基于常州CORS的常州三維速度場分析

劉全海，王琰開

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

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基于常州CORS的常州三維速度場分析

劉全海1，2*，王琰開1，2

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

利用GAMIT/GLOBK軟件處理了常州CORS參考站2008年5月～2012年10月持續2.5a的數據，獲取了參考站的三維坐標時間序列和速度場，分析了常州地殼的水平和垂直運動。結果表明，常州CORS參考站在ITRF2008框架下水平方向運動的平均速率為 35.55 mm·a-1，方向為E20.55°S；垂直方向上，WJIN站表現出較明顯的沉降趨勢，速率為 13.97 mm·a-1，其余站表現為小幅向上抬升，平均速率為 3.77 mm·a-1，將BTBX站和WJIN站的估算結果與城市二等水準測量成果進行了對比驗證。

CORS；ITRF2008；速度場；地面沉降

1 引 言

全球定位系統(GPS)觀測可提供高精度、大范圍和準實時的地殼運動定量數據，為精確研究地殼運動規律開辟了重要的新途徑，已廣泛應用于地殼的水平和垂直運動研究中[1～3]。CORS是一種重要的采集空間地理信息的基礎設施，它能提供長期、連續、穩定的GPS觀測數據。自2000年深圳市建立CORS以來，我國許多城市已陸續建立起區域的CORS網，常州CORS(CZCORS)于2006年建成[4]，初期包含均勻分布全市的4個參考站，為利用GPS技術研究常州的地殼運動提供了大量的基礎數據。

常州地處長江下游南岸，屬高沙平原，山丘平圩建有。南為天目山余脈，西為茅山山脈，北為鎮山脈尾部，中部和東部為寬廣的平原、圩區，地質狀況相對較為簡單。但由于地下水的大量開采，使常州的武進區成為全國聞名的沉降漏斗區。本文利用CZCORS數據研究了常州的水平和垂直速度場，為揭示常州的地殼運動規律提供了有力的依據。

2 數據處理

本文的研究對象為CZCORS 4個參考站2008年5月～2012年10月的觀測數據(分別是新北區的BTBX站、武進區的WJIN站、金壇區的JTAN站和溧陽市的LYNG站)。為了獲得各參考站在全球框架下的速度場，本文引入了6個全球IGS(International GNSS Service)永久跟蹤站的同期觀測數據。數據處理采用GAMIT/GLOBK(Ver. 10.5)軟件[5]，主要分為兩步：采用GAMIT軟件進行單天解的解算，估計測站位置、軌道等參數；采用GLOBK軟件獲取各參考站的坐標時間序列和速度場。

(1)基線解算策略為：

①選取我國大陸和臺灣的6個IGS(International GNSS Service)永久跟蹤站(BJFS、SHAO、WUHN、XIAN、TNML、TWTF)作為參考基準；

②采用無電離層組合的LC雙差觀測值，并根據驗后相位殘差重新定權；

③采用從IGS獲得的精密星歷和地球旋轉參數，并給予適當約束；

④同時解算測站坐標和衛星軌道；

⑤歷元間隔為30 s，截止高度角設為15°；

⑥對流層延遲改正選用維也納映射函數，每 2 h估計1個天頂濕延遲參數，每天估計兩對水平梯度參數；

⑦衛星和接收機天線相位中心改正采用IGS相位中心改正模型；

⑧固體潮、極潮、海潮等潮汐改正采用GAMIT軟件提供的模型。

(2)采用GLOBK軟件綜合單日松弛解，并以IGS基準站在國際地球參考框架2008(ITRF2008)下的坐標和速度為基準，獲取CZCORS各參考站的坐標時間序列，并估算其三維速度。

3 CZCORS速度場分析

當一個GPS測站的數據不少于2個，且歷元間隔不小于0.9 a時，可以估算其速度。GLOBK軟件解算結果所描述的是測站的位移和速度，位移表示的是測站在瞬時歷元相對于參考歷元的坐標偏移量，速度表示測站向某一方向運動的平均速率，其值等于測站坐標時間序列線性擬合結果的斜率。

通過數據處理，獲取了CZCORS4個參考站在ITRF2008框架下的單日解坐標時間序列，如圖1所示，圖中從上至下依次為各參考站在N、E、U方向上的坐標分量時間序列。通過對圖1中各坐標時間序列進行線性擬合可得到4個參考站在N、E、U方向上的速率。

圖1 CZCORS參考站坐標時間序列

3.1 水平速度場

根據圖1的結果本文繪制了CZCORS參考站在ITRF2008框架下的水平速度場，如圖2所示。圖2中箭頭的方向代表參考站的運動方向，箭頭的長度表示運動速率。

圖2 ITRF2008框架下CZCORS參考站水平方向速度場

從圖2可以看出，CZCORS參考站的水平運動趨勢一致，在ITRF2008框架下向東南方向運動，這與前人的研究成果一致[6-8]。表1給出了各參考站在ITRF2008框架下的三維速度估值與中誤差，表2給出了其統計信息。

ITRF2008框架下CZCORS參考站三維速度估值與中誤差/(mm·a-1) 表1

ITRF2008框架下CZCORS參考站三維速度估值與中誤差統計信息/(mm·a-1) 表2

由表1、表2可知，本文獲取的CZCORS各參考站在ITRF2008框架下的三維速度精度較高，N、E方向均優于 0.1 mm·a-1，U方向優于 0.3 mm·a-1，且N、E方向的速度精度優于U方向。各參考站在N、E方向上的速度較為接近，N方向最大為 -12.11 mm·a-1，最小為 -13.06 mm·a-1，平均為 -12.48 mm·a-1，E方向大為 33.70 mm·a-1，最小為 33.08 mm·a-1，平均為 33.29 mm·a-1。水平方向運動的平均速率為 35.55 mm·a-1，方向為E20.55°S。

3.2 垂直速度場

結合圖1和表1可以看出，與水平速度場趨于一致不同，4個參考站在垂直方向上的運動呈現出明顯的不同。BTBX、JTAN、LYNG三個參考站在垂直方向的運動趨勢為向上抬升，上升的速度分別為 4.06 mm·a-1、 3.68 mm·a-1、3.57 mm·a-1。但WJIN站具有明顯的沉降趨勢，其速度達 13.97 mm·a-1。由于GPS定位在高程方向的精度僅有平面的約1/3～1/2，且各參考站均建在屋頂，季節性的溫度變化等因素也會在一定程度上影響參考站在垂直方向上的運動，因此僅通過GPS解算確定參考站的地面沉降在可靠性上往往不能保證。將ITRF2008框架下參考站垂直方向上的運動速率與城市二等水準不同期的成果進行對比分析、相互驗證，可以為研究城市CORS參考站垂直方向上的運動提供參考。

我們獲取了常州市每2年一次的城市二等水準測量成果，在BTBX和WJIN站附近各選取了距離最近的2個二等水準點(相對位置關系如圖3所示)，對比其2008年～2012年的沉降情況(二等水準覆蓋范圍不包括金壇和溧陽，因此本文無法驗證)，如表3所示。

圖3 距WJIN、BTBX站最近二等水準點方位示意圖二等水準點2008年～2012年沉降統計表 表3

從表3可以看出，BTBX站附近兩個水準點從2008年～2012年有小幅沉降，但平均速率僅為 -0.75 mm·a-1，這與本文估算的BTBX站垂直方向的速率略有差異，而WJIN站附近兩個水準點的沉降較為明顯，沉降速率分別為 18.6 mm·a-1和 8.1 mm·a-1，本文估算的WJIN站垂直方向的速率 13.97 mm·a-1介于兩者之間，這在一定程度上驗證了本文對CZCORS參考站在ITRF2008框架下垂直方向速度場分析的準確性與可靠性。WJIN站所處的常州市武進區，人口密集、工農業發達，隨著鄉鎮企業的迅猛發展，對地下水需求量的不斷增加導致地下水的過量開采，引起地下水位持續下降，形成了區域性的降落漏斗，使得地面高程不斷下降而產生地面沉降[9]。

4 結 論

本文采用GAMIT/GLOBK軟件處理了CZCORS 4個參考站2008年5月～2012年10月的GPS觀測數據以及我國6個IGS基準站的同期數據，確定了CZCORS參考站在ITRF2008框架下的水平速度場和垂直速度場，并進行了分析。結果表明，CZCORS參考站在ITRF2008框架下的平均水平運動速率為 35.55 mm·a-1，方向為E20.55°S；在垂直方向上，位于新北、金壇和溧陽參考站表現為小幅向上抬升，平均速率為 3.77 mm·a-1，武進站呈現出較為明顯的沉降趨勢，速率為 13.97 mm·a-1，考慮到GPS垂直方向定位精度較低、參考站季節性溫度變化等因素的影響，將BTBX、WJIN站的結果與城市二等水準成果進行了對比驗證，從定性的角度驗證了本文垂直速度場的分析。

本文所研究的4個參考站是在CZCORS建立初期建成的，具有時間跨度較長的GPS觀測數據，但參考站間平均距離近 40 km，分布密度不夠。截至2015年底，CZCORS已建成10個參考站，站間距離更小，分布更密。下一步將基于更多個參考站進行速度場的研究，尤其是在垂直方向上，同時結合更大范圍的城市二等水準測量以及InSAR等現代測量技術進行驗證，會得到更具說服力的結果。

[1] Hager B H，King R E，Murray M H. Measurement of Crustal Deformation Using Global Positioning System[J]. Annu Rev Earth Planet Sci，1991，19： 351～382.

[2] Larson K M，Freymueller J，Philipsen S. Global Plate Velocities from the Global Positioning System[J]. J Geophys Res，1997，102(B5)：9961～9981.

[3] 王琪. 用GPS監測中國大陸現今地殼運動：變形速度場與構造解釋[D]. 武漢：武漢大學，2004.

[4] 莊文彬，劉全海，謝中華. 常州市連續運行衛星定位服務系統的建設及關鍵技術研究[J]. 城市勘測，2007(3)：13～16，31.[5] 王敏，沈正康，牛之俊等. 現今中國大陸地殼運動與活動塊體模型[J]. 中國科學(D輯)，2003，33(Z1)：21～31.

[6] 曾波，張彥芬，姜衛平等. 山西CORS網基準站速度場分析[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2012，37(12)：1401～1404.[7] 袁鵬，孫宏飛，秦昌威等. 安徽CORS參考站三維速度場分析[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2016，41(4)：0535～0540.

[8] 張云. 蘇南地區地面沉降概述[J]. 地質災害與環境保護，2010(2)：66-72.

Analysis of Changzhou 3D Velocity Filed on the Basis of CORS

Liu Quanhai1，2，Wang Yankai1，2

(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou City Geographic Information Technology Center，Changzhou 213003，China)

GPS data from Changzhou Continuously Operating

tations (CZCORS) during the period of 2008-05 and 2012-10 were processed using GAMIT/GLOBK software then the 3D coordinate time series and velocity field were determined. Horizontal and vertical crustal movement of Changzhou was analyzed on the basis of the time series and velocity field. Results show that the absolute horizontal velocity of CZCORS stations move at 35.55mm·a-1on average in the direction of E20.55°S under the ITRF2008 reference frame. As for the vertical velocity field，CZCORS stations except for WJIN station uplift slightly with a 3.77mm·a-1speed while WJIN station subside obviously with the speed of 13.97 mm·a-1. The vertical velocity of BTBX and WJIN stationswas compared and verificated with the results of Second-class leveling.

CORS；ITRF2008；velocity field；land subsidence

1672-8262(2016)05-83-04

P228

A

2016—07—20

劉全海(1972—)，男，博士，研究員級高級工程師，主要研究方向為智慧城市建設理論、現代大地測量基準等。

住房和城鄉建設部科學技術項目計劃(項目編號 2013-k8-5)；常州市科技計劃(應用基礎研究)(項目編號CJ20130038)。