基于寧波市三維動態定位基準的沉降監測

吳 洋

(寧波市鎮海規劃勘測設計研究院,浙江 寧波 315200)

0 引 言

傳統城市地面沉降監測多使用一、二等水準測量方法進行，觀測周期長，經費高，效率相對低下。目前基于城市厘米級似大地水準面精化成果和連續運行衛星定位基準站系統(CORS)實時獲取高精度的三維空間信息正成為測繪領域的全新發展方向[1]。通過寧波市連續運行衛星定位服務系統(NBCORS)建設、基本高程控制網復測、似大地水準面精化、2000國家大地坐標系聯測工作，寧波市構建了三維動態空間定位基準體系[2-3]，已經廣泛應用于控制測量、工程測量、地籍測量等領域[4]，探討利用寧波市三維動態空間定位基準進行地面沉降監測的可行性具有重要意義。

1 寧波市三維動態空間定位基準介紹

1.1 NBCORS

NBCORS由8個GNSS連續運行參考站網(寧波站、余姚站、鄞州站、大榭站、寧海站、象山站、石浦站和慈溪站)、一個系統控制與數據中心、通信網絡子系統和用戶應用子系統組成。NBCORS覆蓋面積約5 330 km2，完全覆蓋寧波市全境。經過檢核，NBCORS平面中誤差為±1.5 cm，高程中誤差為±1.7 cm[5].

1.2 寧波似大地水準面[3]

在NBCORS基準框架下，綜合運用了174 個GPS/水準點數據、3 673個重力點數據、航天飛機雷達地形測繪使命(SRTM)高分辨率7.5"×7.5" 數字地面模型，以EIGEN03C 地球重力場模型作為參考重力場，采用了嚴密的顧及地球曲率的陸海統一算法，利用了第二類Helmert 凝集法，建立了2'×2'高分辨率、±1 cm的高精度似大地水準面，經全面檢核，寧波市似大地水準面靜態GPS高程中誤差為±0.015 m，網絡RTK動態高程中誤差為±0.022 m.

2 基于三維動態定位基準的沉降監測試驗

寧波市地處濱海平原,海積軟土層分布廣泛，物理力學性質差，地質環境敏感。寧波市區自1964年發現地面沉降以來，到2006年地面沉降漏斗面積約260 km2，沉降中心區累計沉降量為504.4 mm.地面沉降已經嚴重威脅寧波市的城市建設及基礎設施安全。

2.1 觀測方法

布設地面沉降觀測點時考慮了GPS觀測要求，且采用了強制對中觀測墩。實驗數據來源于最近兩期的地面沉降觀測成果，分別由二等水準、靜態GPS、NBCORS-RTK測量得到。靜態GPS測量以NBCORS連續運行參考站網為起算點，選取14個地面沉降監測點連續觀測4 h，數據處理時，利用寧波市似大地水準面軟件，自動計算GPS高程；使用NBCORS-RTK每點獨立測量5次，分別采集60 s，共計測量14點，合計70點次，數據處理時利用Leica Geo Office(LGO)軟件，加載寧波市似大地水準面精化模型，導入觀測數據，可以直接獲取NBCORS-RTK高程；二等水準測量使用S05級電子水準儀及配套水準尺，測量時嚴格執行GB/T12897-2006《國家一、二等水準測量規范》。

2.2 精度分析

1)二等水準測量精度

經平差計算，寧波市地面沉降觀測兩期二等水準單位全中誤差分別為±1.4 mm、±1.2 mm，最弱點高程中誤差分別為±0.8、±0.7 mm，滿足《國家一、二等水準測量規范》要求，精度較高。與靜態GPS高程、NBCORS-RTK高程對比時可認為二等水準成果為真值。

2)靜態GPS高程精度

統計兩期28點次的靜態GPS高程數據，以地面沉降監測(二等水準)高程為真值，計算靜態GPS高程中誤差為±1.02 cm.由于觀測時間較長，NBCORS連續運行參考站數據精度高，且采用了強制對中觀測墩，靜態GPS高程精度稍高于寧波市似大地水準面精度檢核結果[3]。

3)NBCORS-RTK高程精度

統計兩期140點次的NBCORS-RTK數據，與二等水準高程對比結果如表1所示。

表1 NBCORS-RTK高程統計結果

以二等水準高程為真值，計算NBCORS-RTK高程中誤差為±2.13 cm；先計算5次測量成果平均值，再計算NBCORS-RTK高程平均值中誤差為±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 相鄰沉降監測點間高差精度分析

按照二等水準觀測路線，統計相鄰沉降監測點間的靜態GPS高差、NBCORS-RTK平均值高差與二等水準高差間的較差，根據二等水準測量距離，計算二等水準限差，以二等水準高差為真值，分析靜態GPS、NBCORS-RTK平均值高程達到的精度。統計結果如表2所示。

可以看出，高差較差精度與沉降觀測點間的距離無相關性，靜態GPS高差較差精度明顯高于NBCORS-RTK平均值高差較差。視二等水準高差為真值，距離大于5km時，靜態GPS高程可滿足二等水準精度要求；從統計數據看，在8 km以內，NBCORS-RTK高程平均值難以滿足二等水準限差要求。

表2 GPS高差、RTK平均值高差與二等水準高差較差統計表

2.3.2 沉降量精度分析

視二等水準沉降量為真值，統計14個沉降觀測點的靜態GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度，并計算沉降量中誤差，其中靜態GPS沉降量中誤差為±0.72 cm，NBCORS-RTK平均值沉降量中誤差為±1.48 cm.

可以看出，靜態GPS、NBCORS-RTK平均值沉降量精度明顯高于對應的高程精度，主要是根據兩次觀測高程求差計算沉降量時消除了寧波市似大地水準面高程轉換帶來的誤差。

2.3.3 可行性分析

根據統計結果，當兩點間距離大于5 km時，基于寧波市三維動態定位基準的靜態GPS高程可以達到二等水準精度，且誤差不隨距離增加而增大；靜態GPS測量沉降量中誤差為±0.72 cm.地面沉降監測范圍廣，監測時間長，沉降量大。相對于數百甚至上千平方千米的范圍，連續幾十年的觀測時間，區域年均幾十毫米的沉降量，基于寧波市三維動態定位基準的靜態GPS測量可以滿足地面沉降觀測精度要求。

距離8 km以內NBCORS-RTK高程平均值難以滿足二等水準限差要求，NBCORS-RTK平均值沉降量中誤差為±1.48 cm，不能滿足地面沉降精度要求，不過對于大范圍、長時間的地面沉降監測，NBCORS-RTK成果有一定的參考價值。

3 結束語

基于寧波市三維動態定位基準的靜態GPS高程中誤差為±1.02 cm，距離大于5 km時可滿足二等水準精度要求，沉降量中誤差為±0.72 cm，可以滿足地面沉降觀測精度要求；NBCORS-RTK高程平均值中誤差為±1.74 cm，距離8 km以內難以滿足二等水準精度要求，沉降量中誤差為±1.48 cm，難以滿足地面沉降觀測精度要求，但在大范圍、長時間的地面沉降監測中有一定的參考價值。

基于三維動態定位基準的靜態GPS進行大范圍地面沉降監測可以明顯提高效率，且能達到精密水準測量的精度。但對于較小范圍、或沉降量較小區域，由于監測數據有限，其精度有待進一步研究。

[1]陳俊勇,李建成,寧津生,等.全國及部分省市地區高精度高分辨率大地水準面的研究及其實施[J].武漢大學學報·信息科學版,2006,31(4):283-288.

[2]施立群,張旭東.基于NBCORS的寧波市現代測繪基準建設成果融合應用研究[J].城市勘測,2012(4):91-94.

[3]張文峰,張旭東.寧波市似大地水準面數字高程基準建設及精度檢驗[J].地理空間信息,2013,11(2):157-159.

[4]袁 崢,崔 逍,萬宏德.網絡RTK在寧波機場快速路工程首級控制網測量中的應用[J].測繪通報,2011(10):32-34.

[5]許國安,梁燕飛,周靜君,等.寧波市網絡RTK應用的可靠性及精度研究[J].測繪工程,2011,20(5):26-28.