北京市沉降區CORS站高程基準變化分析

任政兆 朱照榮 張錫越 曾艷艷 張鳳錄 曹畢錚

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

高程基準是推算國家統一高程控制網中所有水準高程的起算依據,它包括一個水準基準面和一個永久性水準原點。陳俊勇[1]指出為了保持我國高程控制網的現勢性,應當在15～20年復測一次。高程基準雖經過十多年的建設發展,但其基礎設施損壞嚴重,測量成果的現勢性難以滿足服務需求,屬性結果維持難度較大[2]。因此在新型基礎測繪背景下,利用連續運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)站數據解算的高差成果與傳統水準測量的高差成果進行分析將會有意義。

有研究表明地殼運動、地下流體資源開采、城市建設等人類活動會引起城市局部地面沉降[3]。北京市存在多個沉降中心且不同程度的地面沉降造成了區域高程參考框架難以維持,同時在此框架下的測繪成果難以反映現勢情況。楊強等人[4]指出連續多年的全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GNSS)觀測數據在U方向精度有所提高。袁林果等人[5]提出利用GNSS連續運行參考站進行地殼形變監測具有重要意義。張詩玉等人[6]基于球諧函數定量分析了GNSS的大氣負荷效應,得到了大氣負荷是GNSS垂向分量季節性變化的因素之一的結論。有研究學者[7-9]分析了環境負載對GNSS測站序列的影響。即使GORS站解算坐標速度更快、更簡單便捷,但全球定位系統(global positioning system,GPS)觀測數據在高程方向受到的噪聲干擾遠大于水平方向[10],所以在精密水準測量、工程控制網中都要求使用傳統水準測量傳遞高程信息,為解決因區域不均勻沉降造成的水準點高程變化較大的問題,北京市測繪設計研究院每年以玉淵潭水準原點作為基準點,進行北京市沉降區高程復測及原點網監測工程。

1 數據收集

收集2012年1月至2021年7月的北京市CORS站和中國周邊國際GNSS服務(international GNSS service, IGS)基準站觀測數據,包括:5個北京市CORS站點，即昌平站(CHPN)、東三旗站(DSQI)、西集站(XIJI)、牛欄山站(NLSH)、朝陽站(CHAO)；12個IGS站點，即aira,badg,bjfs,pimo,daej,pol2,shao,tcms,hyde,tixi,urum,yssk,數據采樣間隔為30 s。由于DSQI、CHAO 2012—2015年數據質量存在問題(嚴重的周跳),只對該兩站2016—2021年的數據進行處理。

2 數據處理

2.1 數據處理軟件

基線處理軟件使用美國麻省理工學院和Scripps研究所共同研制的流體力學模擬基礎軟件(GAMIT)軟件,該軟件是世界上最優秀的GNSS數據處理軟件之一。利用GAMIT 10.70版本和GLOBK 5.12版本軟件,附加合理的約束對北京市CORS站網進行數據處理。

2.2 參數設置

數據處理參數設置具體情況如表1所示。

表1 GAMIT參數設置

2.3 數據處理流程

首先對北京市CORS系統數據進行預處理,主要批量修改2018年之前的基準站數據文件頭接收機和天線信息格式。以GAMIT/GLOBK(一個研究高精度全球定位系統測量數據處理等領域的綜合分析軟件包)軟件為主進行GNSS數據處理。通過對CORS站和IGS站每天的GNSS觀測量數據(觀測站位置、接收機鐘差與衛星鐘差等多種參數)解算,利用GLOBK軟件獲得CORS站的單日區域松弛解(h-file),經過坐標約束后,得到基于國際地球參考框架(international terrestrial reference frame,ITRF)2014下所有基準站位置的高精度坐標和時間序列。

2.4 精度檢核

由于GAMIT軟件采用的是網解(即全組合解),同步環閉合差在基線解算的同時已經進行了分配。為了檢核GAMIT軟件基線解的同步環,可以把時間序列的國際GNSS服務(international GNSS service,IGS)作為同步環質量好壞的一個指標,一般要求NRMS值不能大于0.5且不等于0。2012—2021年基線解算NRMS值大小如下圖1所示。

圖1 基線解算NRMS值

通過圖1分析,除2016年外其他年份基線解算的NRMS值均小于0.5,滿足精度要求。經查閱,2016年前221天DSQI站由于接收機和天線設備故障,數據觀測質量較差,存在嚴重的周跳變化,導致基線解算的NRMS值存在超過限值的情況。從2016年第222天開始,DSQI站更換天線、接收機設備后基線解算的NRMS值均小于0.5且趨于穩定狀態。

3 高程基準變化分析

3.1 時間序列分析

CHAO站和DSQI站位于在北京市嚴重沉降檢測區內,圖2是基準站的原始時間序列,在垂直方向明顯發現,CHAO站在2015—2018年之間是不斷沉降的,2019—2021年沉降速度有了明顯減緩。CHPN站相對比較穩定,年周期變化相對明顯。NLSH站2012—2017年下沉較大,但是2018年開始沉降逐漸減緩,甚至2020—2021年該站有抬升的趨勢。DSQI站在2016年時間序列出現階躍,相對位置存在一定偏移,經核實是該站更換了天線,該站同樣存在一定的沉降。XIJI站在2014—2021年階段中處于均勻沉降。

圖2 基準站原始時間序列

3.2 基站速度分析

表2給出了基準站VN,VE,VU的三個方向近十年的年均運動速率,基準站在南北方向每年10 mm左右,東西方向每年的運動量大約在30 mm,垂直方向是根據不同地形運動量各不相同,但各站的運動速度均為負值,表示基準站均呈現沉降趨勢,其中在嚴重沉降區內的DSQI站沉降速率最大,每年可以達到50.54 mm,CHAO站明顯低于DSQI站,每年以約22 mm的速度下沉,NLSH次之,年沉降速率約為17 mm,CHPN站屬于北京市沉降區外的山區,該點的高程比較穩定,大約為每年1.79 mm的速度下降。

表2 基準站年均運動速率 單位：mm/a

3.3 結合水準復測分析

為了驗證CORS站解算高程基準變化的準確性,收集了近6年北京市沉降區高程水準復測的高差結果,二者對比如圖3。由于2013—2015年北京市沒有對CORS基準站進行聯測,選取2016年的基準站高程作為基準做差值。

雖然部分測站的GNSS結果與水準成果具有一定的差距,比如CHAO站2020年高差二者相差4.8 cm,DSQI站兩個高差結果平均差11.3 cm,但不可否認的是GNSS高差與水準高差的趨勢項相似度較高,其中NLSH站和XIJI站二者相差毫米級,除CHPN站比較穩定,其他四個基準站均在2016年下沉比較嚴重,2019—2021年期間基準站沉降趨勢明顯減弱,其中CHAO站在2021年水準測量成果中抬升4 mm,NLSH站從2018年開始一直以8 mm/a的速度做抬升運動,XIJI站處于北京市沉降區內,保持下沉趨勢,但運動速度明顯減緩。圖3也從側面反映出北京市“海綿城市”綠地建設的有效成果。堅持生態為本、自然循環,增強城市綠地海綿體功能,采取嚴格限制地下水開采、南水北調的工程等措施從一定程度上緩解了北京市區域沉降的趨勢,取得了良好的整治成果。

圖3 GNSS高差與水準高差對比

4 結束語

本文對北京CORS基準站2012—2021年的數據進行了處理,獲取了5個基準站高程基準變化的時間序列,結合了近6年來北京市水準測量情況,得出以下結論：

(1)CORS站垂直方向運動普遍存在明顯的周期變化。

(2)將CORS站數據解算的高差結果與傳統水準測量的結果相比較,雖然部分測站的GNSS結果與水準成果具有一定的差距,但GNSS高差與水準高差的趨勢項相似度較高,驗證了利用CORS站獲取垂直方向的準確性。

(3)地面沉降對北京城市建設和基礎設施造成了隱患,北京市采取嚴格限制地下水開采、北京市“海綿城市”綠地建設、南水北調的工程等措施從一定程度上緩解了北京市沉降的趨勢,取得了良好的整治成果,以CHAO站、NLSH站尤為明顯,甚至出現了抬升的趨勢。