GPS在跨斷層垂直形變監(jiān)測中的應用

杜偉吉 鐘金寧 秦姍蘭 崔篤信

(1南京市測繪勘察研究院有限公司，南京 210019)(2中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

GPS在跨斷層垂直形變監(jiān)測中的應用

杜偉吉1鐘金寧1秦姍蘭2崔篤信2

(1南京市測繪勘察研究院有限公司，南京 210019)
(2中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

摘 要:為分析和驗證利用GPS技術進行跨斷層垂直形變監(jiān)測的可行性，利用GAMIT/GLOBK軟件結合國內及周邊的IGS站對地震網絡剖面在包頭跨斷層觀測場地2006，2009和2011年的GPS觀測數據進行統(tǒng)一解算，得到各監(jiān)測點在ITRF2008框架下的變形量，并與同期采用精密水準觀測方法獲取的變形量進行比較分析.結果顯示，GPS監(jiān)測方法與精密水準監(jiān)測方法得到的變形量的平均差值約為5.1 mm，GPS監(jiān)測成果精度較高，從而驗證了利用GPS技術進行跨斷層垂直形變監(jiān)測的可行性.這種結合IGS站進行解算獲取監(jiān)測點在ITRF2008框架下變形量的方法，不需要穩(wěn)定的起算點，有助于跨斷層垂直形變監(jiān)測方案的改進、監(jiān)測效率的提升和費用開支的節(jié)省.

關鍵詞:GPS;跨斷層精密水準測量;垂直形變;地震網絡剖面

GPS技術目前已在滑坡、地裂縫、地面沉降監(jiān)測等方面得到了應用［1-3］，觀測的連續(xù)性和高精度使其代替水準測量監(jiān)測垂直形變成為可能.然而，在垂直形變監(jiān)測中，研究者們往往關心的是垂直方向的變化而不是高程本身［4］.GPS大地高變化量(ΔU)和水準測量的垂直變化量(ΔH)的關系為ΔU=ΔHcosα，其中α為測站垂線偏差.本文以地震網絡剖面包頭跨斷層觀測場地GPS和精密水準觀測為例，對GPS進行跨斷層垂直形變監(jiān)測的可行性進行分析和驗證.由于研究區(qū)域的垂線偏差很小，ΔU≈ΔH，故可以用GPS大地高的變化來實現(xiàn)跨斷層垂直形變監(jiān)測.

1 資料概況

中國地震網絡剖面工程包頭跨斷層觀測場地如圖1 所示，東經 109°56'～ 110°06'，北緯 40°18'～40°36'，北端跨烏拉山前斷裂、南端跨鄂爾多斯北緣斷裂.各站點高程為1 084～1 100 m，測線全長65.2 km.GPS觀測分別于2006年10月、2009年9月、2011年8月各進行一期，每天(24 h)為1個時段，每期觀測5個時段，數據采樣間隔為30 s，衛(wèi)星截止高度角為15°.一等水準觀測分別于2006年9月、2009年8月、2011年5月各進行1期，以“普通Ⅰ包咸3”為基準起算點，選用因瓦標尺采取往返測進行測段高差測定，并加入尺長改正和水準面不平行改正，每公里往返測高差中誤差為±0.376 mm.

2 數據處理

GPS數據處理是基于 linux系統(tǒng)的，采用GAMIT/GLOBK10.40軟件對每期資料結合國內及周邊的IGS站進行統(tǒng)一解算［5-7］.在此之前先用TEQC軟件檢查數據質量.在數據處理的過程中采用J2000慣性參考框架;為改進衛(wèi)星軌道，在設置參數估算測站位置的同時，還可以微量調整地球自轉參數(松散解模式)和衛(wèi)星軌道.采用EGM08模型作為數據處理中涉及到的地球重力場模型;遵循IERS2010模型的方式進行固體潮模型和極潮模型改正;采用FES2004(全球海潮模型)改正海潮引發(fā)的GPS測站點地殼形變，并在顧及大氣荷載、海潮導致的地球質心變化同時加入極移改正［8］;采用全球總電子數模型GMAP和地球地磁場IGRF11，并以L1和L2的載波相位(LC_AUTCLN)組合來消除電離層一階項和二階項的影響［9］.采用GPT大氣模型與馬爾科夫隨機過程估算來消除GPS信號傳輸過程中大氣對流層天頂延遲的影響，對每個GPS測站點，每小時估計1個天頂方向對流層延遲參數，并進行線性插值估算;投影映射函數采用高程方向應用精度最高的VMF1投影映射函數.考慮到區(qū)域大氣的差異性，在進行GPS數據解算時對每個測站的4個方向各附加估算1個大氣水平梯度參數，并加入大氣荷載改正來消除大氣荷載潮的影響［10-11］(本次解算采用全球大氣格網數據插值計算得到GPS測站點的大氣荷載影響值).采用ELEV模型對天線相位中心偏差做改正，消除天線相位中心變化的影響;光壓模型采用BERNE模型.基線解算過程中，將連續(xù)觀測、線性度較好的IGS站3個方向的約束均取為0.05 m，區(qū)域站的約束均取為1.0 m.

采用上述方案處理數據，獲取單日松弛解，然后將其與 IGS站提供的單日松弛解綁定，用GLOBK軟件計算測站點在ITRF2008框架下的坐標.各GPS測站點大地高方向的中誤差除BT03(±5.1 mm)外均小于±4 mm，進一步得到每個GPS點2006—2009年、2009—2011年以及2006—2011年的沉降變化量，并將其與精密水準獲得的結果進行對比(見表1)，沿測線作出跨斷層垂直形變剖面圖(見圖2).

由圖2可以看出，GPS監(jiān)測跨斷層監(jiān)測點的垂直變形量平均略小于精密水準結果，與精密水準結果具有較好的一致性，可以較好地反映監(jiān)測點的垂直變形情況.從表1可以看出，GPS與精密水準獲取的各監(jiān)測點沉降結果除BT11在2006—2009年差值為 12.79 mm，2006—2011年差值為 12.63 mm，BT21在2006—2011年差值為12.50 mm 外，其余各點差值均在0～10 mm之間(經檢查是由于BT11點在2006年的觀測數據質量不太好所致)，GPS觀測大地高的變化量的中誤差均值為±4.0～±5.0 mm，說明GPS監(jiān)測結果以較高的精度準確反映出監(jiān)測點的垂直變形情況.GPS與精密水準成果平均差值為5.1 mm，具有一定的系統(tǒng)規(guī)律，其原因在于:精密水準監(jiān)測是以“普通Ⅰ包咸3”為起算點，如果此點因地殼運動變形而下沉，則會導致精密水準監(jiān)測成果偏小，近年來的監(jiān)測成果表明測點確實呈下沉狀態(tài).

表1 GPS與精密水準監(jiān)測跨斷層垂直形變結果對比

圖2 GPS監(jiān)測跨斷層垂直形變與精密水準結果對比圖

GPS與精密水準得出的監(jiān)測點在2006年—2009年的垂直變形值平均相差5.4 mm，2009—2011年的垂直變形值平均相差2.2 mm，2006—2011年的監(jiān)測結果平均差值7.6 mm，出現(xiàn)這種情況主要是由于測站點高程季節(jié)性變化所致［8］，其引起因素主要為大氣荷載、固體潮、海潮等外部的引力攝動和季節(jié)性變化的GPS誤差(如軌道、天頂延遲誤差等).

綜上所述，GPS與精密水準獲取的監(jiān)測站的垂直變形量平均差值約為5.1 mm，GPS可以獲取與精密水準結果一致的高精度的垂直形變結果.這種結合IGS站解算獲取監(jiān)測點在全球ITRF2008框架下變形量的方法不需要穩(wěn)定的起算點，對于跨斷層垂直形變監(jiān)測方案的改進、費用開支節(jié)省和監(jiān)測效率的提升都有很大的幫助.

3 結語

本文將GPS方法與精密水準方法獲取的包頭跨斷層觀測場地的垂直變形量進行對比分析，發(fā)現(xiàn)GPS監(jiān)測結果與精密水準監(jiān)測結果平均差值約為5.1 mm，精度較高，驗證了GPS方法監(jiān)測跨斷層垂直型變的可行性.采用GPS方法監(jiān)測跨斷層垂直變形，可以改進監(jiān)測方案、降低成本支出，并顯著提高作業(yè)效率.

［1］楊建圖，姜衍祥，周俊，等.GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析［J］.大地測量與地球動力學，2006，26(1):70-75.

Yang Jiantu，Jiang Yanxiang，Zhou Jun，et al.Analysis on reliability and accuracy of subsidence measurement with GPS technique［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，26(1):70-75.(in Chinese)

［2］秦珊蘭，王慶良，季靈運，等.利用水準資料研究西秦嶺地區(qū)的垂直形變［J］.大地測量與地球動力學，2012，32(2):16-19.

Qin Shanlan，Wang Qingliang，Ji Lingyun，et al.Analysis of vertical deformation in west qinling zone based on leveling data［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，.2012，32(2):16-19.(in Chinese)

［3］Moke E.Reliable single epoch GPS processing algorithm for static deformation monitoring［J］.Geomatics Research Australasia，1997，70:95-117.

［4］高偉.用GPS監(jiān)測城市地面沉降的可行性研究［J］.大地測量與地球動力學，2004，24(1):105-110.

Gao Wei.Feasibility study of urban land subsidence monitoring by GPS surveying［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，24(1):105-110.(in Chinese)

［5］張永海.GPS城市沉降監(jiān)測網數據處理方法研究［J］.地球科學與環(huán)境學報，2009，31(3):327-330.

Zhang Yonghai.Study on Datum design of high precise GPS hight monitoring network［J］.Journal of Earth Scineces and Environment，2009，31(3):327-330.(in Chinese)

［6］Jin S G，Wang J，Park P H.An improvement of GPS height estimates:stochastic modeling［J］.Earth Planets Space，2005，57(4):253-259.

［7］Wang H.Surface vertical displacements and level plane changes in the front reservoir area caused by filling the three gorges reservoir［J］.Journal of Geophysical Research:Solid Earth，2000，105(B6):13211-13220.

［8］Dam V，Wahr T M，Milly J，et al.Crustal displacements due tocontinental water loading.Geophys［J］.Res Lett，2001，28(4):651-654.

［9］Jin S G.Real-time monitoring and prediction of the total ionospheric electron content by means of GPS observations［J］.Chin J Astron Astrophys，2004，28(3):331-337.

［10］張詩玉，鐘敏，唐詩華.我國GPS基準站地殼垂直形變的大氣負荷效應［J］.武漢大學學報:信息科學版，2006，31(12):1090-1093.

Zhang Shiyu，Zhong Min，Tang Shihua.Vertical crustal displacements due to atmospheric loading effects at GPS fiducial stations in China［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2006，31(12):1090-1093.(in Chinese)

［11］羅少聰.大氣負荷效應問題研究［D］.武漢:中國科學院測量與地球物理研究所，2003.

Application of GPS in cross-fault vertical deformation monitoring

Du Weiji1Zhong Jinning1Qin Shanlan2Cui Duxin2

(1Nanjing Institute of Surveying，Mapping and Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Nanjing 210019，China)
(2Second Crust Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi'an 710054，China)

Abstract:In order to analyze and validate the feasibility of using GPS(global positioning system)technology to monitor cross fault vertical deformation，the GAMIT/GLOBK software combined with domestic and around IGS(international globe navigation satellite system service)stations is used to unified solve the GPS data of the cross-sectional tomography observation zone of seismic network in Baotou in 2006，2009 and 2011.The deformation of each monitoring point in ITRF2008(international terrestrial reference frame 2008)is obtained and compared with the deformation by the precise leveling monitoring method.The results show that the average difference between the deformation by the GPS monitoring method and that by the precise leveling monitoring method is about 5.1 mm，and the accuracy of the former is higher，verifying the feasibility of the application of the GPS technology in the cross-fault vertical deformation monitoring.The method of using IGS stations to solve the monitor points'deformation in ITRF2008 does not require a stable starting point.And it is help to improve the program of cross-fault vertical deformation monitoring，the monitoring efficiency and cost-saving.

Key words:GPS(global positioning system);cross-fault precise leveling;vertical deformation;seismic network profiles

中圖分類號:P228.4

A

1001－0505(2013)S2-0275-04

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.S2.012

收稿日期:2013-08-20.

杜偉吉(1985—)，男，助理工程師，292693726@qq.com.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41174083).

引文格式:GPS在跨斷層垂直形變監(jiān)測中的應用［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(S2):275-278.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.S2.012］