GPS地面沉降監測應用與實踐

趙明金，徐杰，孟黎

（1.山東省國土測繪院，濟南250102；2.山東城市建設職業學院，濟南 250014）

1 引言

地面沉降在GPS沉降監測數據處理過程中，基準點及點位坐標基準的選擇對于提高數據的處理精度和真實客觀地反映監測點位沉降速率均具有十分重要的意義。基準點要求建立在穩定的基巖上，但由于地殼運動的存在，建立在基巖上的基準點同時也存在水平和垂直方向上的運動。鑒于此，選用穩定、高精度的動態三維地心坐標系，用于監測網點的數據處理是整個數據處理中十分關鍵的一步。本文主要研究了利用北京、上海、武漢3座IGS站作為沉降監測網中的基準點，聯合沉降監測網中的監測點在ITRF2008框架下統一平差，從而確定各監測點位的高精度垂直變化分量，得到點位的沉降值。

2 ITRF2008的實現

國際地球參考框架即ITRF，是指國際地球參考系（ITRS）的一種具體實現，ITRF是基于VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間技術所建立起來的現代全球地面參考框架，它提供了一個全球統一的、地心的、三維的和動態的高精度地面坐標參照基準，并廣泛應用于全球范圍內精密定位、地殼形變監測、地球動力學研究等。當前常用的框架種類包括：ITRF2000、ITRF2005 和 ITRF2008[1]。

2.1 ITRF2008

ITRF2008的實現是基于VLBI、SLR、GPS和DORIS 4種空間測量技術聯合重新處理后而得，該4項技術觀測時間跨度分別為29年、26年、12.5年和16年。其原點定義為在歷元2005.0時ITRF2008與ILRS的SLR解的平移參數及其速率為0；尺度定義為在歷元2005.0時ITRF2008與相對于VLBI和SLR時間序列的平均尺度及尺度變化率為0；定向定義為在歷元2005.0時ITRF2008相對于ITRF2005選轉參數和旋轉速率為0[2]。

2.2 ITRF2008與其他框架的比較

相對于ITRF2000，ITRF2005在基準定義和實現方面均做了進一步的完善和調整。尤其是二者差異造成的測站坐標差在毫米級（ITRF2000與ITRF2005的差異對GNSS數據處理的影像），對高精度GPS數據處理存在一定影響[3]。

雖然ITRF2005相對ITRF2000有所改進，但在內部一致性和穩定性方面存在明顯缺憾。相對于ITRF2005，ITRF2008采用新的絕對相位中心偏移模型（IGS08）、新的重力場模型（EGM08）、衛星及測站的變化模型、天線溫度形變等改正，這些策略的采用證明了ITRF2008的性能高于ITRF2005，因此，采用ITRF2008框架數據解算時基線重復性分布更合理，解更趨于穩定。

3 應用案例

東部沿海某地區由于長期超量開采地下水，已導致地下水位大幅度下降，進而誘發地面沉降、裂縫等地質災害。為確保當地經濟建設和經濟社會發展需要，及時向有關部門提供沉降資料，系統全面掌握地面沉降數據，從2008年開始，進行GPS沉降監測，每年觀測一期。

3.1 布網

沉降監測網點包括基準點和監測點2部分。基準點由北京、上海、武漢3座IGS站組成，如圖1所示。

監測點位的標石選址都選在該地區具有代表性的地質環境區。共計布設18點位（見圖2）。點位建設參照B級GPS點建設規范。

圖1 基準點分布圖

圖2 監測點位分布圖

3.2 基線解算

數據基線解算軟件采用GAMIT（10.4）。精密星歷采用IGS最終星歷。經計算統計，每天解的NRMS值均小于0.2，基線絕對中誤差均為毫米級，相對中誤差最小值在10～9量級，最大值在10～7量級，大部分數值保持在10～8量級，由于基線過多，在此不做統計表述。

3.3 平差

網平差軟件采用武漢大學GPS工程技術研究中心研制的POWERNET，平差時以GAMIT的結果O文件為輸入文件，采用同步觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量。

3.3.1 參考框架

參考框架選用ITRF2008，每期數據處理歷元如表1所述。

表1 各期數據處理參考歷元

3.3.2 起算坐標選擇

在綜合評價SOPAC、ITRS官網發布的ITRF2008下的坐標值及速度場換算后所得到觀測歷元的坐標值后，發現精度不是十分理想，垂直方向上精度能降低0.5～4mm。因此，最終選擇了瑞士BERNE大學發布的全球IGS站周解作為沉降監測網的起算數據。

3.3.3 平差精度評定

經計算統計后，各點位垂直方向大地高U及點位中誤差RMS（U）如表2所示，除個別點位外，其余點位中誤差均優于3mm，精度較高。

表2 每期數據點位大地高及垂直方向上中誤差

4 結論

對GPS精密數據進行處理，并統一采用ITRF2008框架數據解算，可以得到優于2mm精度的大地高，可以對亞厘米及厘米級的地面沉降進行有效監測。