廣州南沙區GPS地面沉降監測數據處理

陳玉林 匡翠林 戴吾蛟 謝榮安 盧辰龍

1 中南大學地球科學與信息物理學院，長沙市麓山南路932號，410083

2 湖南省精密工程測量與形變災害重點實驗室，長沙市麓山南路932號，410083

3 廣東省地質測繪院，廣州市新街大道50號，510800

近年來，隨著GPS技術的發展及其應用精度的不斷提高，GPS技術已成為地面沉降監測的一種重要手段［1－6］。廣州南沙區位于珠江入海口，廣泛發育濱海相和三角洲相厚層軟土淤沙層，厚達25～45m［7－8］，在地表荷載作用下容易出現大變形，引起地面沉降和邊坡失穩。為掌握本地區地面沉降情況及其時空演化規律，建立了GPS地面沉降監測系統［9］。測區位于低緯度地區（22.6°N，113.5°E），電離層活躍。本文分別用3種不同的基線選擇方法進行GPS數據處理，并將GPS結果與水準結果進行對比，研究南沙區地面沉降特征。

1 數據采集與傳輸

廣州南沙區地面沉降監測系統由數據采集子系統、數據通信子系統、數據處理與分析子系統組成（圖1），通過TCP／IP 協議實現監測點接收機與服務器的互聯互訪、遠程控制。

1.1 數據采集

系統共布設4個雙頻點和7個單頻點，同時布設68個精密水準點，點位分布見圖2。各測站配備的GPS接收機均采用Novatel GPS OEM 板卡，并集成GPRS DTU 終端，采用國產測地型天線。監測點均勻布置在整個測區，仰角7o以上沒有遮擋。11個測站均進行24h 不間斷觀測，采樣間隔20s。

圖1 廣州南沙地面沉降監測系統Fig.1 Structure of GPS land subsidence monitoring system

圖2 廣州南沙地面沉降監測點分布圖Fig.2 Distribution of GPS stations and leveling benchmarks

1.2 數據傳輸

GPS接收機通過GPRS DTU 終端對數據進行處理，協議封裝后發送到GPRS無線網絡。監控中心通過數據接收軟件與各測站的接收機進行實時數據交換，將接收到的原始觀測數據轉為RINEX 格式文件存儲。同時，為了保證數據傳輸的可靠性，GPS接收機集成了存儲卡，如網絡故障或監測中心故障致使實時數據交換失敗，則將數據存入存儲卡，以便故障排除后監控中心可繼續接收故障時數據，避免數據缺失。

2 基準站穩定性分析

廣州南沙地面沉降監測系統共包含11 個GPS監測點，命名為GD01～GD11，其中GD03、GD05、GD08和GD10為雙頻監測點，其他點為單頻監測點。GD05 點位于基巖上，作為穩定的基準點；GD08點位于打了基樁的建筑物上，為相對穩定的點。為研究GD08點的穩定性，首先利用PPP技術分別解算GD05、GD08點坐標，獲取坐標時間序列，N、E、U分量的RMS分別為5mm、7mm、13mm。然后，采用區域濾波方法［10］去除共模誤差，提高GPS區域網坐標序列的信噪比，得到濾波后的殘差序列（圖3）。去除共模誤差之后，GD05、GD08點N、E、U3個方向的殘差速率均接近于0，即GD08與GD05在各個方向上運動速率相同，由此可認為GD08同樣是穩定不動的點，可作為基準點。因此，本文以GD05和GD08作為GPS網數據解算的參考站。

圖3 GD05、GD08站去除共模誤差前后的殘差序列Fig.3 Residuals of station GD05and GD08before and after removing common mode error

3 數據處理與分析

GPS數據跨度為2012－07～2013－12，采樣率60s，用BERNESE5.0 軟件進行單天靜態定位解算。

3.1 監測數據處理

由于沉降監測區位于低緯度地區，電離層活動活躍，基線長度對數據解算結果有很大影響。為研究基線長度對解算精度的影響，數據處理采用3種方案：方案1、2分別以GD05、GD08為單基準點進行解算，方案3以GD05和GD08為雙基準點進行基線解算。解算策略為：采用24h時段解靜態處理模式，高度截止角10°；對流層天頂延遲采用標準模型SAASTAMOINEN，對流層估計采用2h間隔分段估計；衛星軌道采用精密星歷，相位中心改正采用絕對天線相位中心改正模型（I05.ATX）；海潮模型為FES2004，參考框架為ITRF2005。圖4給出GD04號點高程方向的殘差序列，從上至下依次為方案1、2、3的解算結果，GD04站距離GD05和GD08站的距離分別為9.57km 和2.29km。從圖4可以看出，方案2的解算精度最高。

圖4 GD04點U 方向殘差時間序列Fig.4 Coordinate residuals of GD04station

3.2 監測結果分析

3.2.1 GPS監測精度統計分析

本文借鑒IGS組織評定坐標重復性標準，以周坐標重復性（WRMS）［11］作為評價指標。圖5為GD07站點3種不同基準選擇方案的周坐標重復性序列，從左至右依次為以GD05、GD08 為單基準點以及GD05和GD08為雙基準點的解算結果。從圖中可以看出，方案1解算結果的坐標重復性最差，方案2解算精度最高，方案3介于方案1、2 之間，其中GD07 點距GD05、GD08 分別為7.6km、2.8km。

圖5 GD07站點周坐標重復性WRMSFig.5 WRMS of coordinate weekly repeatability for GD07station

表1給出了3種不同基準選擇方案下各站點的周坐標重復性均值。可以看出，單頻監測點GD04、GD06、GD07、GD09、GD11基線長度越短，其解算精度在N、E、U3個方向上均有不同程度的提高；單頻監測點GD01、GD02并不滿足基線長度越短精度越高，主要是由于這兩個監測點接收機質量的問題，導致數據缺失較多，且接收數據質量差，從而使得監測結果精度不高；雙頻監測點GD03、GD10與兩個基準點的距離相差不大且都小于10km，基線長度對其解算精度影響不明顯，也不滿足基線長度越短解算精度越高。

表1 3種不同方案解算坐標分量WRMS均值Tab.1 Mean WRMS of 11GPS stations

3.2.2 GPS監測結果與水準測量對比分析

精密水準被普遍應用于驗證新型地面沉降監測技術的可靠性和復雜地面沉降現象的研究［12－13］。監測區的9個GPS監測點有8個進行了水準聯測，表2為GPS與水準結果的對比。其中GPS結果為短基線原則的最優結果，數據時間為2012－07～2013－12。水準測量一共進行了3期復測，分別為2012－03、2012－12～2013－01和2013－07～08。從表2可以看出，除了監測點GD06外，其他7個監測點的GPS結果與水準結果基本吻合，GPS解算所得沉降速率與水準之差都在±4 mm 之間；監測點GD06進行水準測量時第1 期復測之后得到的沉降量為6.36mm，第2期復測得到相對于第一次復測結果的沉降量為－1.1 mm，而GPS結果顯示此監測點兩期之間沉降基本均勻，初步判斷GD06水準結果與GPS不相符的原因可能是該點水準測量出現較大誤差。

表2 GPS結果與水準結果對比Tab.2 The results of GPS and leveling

4 結 語

1）GD08為穩定點，可作為參考基準點。

2）廣州處于電離層活躍區域，即使基線小于10km，單頻GPS解算精度受基線長度的影響仍然較大，且基線越短精度越高，而雙頻點幾乎不受影響，因此需深入研究利用雙頻點數據精化電離層誤差改正模型，以提高單頻監測點的精度。

3）經過對比分析，GPS結果與水準測量結果相吻合。

4）根據沉降速率大小，可以將監測網中的點分為3類：第1類是沉降速率小于5mm／a的點，即相對穩定點，包括GD03、GD05、GD07、GD08點；第2 類是沉降速率大于5 mm／a、小 于20 mm／a的點，包 括GD01、GD02、GD04、GD06、GD10、GD11點；第3類是沉降速率大于20mm／a的點，包括GD09點。

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