曹炳強(qiáng),劉智強(qiáng),簡(jiǎn)程航,魯澤宇,張雙成,羅 強(qiáng)
北京市地面沉降監(jiān)測(cè)高精度數(shù)據(jù)處理及分析
曹炳強(qiáng)1,劉智強(qiáng)1,簡(jiǎn)程航1,魯澤宇1,張雙成2,羅 強(qiáng)1
(1. 北京市地質(zhì)工程勘察院,北京 100048;2. 長(zhǎng)安大學(xué),西安 710054)
地面沉降是北京平原區(qū)最主要、影響面積最廣泛且日趨嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。近年來地面沉降速率較大,累計(jì)沉降量不斷增加,形成了多個(gè)沉降中心,沉降發(fā)育程度高的地區(qū)面積逐步增大。北京市早在2002年就開始建設(shè)基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),但隨著北京城市的快速發(fā)展,一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊環(huán)境受到影響,勢(shì)必會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)成果精度產(chǎn)生一定影響。針對(duì)這個(gè)問題,簡(jiǎn)要介紹了北京市地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,著重介紹了GNSS在北京市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,包括地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的構(gòu)成以及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方案。對(duì)北京市2020年的GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析,結(jié)果顯示基于GNSS得到的監(jiān)測(cè)成果整體是可靠的,能夠反映出北京市地面沉降發(fā)育的區(qū)域及發(fā)展態(tài)勢(shì)。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);北京地面沉降;數(shù)據(jù)處理;精度分析;沉降結(jié)果分析
國(guó)外對(duì)于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)技術(shù)的研究起步較早。早在1987年,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局就率先利用GNSS技術(shù)對(duì)夏威夷火山進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果顯示在垂直方向的精度為35 mm;2009年,意大利的博洛尼亞大學(xué)利用衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)意大利半島中北部的地面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用加米特(GAMIT)/格洛布克(GLOBK)軟件處理,結(jié)果顯示在高程方向的精度可以達(dá)到3~4 mm。國(guó)內(nèi)1998年,上海市地質(zhì)調(diào)查研究院和長(zhǎng)安大學(xué)開始用GNSS技術(shù)對(duì)上海市地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn),結(jié)果顯示能夠獲得毫米級(jí)精度的大地高。天津市在全市范圍內(nèi)布設(shè)了由20多個(gè)全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),結(jié)果顯示GPS靜態(tài)測(cè)量的精度與一等精密水準(zhǔn)測(cè)量的精度相當(dāng)。自2005年開始,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和長(zhǎng)安大學(xué)開始用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)對(duì)西安地裂縫和沉降進(jìn)行三維變形監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)處理軟件為GAMIT/GLOBK,結(jié)果顯示可以得到5毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度[1]。
隨著北京市經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,加之城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,因過量開采地下水及城市建設(shè)帶來的地面沉降災(zāi)害日益嚴(yán)重,已經(jīng)發(fā)展成為北京平原區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害[2]。為加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè),保障首都城市地質(zhì)環(huán)境安全,在市政府大力支持下,北京市已基本建成了覆蓋全市的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測(cè)手段包括高精度水準(zhǔn)測(cè)量、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)、GPS測(cè)量以及監(jiān)測(cè)站內(nèi)基巖標(biāo)、分層標(biāo)監(jiān)測(cè)等。目前各系統(tǒng)運(yùn)行正常,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠,所取得的監(jiān)測(cè)成果在城市規(guī)劃、國(guó)土資源管理以及區(qū)域工程地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)估等方面得到推廣應(yīng)用[3]。
本文主要對(duì)GNSS在北京市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹,包括地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的構(gòu)成以及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方案,并對(duì)GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算成果進(jìn)行了精度分析。
北京市地面沉降預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(一期)工程自2002年開始建設(shè),在昌平、順義、通州以及大興等主要沉降區(qū)域內(nèi)共建設(shè)14個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)[4]。一期工程取得了很好的監(jiān)測(cè)效果,但因?yàn)橐黄诠こ瘫O(jiān)測(cè)點(diǎn)分布范圍較小,不能覆蓋北京市整個(gè)平原區(qū),不能滿足整個(gè)平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)的需求。因而,在2007年開始建設(shè)北京市地面沉降預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(二期)工程,二期工程共建設(shè)地面沉降GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)100個(gè)。一期、二期共建設(shè)114個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn),相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離一般在5~10 km[5]。由于北京城市的發(fā)展建設(shè),部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)遭到損毀,目前存有102個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),基本能夠覆蓋北京市整個(gè)平原區(qū)。每個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)均建為永久性混凝土觀測(cè)墩,觀測(cè)墩頂部有不銹鋼強(qiáng)制對(duì)中裝置,用于安置GPS接收機(jī)天線,以消除天線對(duì)中誤差的影響[6-8]。
為了獲取高精度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化信息,在借鑒以往觀測(cè)數(shù)據(jù)成果、并顧及到點(diǎn)位分布的情況下,布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí),以10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為一個(gè)同步環(huán),同步環(huán)之間的公共連接點(diǎn)均不少于3個(gè),共組成13個(gè)同步環(huán),每年外業(yè)觀測(cè)時(shí)間從8月底開始到10月底結(jié)束,持續(xù)時(shí)間近2個(gè)月。觀測(cè)的儀器采用的是天寶的雙頻接收機(jī)和扼流圈天線。
數(shù)據(jù)處理主要包括基線解算與網(wǎng)平差工作。本文數(shù)據(jù)為北京市2020年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。GPS基線解算采用GAMIT/GLOBK軟件包,其作為高精度的數(shù)據(jù)處理軟件,廣泛應(yīng)用于地殼變形的分析研究、高精度GNSS數(shù)據(jù)處理等。GAMIT/GLOBK軟件自動(dòng)化程度高,通過選取適當(dāng)數(shù)量的國(guó)際GNSS服務(wù)(International GNSS Service, IGS)站,并使用精密星歷解算GPS數(shù)據(jù),可求得高精度基線向量和測(cè)站坐標(biāo),是目前國(guó)際上比較流行且解算精度較高的GPS數(shù)據(jù)處理軟件之一[9]。
在高精度GPS數(shù)據(jù)處理前,需要對(duì)GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括GPS測(cè)量點(diǎn)的變動(dòng)、GPS天線高的檢查、GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析。
GPS測(cè)量點(diǎn)的變動(dòng)檢查:主要核對(duì)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位是否發(fā)生過移動(dòng)、GPS接收機(jī)和天線是否更換、GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)是否有效、監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)名與其實(shí)際位置是否一致等。
GPS天線高的檢查:高精度地面沉降GPS測(cè)量需要有統(tǒng)一的起算基準(zhǔn),針對(duì)觀測(cè)墩的特點(diǎn),采用在GPS監(jiān)測(cè)墩頂面彼此間隔120°位置上刻一淺槽的量測(cè)模式方案,使淺槽底部基本保持在同一水平面上,并將淺槽打磨光滑。GPS天線高的量測(cè)是從刻槽的位置垂直向上至GPS扼流圈天線圓盤外沿的最底部(圖1)。在每個(gè)觀測(cè)時(shí)段測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后各量取一次,3次量取的天線高較差在1 mm以內(nèi)時(shí),取其平均值作為最后天線高。
圖1 GPS扼流圈天線高的量測(cè)模式
GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析:GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和完好性是后續(xù)進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理的重要的保障,因此在數(shù)據(jù)處理前應(yīng)對(duì)GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。采用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件TEQC(translation, editing, and quality checking)對(duì)本文的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了全面分析。TEQC軟件是通過計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑情況(MP1和MP2)、數(shù)據(jù)的完整性(實(shí)際觀測(cè)值的數(shù)據(jù)量除以理論上的觀測(cè)值數(shù))和信號(hào)的失鎖情況等內(nèi)容來評(píng)價(jià)GPS監(jiān)測(cè)測(cè)站周圍的環(huán)境對(duì)GPS觀測(cè)值的影響程度。本文對(duì)采集的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢查,并對(duì)多路徑影響MP1、MP2值做了詳細(xì)統(tǒng)計(jì),下面主要給出MP1、MP2指標(biāo)分布圖(圖2至圖3)。
圖2 各GPS測(cè)量站點(diǎn)的多路徑影響MP1值分布
圖3 各GPS測(cè)量站點(diǎn)的多路徑影響MP2值分布
基線解算是將基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)分別通過與3個(gè)北京地面沉降基巖基準(zhǔn)點(diǎn)(BJFS、BJSH、JIXN)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算,進(jìn)而將監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線分別納入國(guó)際地球參考框架2005(international terrestrial reference frame 2005, ITRF2005)中。利用全球參考框架的穩(wěn)定性與連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的完好性,以及基巖基準(zhǔn)點(diǎn)的高精度三維地心坐標(biāo)來進(jìn)一步提高GPS基線解的精度。
GAMIT基線解文件按單時(shí)段天解的形式給出,其基線解為雙差固定解?;€解文件的主要內(nèi)容包括該時(shí)段所包含的測(cè)站名稱、觀測(cè)歷元總數(shù)、采樣間隔、工作開始時(shí)間、各GPS基線在空間直角坐標(biāo)系與站心坐標(biāo)系中的解算結(jié)果以及基線解的方差-協(xié)方差矩陣等[6-8]。
2020年度GPS測(cè)量的基線解算采用解算策略:
將102個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)、3個(gè)基巖基準(zhǔn)點(diǎn)(BJFS、BJSH、JIXN)綜合在一起進(jìn)行基線解算,獲取監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線向量結(jié)果。GAMIT主要參數(shù)設(shè)置如表1所示[9-14]。
表1 GAMIT主要參數(shù)設(shè)置
監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線向量網(wǎng)平差主要采用擬穩(wěn)平差。網(wǎng)平差中均以3個(gè)北京地面沉降基巖基準(zhǔn)點(diǎn)(BJFS、BJSH、JIXN)作為起算基準(zhǔn)。
平差方案采用擬穩(wěn)平差主要是為了避免因?qū)鶞?zhǔn)點(diǎn)作強(qiáng)約束致使平差觀測(cè)量受到歪曲而影響精度,同時(shí)也為了不會(huì)因完全放棄固定基準(zhǔn),造成不能提供所求的變形量。擬穩(wěn)平差法即對(duì)網(wǎng)中相對(duì)穩(wěn)定3個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),在最小范數(shù)條件下作擬穩(wěn)秩虧自由網(wǎng)平差,使穩(wěn)定未知量擬合于其穩(wěn)定值,而對(duì)整網(wǎng)在最小二乘條件下作經(jīng)典平差。選用擬穩(wěn)平差方案,網(wǎng)中既保存了相對(duì)穩(wěn)定的變形監(jiān)測(cè)參考基準(zhǔn),可以較好地達(dá)到監(jiān)測(cè)變形的目的,又不會(huì)使平差坐標(biāo)值因基準(zhǔn)點(diǎn)的少量變形和誤差影響而產(chǎn)生扭曲,保持了網(wǎng)中點(diǎn)坐標(biāo)的精度。
GPS測(cè)量的精度評(píng)定從GPS基線重復(fù)邊、環(huán)閉合差以及大地高精度3個(gè)方面進(jìn)行。
1)基線重復(fù)邊。以GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線重復(fù)數(shù)來評(píng)定基線解算的精度?;€重復(fù)數(shù)能夠反映時(shí)段解(單天解)之間的內(nèi)符合精度,是評(píng)定GPS定位結(jié)果的重要指標(biāo)之一,計(jì)算公式為
基線重復(fù)性統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 GPS測(cè)量基線重復(fù)性統(tǒng)計(jì)
由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到,GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線重復(fù)數(shù)精度全部滿足限差要求。
2)同步環(huán)和異步環(huán)閉合差。GAMIT軟件采用的是網(wǎng)解(即全組合解),其同步環(huán)閉合差在基線解算時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了分配。對(duì)于GAMIT軟件基線解的同步環(huán)檢核,可以把基線解的標(biāo)準(zhǔn)化均方根(normalized root mean square, NRMS)值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo),一般要求NRMS值小于0.3 mm,表3給出了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的NRMS值的統(tǒng)計(jì)信息。由表3中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,所有基線NRMS值均小于0.2 mm,這說明GPS同步基線向量網(wǎng)的內(nèi)符合精度較高。
表3 同步環(huán)基線解NRMS值統(tǒng)計(jì) 單位:mm
同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差的值能夠反映GPS外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量以及基線解算質(zhì)量的可靠性。同步環(huán)閉合差可以反映出一個(gè)同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞,而異步環(huán)閉合差則可以反映出整個(gè)GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性,相比較于同步環(huán)閉合差,異步環(huán)閉合差對(duì)GPS成果質(zhì)量更為重要。
表4給出了異步環(huán)閉合差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,異步環(huán)閉合差主要反映GPS向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度,特別是重復(fù)基線是否存在異常或超限。依據(jù)GPS規(guī)范來檢測(cè)異步環(huán)閉合差是否超限。由表4結(jié)果可知,GPS測(cè)量網(wǎng)異步環(huán)閉合差全部合格。
表4 異步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)
3)GPS站點(diǎn)大地高精度分析。GPS測(cè)量成果精度主要通過平差后GPS點(diǎn)大地高精度進(jìn)行分析。由于北京市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)站點(diǎn)形變信息主要基于各站點(diǎn)大地高獲取,因此GPS站點(diǎn)大地高精度與北京市地面沉降密切相關(guān),其精度高低直接影響到北京市地面沉降GPS監(jiān)測(cè)的可靠性。圖4為監(jiān)測(cè)點(diǎn)大地高精度分布圖,通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大地高精度進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到:2020年監(jiān)測(cè)網(wǎng)大地高誤差最小值為0.5 mm,最大值16.9 mm,平均值3.6 mm。
圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)大地高精度分布圖
表5為GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)大地高精度區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)表,從表中可知大地高精度小于10 mm的占比為95.1%。
表5 2020年度監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)大地高精度區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)上述的沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方案,在同一參考基準(zhǔn)框架下,由2019、2020年兩期GPS測(cè)量平差結(jié)果,得到各GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)于監(jiān)測(cè)周期的大地高變化量。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大地高變化量得到了2019—2020年監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化量分布圖,見圖5。
圖5 2019—2020年監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化量分布圖
從圖5中可以看到,2019—2020年高程變化量較大的區(qū)域:①昌平、順義及海淀區(qū)。在這些區(qū)域中,多數(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)年度高程變化量在0~50 mm之間,少量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)年度高程變化量大于50 mm。同時(shí)也可以看到,海淀區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少,尤其是在和昌平交界的海淀北部區(qū)域。②市區(qū)東部的朝陽、通州地區(qū)。③大興的禮賢、榆垡區(qū)域。綜上可知,基于GNSS對(duì)北京市地面沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果較好地反映出北京年度的地面沉降變化信息。
空曠的通視環(huán)境是保證高精度GPS監(jiān)測(cè)的首要條件,但是北京市的城市發(fā)展和環(huán)境變化卻嚴(yán)重影響了部分GPS站點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境,導(dǎo)致少量點(diǎn)的精度比較差。為了確保北京市GPS地面沉降監(jiān)測(cè)工作的高效性、穩(wěn)定性和連續(xù)性,可以從以下2個(gè)方面改進(jìn):①盡可能避開植被茂盛的季節(jié)進(jìn)行GPS監(jiān)測(cè),減弱GPS多路徑誤差,提高測(cè)量精度;②對(duì)地面沉降發(fā)育區(qū)及時(shí)進(jìn)行GPS站點(diǎn)的修建。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在北京市地面沉降監(jiān)測(cè)中已應(yīng)用多年,取得了很好的監(jiān)測(cè)成果,對(duì)全方面了解北京市地面沉降區(qū)域發(fā)展動(dòng)態(tài)、發(fā)展規(guī)律,研究北京市平原區(qū)內(nèi)部平面運(yùn)動(dòng)、發(fā)現(xiàn)地裂縫發(fā)展區(qū)域提供了基礎(chǔ)。同時(shí),我們也應(yīng)該不斷推動(dòng)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)在地面沉降、地裂縫監(jiān)測(cè)等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
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High precision data processing and analysis of land subsidence monitoring in Beijing
CAO Bingqiang1, LIU Zhiqiang1, JIAN Chenghang1, LU Zeyu1, ZHANG Shuangcheng2, LUO Qiang1
(1. Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering, Beijing 100048, China;2. Chang’an University, Xi’an 710054, China)
Land subsidence is one of the most serious geological disasters in Beijing plain. In recent years, the land subsidence rate is large, the cumulative subsidence is increasing, forming a number of subsidence centers, and the area with high degree of subsidence is gradually increasing. Beijing began to build a monitoring system based on global satellite navigation system technology as early as 2002. With the rapid development of Beijing, the surrounding environment of some monitoring points is affected, which is bound to have a certain impact on the accuracy of monitoring results. To solve this problem, this paper briefly introduced the land subsidence monitoring project in Beijing, focusing on the application of global satellite navigation system in Beijing land subsidence monitoring, including the composition of the land subsidence monitoring network and the settlement monitoring data processing scheme. The accuracy of the global navigation satellite system monitoring data solution results of Beijing in 2020 was analyzed. The results showed that the monitoring results based on the global satellite navigation system were reliable as a whole, and could reflect the region and trend of land subsidence in Beijing.
global navigation satellite system; Beijing land subsidence; data processing; accuracy analysis; analysis of subsiding results
P228
A
2095-4999(2021)06-0125-05
曹炳強(qiáng),劉智強(qiáng),簡(jiǎn)程航,等. 北京市地面沉降監(jiān)測(cè)高精度數(shù)據(jù)處理及分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2021, 9(6): 125-129.(CAO Bingqiang, LIU Zhiqiang, JIAN Chenghang, et al. High precision data processing and analysis of land subsidence monitoring in Beijing[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 125-129.)
10.16547/j.cnki.10-1096.20210619.
2021-03-03
曹炳強(qiáng)(1990—),男,山東濰坊人,碩士,工程師,研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理及工程監(jiān)測(cè)。