围有过强的反射面。传统布网方式一般采用网连式，即相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机，这种密集的布网方法的几何强度和可靠性指标高，但所需经费较高，时间较长。利用已建成的连续运行基准站网为基准网和公共点（因其连续运行的特性，不用设站，获取其同步观测时间段的数据来计算，即可实现同步观测），监测网各作业小组分批次利用连续运行基准站为公共点进行组网作业组。在连续运行基准参考站网的支持下，采用GPS定位技术可以极大提高作业效率，缩短观测周期，降低作业成本，还可统一精度指标分析对比沉降的状况与趋势。
1.3监测时长确定
基于连续运行基准站的地面沉降GPS监测的时段数、时段长在相应规范里没有明确的规定，经过理论分析与实践经验表明，并不是一味的延长观测时间，基线处理的精度就高。在载波相位观测中，如果整周未知数已经确定，那么相对定位的精度，将不会随观测时间的延长而明显提高。利用以往多年监测数据，随机截取8h、24h和48h时长的数据进行解算，将解算结果按大地高、年沉降、累计沉降三方面进行比较，比较结果参见表1。
表1不同时长解算数据差值表
鉴于以上数据，在保证精度的前提下，为了减少人力、物力的投入，GPS用于地面沉幅度不同的地区，选用不同的监测时长。一般建议年沉降量小于10mm地区，采用23．5h分3个时段进行监测；年沉降量在10～30mm地区，采用23．5h分1～2个时段进行监测；年沉降大于30mm地区，采用8h分1～2个时段进行监测。
2应用实例
H市地面沉降监测即是利用H市已建立的连续运行COＲS站网，采用基于连续运行基准站网的GPS联测模式布网。利用目前国内已经具备的GPS连续观测的基准站和IGS站的观测数据，作业小组分批次组网作业的一种模式。结合H地区的具体情况，选取周边的地壳形变工程基准站和IGS站以及TJCOＲS基准站，联合组网，这样不仅能大大提高网内沉降监测点的精度，还能大大提高GPS测量效率，为缩短工期，减少成本提供有力保证。根据H地区沉降现状，采用监测时间大于等于23．5h（两个时段），并结合TJCOＲS系统，取得了良好的成果。
内业数据利用IGS事后发布的相同历元的精密星历使用GAMIT后处理软件进行处理，每期数据都是采用周围国际IGS站同步观测数据进行计算，通过GLOBK平差，最后得出各监测点在ITＲF框架下的大地高，生成报告形式转换为WGS84坐标。利用各期的大地高之差获得监测点的沉降量信息。GPS网平差工作完成后，就可以在此基础上提取出各期监测所得的各GPS点的大地高数据和各GPS监测点在某一时间段内的变形量。通过对观测数据进行解算以及与大地水准数据进行比较，GPS测得的大地高的变化量与水准测得的正常高变化具有很好的一致性，区域内地面沉降变化与水准具有相同的趋势，表现出较好的吻合性。因此，H地区采用GPS测定地面沉降可以与水准达到相当的精度。
结束语
GPS定位技术中，平面位置的精度已经得到人们的广泛认可和应用，但是高程分量却往往被人们忽视，由于GPS技术具有精度高、观测周期短、自动化程度高和布网迅速等优点，高程分量精度的提高也成为了人们普遍关注的问题。GPS技术广泛应用于滑坡监测、陆海垂直运动监测、大坝自动化监测、地表沉降等方面，并取得了满意的精度和结果。随着GPS定位精度和高程分量精度的不断提高，建立GPS监测网和基准网，获得大面积地面沉降监测点的高程分量信息，并通过多期观测，获得大面积地面垂直沉降信息，使人们从繁重的传统监测中解放出来，提高了大面积地面沉降监测的效率。
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