基于GPS數(shù)據(jù)的廣西區(qū)域水平速度場研究

裴紅兵，蘇中球

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西　南寧　530029；2.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西　南寧　530012)

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基于GPS數(shù)據(jù)的廣西區(qū)域水平速度場研究

裴紅兵1，蘇中球2

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西南寧530029；2.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西南寧530012)

文章基于2012-2015年為期三年多的GPS觀測資料，結(jié)合廣西中部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，利用GAMIT/GLOBK計算了廣西中部地區(qū)在ITRF05框架下的水平速度場，分析了廣西中部區(qū)域水平運動特征。結(jié)果表明：廣西中部區(qū)域水平運動以E方向31 mm/a，N方向-12 mm/a隨華南板塊向東南方向移動。

GPS；GAMIT/GLOBK；ITRF05；速度場

0　引言

廣西中部地區(qū)位于中國地殼七大板塊之一的華南板塊西南處，總體上隨華南板塊作構(gòu)造運動，史上地殼運動頻繁，歷史上先后經(jīng)歷了7個活動時期與19次構(gòu)造運動[1]。而研究區(qū)域?qū)儆趶V西三級構(gòu)造單元中的桂東北-桂中拗陷單元中，目前地殼運動相對穩(wěn)定。為了研究廣西中部區(qū)域現(xiàn)今地殼的水平運動特征，本文利用GPS連續(xù)運行參考站為期三年多的觀測數(shù)據(jù)，計算了區(qū)域地殼在ITRF05框架下的水平速度場，分析了現(xiàn)今廣西中部區(qū)域地殼水平運動的特征。

1　GPS數(shù)據(jù)預處理

本文計算速度場的數(shù)據(jù)來源于南方測繪在廣西各市建立的自用的CORS站點數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)資源有限，只收集到了南寧、柳州、河池、桂平四個站點2012-2015

年為期三年多的數(shù)據(jù)。站點分布見圖1。

圖1　站點分布示意圖

在進行數(shù)據(jù)處理之前，對所采用的CORS站點數(shù)據(jù)進行預處理，對其質(zhì)量進行評價，并以此對數(shù)據(jù)進行取舍。質(zhì)量分析采用TEQC軟件，在該軟件的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核功能中，TEQC可生成9個結(jié)果文件，包括P1多路徑觀測值文件、P2多路徑觀測值文件、L1頻率上的信噪比文件、L2頻率上的信噪比文件、質(zhì)量檢查綜述文件等[2]。在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查中，主要查看質(zhì)量檢查綜述文件，文件里面綜述了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評定，從而確定觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核中，根據(jù)以下原則進行參考站數(shù)據(jù)的剔除[3]：

(1)Mp1≤0.3，Mp2≤0.4；

(2)SN1≥4.5，SN2≥5.5；

(3)無效觀測數(shù)據(jù)百分比≤2%。

在分析完4個站點的所有觀測數(shù)據(jù)后，根據(jù)上述原則對觀測數(shù)據(jù)進行剔除，完成數(shù)據(jù)預處理的過程。

2　GMAIT/GLOBK軟件數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)處理軟件利用世界上優(yōu)秀的GPS高精度數(shù)據(jù)處理軟件之一的GAMIT/GLOBK處理，該軟件廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如：高精度GPS測量數(shù)據(jù)解算、地殼運動與形變分析處理、解算衛(wèi)星軌道、地球定向參數(shù)等；軟件在處理長基線與連續(xù)時段的靜態(tài)定位GPS數(shù)據(jù)方面具有運算速度快、解算結(jié)果準確、自動化處理程度高的特點；解算時顧及了極移、章動、閏秒、頻移與有關(guān)軌道的各種攝動力改正等因素的影響，使得GAMIT基線解算的相對精度可以達到10-9量級。

GAMIT/GLOBK軟件分為兩大模塊，GAMIT與GLOBK；不同的模塊功能不同，GAMIT模塊主要用來對GPS數(shù)據(jù)基線進行解算，生成單天解h文件及精度評定Q文件等。而對h文件后處理則需要GLOBK模塊進行，這是一個卡爾曼濾波器，GLOBK軟件的核心思想就是卡爾曼濾波，其目的是綜合處理多時段、多元測算數(shù)據(jù)，生成一個統(tǒng)一框架下的測站坐標、ERP(地球自轉(zhuǎn)參數(shù))、衛(wèi)星軌道參數(shù)等的綜合解。該軟件所需要的初始輸入信息是經(jīng)過GAMIT軟件所處理后得到的測站坐標、衛(wèi)星軌道參數(shù)、EPR等的估值與其協(xié)方差矩陣。因此，在GAMIT前期數(shù)據(jù)處理時，需要對全球參數(shù)施加松弛約束，以便GLOBK對參數(shù)施加統(tǒng)一的約束。

3　區(qū)域速度場模型的構(gòu)建

3.1IGS站點的初選

本文解算的是空間大地測量CORS站的位置坐標及其速度信息，因此測站的外部控制框架需統(tǒng)一，框架基準點需均勻分布在測區(qū)周邊8個方位且不能少于3個點。一般而言，框架點的選擇包括以下4條原則[4]：

(1)連續(xù)性原則：即測站在連續(xù)觀測的時間上有近3年(或以上)的時間段；

(2)穩(wěn)定性原則：測站需遠離變形區(qū)域，應(yīng)位于剛性板塊上；

(3)高精度原則：測站的速度場精度應(yīng)優(yōu)于3 mm/a；

(4)多種解原則：至少3種不同分析解速度殘差好于3 mm/a。

在滿足以上4個原則的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)IGS站時間序列的穩(wěn)定性及精度方面來慎重選擇框架點。

綜合國內(nèi)外的研究，站點選擇標準應(yīng)增加兩個方面[5]：在上述四個原則的基礎(chǔ)上還應(yīng)包括：

(1)平衡性原則，所選站點盡量分布均勻；

(2)精度一致性原則。

根據(jù)以上選取站點方法及標準，且參考已有的研究結(jié)論，本文初步選取了國內(nèi)及周邊的12個IGS站：BJFS、SHAO、KUNM、LHAZ、WUHN、IRKT、SUWN、KHAJ、NOVM、KIT3、CUSV、PIMO。

3.2區(qū)域網(wǎng)單天解解算

GPS數(shù)據(jù)框架處理的目的主要是獲得高精度的基于ITRF05框架下的站址坐標與廣西區(qū)域板塊速度場模型，處理方案應(yīng)同全球網(wǎng)處理的策略一致。最后使用干凈的雙差相位數(shù)據(jù)進行定位，從而可以獲得高精度的基線處理結(jié)果。基線解算完成后，查看單天解中的Q文件，Q文件中包含了解算精度與可靠性的評定指標，主要查看的是NRMS(均方根殘差)值，如果NRMS值<0.5，則認為數(shù)據(jù)精度符合要求；NRMS值>0.5則認為數(shù)據(jù)中有大周跳沒有剔除，需要再處理或者使用CVIEW進行人工處理。本文計算NRMS值均<0.25，由于篇幅有限，不一一羅列。

3.3區(qū)域網(wǎng)平差

3.3.1IGS框架點的終選

在GLOBK平差過程中，區(qū)域框架站點采用我國區(qū)域周邊IGS站。選取步驟為：

(1)基于框架點的時序圖與定量的參考標準對框架點的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析初選；

(2)基于初選結(jié)果利用七參數(shù)法對框架點進行精選；

(3)實施監(jiān)督分類，采用分級柵格化對框架點進行處理使其分布均勻化。

圖2～3為初選的12個IGS站點2013-12-1～2015-12-29時間段的時序圖。篇幅有限，本文只列出了2個站點的時間序列圖。

圖2　BJFS站點時序圖

圖3　cusv站點時序圖

根據(jù)3.1章節(jié)闡述的框架點的選取原則，本文選取了我國周邊及內(nèi)部的5個IGS站：SHAO、BJFS、WHUN、KUNM、PIMO。5個IGS站的精確站址坐標由速度場精確地歸算到ITRF05框架、2015.990歷元下，作為整個CORS框架點的外部控制。

3.3.2區(qū)域網(wǎng)平差

用GLOBK軟件進行平差處理，在網(wǎng)平差處理過程中，選取ITRF05框架、觀測歷元為觀測時間最后一天歷元，即2015.990下的坐標，采用5個高精度的IGS站在ITRF05框架下的精確的站址坐標作為擬穩(wěn)基準對南方CORS的4個站點數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差，獲得南方CORS的4個站點在統(tǒng)一的ITRF05瞬時歷元下的坐標。解算得到的南方CORS站點在ITRF05框架2015.990歷元下的結(jié)果及精度情況見表1。

表1　南方CORS站點ITRF05框架2015.990歷元下坐標表

注：為避免泄密，南方CORS的4個站點的空間直角坐標省略小數(shù)點前5位。

平差后各站點的精度在X、Y方向優(yōu)于2.5 mm，Z方向優(yōu)于2 mm，解算精度較高。

3.4廣西中部區(qū)域水平速度場的構(gòu)建

GLOBK平差完成后，提取平差得到CORS 4個站點的速度信息，并利用GMT進行速度場圖繪制。CORS站點速度場精度及速度場圖如表2所示。

表2　ITRF05框架下CORS站點速度信息表

注：為避免泄密，CORS的4個站點的經(jīng)緯度省略小數(shù)點后5位。

從表2可以看出，CORS各站點速度E、N方向精度<2 mm/yr，各站點E方向速度大約為30 mm/yr，N方向速度為-10 mm/yr，H方向大約為-2 mm/yr，其中GX03站點精度較高，因為該站的為基巖觀測墩，穩(wěn)定性較高，其他站點為屋頂觀測墩，自身穩(wěn)定性較差。利用GMT進行速度場圖繪制，得到廣西區(qū)域性速度場，如圖4所示。

圖4　廣西區(qū)域性速度場示意圖

4　結(jié)語

本文利用南方測繪在廣西4個城市建立的CORS站點為期三年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，計算了廣西中部地區(qū)現(xiàn)今地殼運動的水平速度場。計算結(jié)果表明：廣西中部地區(qū)地殼隨華南板塊以E方向31.02 mm/a，N方向-11.91 mm/a向東南方向移動。與廖超明博士計算的廣西區(qū)域地殼運動水平速度場量值基本一致[6]。本文所建速度場模型水平方向精度優(yōu)于2 mm/yr，精度較高，滿足空間基準框架維護、地殼形變監(jiān)測、各種位置服務(wù)等經(jīng)濟社會信息化建設(shè)的多種需求。

[1]莫敬業(yè).廣西通志.地震志[M].南寧：廣西人民出版社，1990.

[2]郭淑艷，付常玲，馬娜.應(yīng)用TEQC軟件對GPS載波相位數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析[J].科技經(jīng)濟市場，2006(6)：6.

[3]桂朋.TEQC數(shù)據(jù)預處理及其在GPS基線解算中的應(yīng)用[J].科技資訊，2009(15)：15.

[4]秘金鐘，蔣志浩，張鵬，等.IGS跟蹤站與國內(nèi)跟蹤站聯(lián)合處理的框架點選擇研究[J].武漢大學學報(信息科學版).2007，32(8)：704-706，710.

[5]楊志強，王利，付宗堂.GPS監(jiān)測青藏板塊運動數(shù)據(jù)的GAMIT/GLOBK處理方法及有關(guān)研究[J].西安工程學院學報，1999，22(3)：46-29.

[6]廖超明，葉世榕，周曉慧，等.廣西區(qū)域現(xiàn)今地殼運動構(gòu)造特性研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(8)：854-858.

Study on Guangxi Region Level Velocity Field Based on GPS Data

PEI Hong-bing1，SU Zhong-qiu2

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Water & Power Design Institute，Nanning，Guangxi，530012)

Based on 2012-2015 GPS observation data，combined with the geological structure in cen-tral region of Guangxi，and through GAMIT/GLOBK，this article calculated the horizontal velocity field of central Guangxi region under ITRF05 framework，and analyzed the horizontal motion features of central Guangxi region.The results showed that：the central Guangxi region is horizontally moving southeast to-gether with South China plate at the direction of E 31mm/a and N -12mm/a.

GPS；GAMIT/GLOBK；ITRF05；Velocity field

U495

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.009

1673-4874(2016)05-0032-04

2016-04-24

裴紅兵(1981—)，工程師，研究方向：水運工程勘測設(shè)計與研究；

蘇中球(1980—)，高級工程師，研究方向：水利電力勘測測量。