陳玉林 匡翠林 戴吾蛟 謝榮安 盧辰龍

1 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

2 湖南省精密工程測(cè)量與形變?yōu)暮χ攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

3 廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣州市新街大道50號(hào)，510800

近年來(lái)，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用精度的不斷提高，GPS技術(shù)已成為地面沉降監(jiān)測(cè)的一種重要手段［1－6］。廣州南沙區(qū)位于珠江入?？?，廣泛發(fā)育濱海相和三角洲相厚層軟土淤沙層，厚達(dá)25～45m［7－8］，在地表荷載作用下容易出現(xiàn)大變形，引起地面沉降和邊坡失穩(wěn)。為掌握本地區(qū)地面沉降情況及其時(shí)空演化規(guī)律，建立了GPS地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［9］。測(cè)區(qū)位于低緯度地區(qū)（22.6°N，113.5°E），電離層活躍。本文分別用3種不同的基線選擇方法進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理，并將GPS結(jié)果與水準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究南沙區(qū)地面沉降特征。

1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

廣州南沙區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)組成（圖1），通過(guò)TCP／IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)與服務(wù)器的互聯(lián)互訪、遠(yuǎn)程控制。

1.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)共布設(shè)4個(gè)雙頻點(diǎn)和7個(gè)單頻點(diǎn)，同時(shí)布設(shè)68個(gè)精密水準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)位分布見圖2。各測(cè)站配備的GPS接收機(jī)均采用Novatel GPS OEM 板卡，并集成GPRS DTU 終端，采用國(guó)產(chǎn)測(cè)地型天線。監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻布置在整個(gè)測(cè)區(qū)，仰角7o以上沒有遮擋。11個(gè)測(cè)站均進(jìn)行24h 不間斷觀測(cè)，采樣間隔20s。

圖1 廣州南沙地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Structure of GPS land subsidence monitoring system

圖2 廣州南沙地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of GPS stations and leveling benchmarks

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

GPS接收機(jī)通過(guò)GPRS DTU 終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)接收軟件與各測(cè)站的接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，將接收到的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RINEX 格式文件存儲(chǔ)。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，GPS接收機(jī)集成了存儲(chǔ)卡，如網(wǎng)絡(luò)故障或監(jiān)測(cè)中心故障致使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換失敗，則將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)卡，以便故障排除后監(jiān)控中心可繼續(xù)接收故障時(shí)數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)缺失。

2 基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

廣州南沙地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共包含11 個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，命名為GD01～GD11，其中GD03、GD05、GD08和GD10為雙頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他點(diǎn)為單頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)。GD05 點(diǎn)位于基巖上，作為穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)；GD08點(diǎn)位于打了基樁的建筑物上，為相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)。為研究GD08點(diǎn)的穩(wěn)定性，首先利用PPP技術(shù)分別解算GD05、GD08點(diǎn)坐標(biāo)，獲取坐標(biāo)時(shí)間序列，N、E、U分量的RMS分別為5mm、7mm、13mm。然后，采用區(qū)域?yàn)V波方法［10］去除共模誤差，提高GPS區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)序列的信噪比，得到濾波后的殘差序列（圖3）。去除共模誤差之后，GD05、GD08點(diǎn)N、E、U3個(gè)方向的殘差速率均接近于0，即GD08與GD05在各個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)速率相同，由此可認(rèn)為GD08同樣是穩(wěn)定不動(dòng)的點(diǎn)，可作為基準(zhǔn)點(diǎn)。因此，本文以GD05和GD08作為GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)解算的參考站。

圖3 GD05、GD08站去除共模誤差前后的殘差序列Fig.3 Residuals of station GD05and GD08before and after removing common mode error

3 數(shù)據(jù)處理與分析

GPS數(shù)據(jù)跨度為2012－07～2013－12，采樣率60s，用BERNESE5.0 軟件進(jìn)行單天靜態(tài)定位解算。

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

由于沉降監(jiān)測(cè)區(qū)位于低緯度地區(qū)，電離層活動(dòng)活躍，基線長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)解算結(jié)果有很大影響。為研究基線長(zhǎng)度對(duì)解算精度的影響，數(shù)據(jù)處理采用3種方案：方案1、2分別以GD05、GD08為單基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行解算，方案3以GD05和GD08為雙基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行基線解算。解算策略為：采用24h時(shí)段解靜態(tài)處理模式，高度截止角10°；對(duì)流層天頂延遲采用標(biāo)準(zhǔn)模型SAASTAMOINEN，對(duì)流層估計(jì)采用2h間隔分段估計(jì)；衛(wèi)星軌道采用精密星歷，相位中心改正采用絕對(duì)天線相位中心改正模型（I05.ATX）；海潮模型為FES2004，參考框架為ITRF2005。圖4給出GD04號(hào)點(diǎn)高程方向的殘差序列，從上至下依次為方案1、2、3的解算結(jié)果，GD04站距離GD05和GD08站的距離分別為9.57km 和2.29km。從圖4可以看出，方案2的解算精度最高。

圖4 GD04點(diǎn)U 方向殘差時(shí)間序列Fig.4 Coordinate residuals of GD04station

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 GPS監(jiān)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)分析

本文借鑒IGS組織評(píng)定坐標(biāo)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)，以周坐標(biāo)重復(fù)性（WRMS）［11］作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖5為GD07站點(diǎn)3種不同基準(zhǔn)選擇方案的周坐標(biāo)重復(fù)性序列，從左至右依次為以GD05、GD08 為單基準(zhǔn)點(diǎn)以及GD05和GD08為雙基準(zhǔn)點(diǎn)的解算結(jié)果。從圖中可以看出，方案1解算結(jié)果的坐標(biāo)重復(fù)性最差，方案2解算精度最高，方案3介于方案1、2 之間，其中GD07 點(diǎn)距GD05、GD08 分別為7.6km、2.8km。

圖5 GD07站點(diǎn)周坐標(biāo)重復(fù)性WRMSFig.5 WRMS of coordinate weekly repeatability for GD07station

表1給出了3種不同基準(zhǔn)選擇方案下各站點(diǎn)的周坐標(biāo)重復(fù)性均值?？梢钥闯?，單頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD04、GD06、GD07、GD09、GD11基線長(zhǎng)度越短，其解算精度在N、E、U3個(gè)方向上均有不同程度的提高；單頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD01、GD02并不滿足基線長(zhǎng)度越短精度越高，主要是由于這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)質(zhì)量的問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失較多，且接收數(shù)據(jù)質(zhì)量差，從而使得監(jiān)測(cè)結(jié)果精度不高；雙頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD03、GD10與兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的距離相差不大且都小于10km，基線長(zhǎng)度對(duì)其解算精度影響不明顯，也不滿足基線長(zhǎng)度越短解算精度越高。

表1 3種不同方案解算坐標(biāo)分量WRMS均值Tab.1 Mean WRMS of 11GPS stations

3.2.2 GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)比分析

精密水準(zhǔn)被普遍應(yīng)用于驗(yàn)證新型地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性和復(fù)雜地面沉降現(xiàn)象的研究［12－13］。監(jiān)測(cè)區(qū)的9個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)有8個(gè)進(jìn)行了水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，表2為GPS與水準(zhǔn)結(jié)果的對(duì)比。其中GPS結(jié)果為短基線原則的最優(yōu)結(jié)果，數(shù)據(jù)時(shí)間為2012－07～2013－12。水準(zhǔn)測(cè)量一共進(jìn)行了3期復(fù)測(cè)，分別為2012－03、2012－12～2013－01和2013－07～08。從表2可以看出，除了監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD06外，其他7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS結(jié)果與水準(zhǔn)結(jié)果基本吻合，GPS解算所得沉降速率與水準(zhǔn)之差都在±4 mm 之間；監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD06進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)第1 期復(fù)測(cè)之后得到的沉降量為6.36mm，第2期復(fù)測(cè)得到相對(duì)于第一次復(fù)測(cè)結(jié)果的沉降量為－1.1 mm，而GPS結(jié)果顯示此監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩期之間沉降基本均勻，初步判斷GD06水準(zhǔn)結(jié)果與GPS不相符的原因可能是該點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

表2 GPS結(jié)果與水準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 The results of GPS and leveling

4 結(jié) 語(yǔ)

1）GD08為穩(wěn)定點(diǎn)，可作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)。

2）廣州處于電離層活躍區(qū)域，即使基線小于10km，單頻GPS解算精度受基線長(zhǎng)度的影響仍然較大，且基線越短精度越高，而雙頻點(diǎn)幾乎不受影響，因此需深入研究利用雙頻點(diǎn)數(shù)據(jù)精化電離層誤差改正模型，以提高單頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度。

3）經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，GPS結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果相吻合。

4）根據(jù)沉降速率大小，可以將監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的點(diǎn)分為3類：第1類是沉降速率小于5mm／a的點(diǎn)，即相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)，包括GD03、GD05、GD07、GD08點(diǎn)；第2 類是沉降速率大于5 mm／a、小 于20 mm／a的點(diǎn)，包 括GD01、GD02、GD04、GD06、GD10、GD11點(diǎn)；第3類是沉降速率大于20mm／a的點(diǎn)，包括GD09點(diǎn)。

［1］崔振東，唐益群.國(guó)內(nèi)外地面沉降現(xiàn)狀與研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2007，29（3）：275－278（Cui Zhendong，Tang Yiqun.Domestic and International Recent Situation and Research of Land Subsidence Disasters［J］.Northwestern Seismological Journal，2007，29（3）：275－278）

［2］侯林山，王金龍，朱三妹，等.利用差分GPS 進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)的研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（5）：811－815（Hou Linshan，Wang Jinlong，Zhu Sanmei，et al.Study of Difference GPS to Monitor Land Subsidence［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（5）：811－815）

［3］Bitelli G，Bonsignore F，Unguendoli M.Levelling and GPS Networks to Monitor Ground Subsidence in the Southern Po Valley［J］.Journal of Geodynamics，2000，30（3）：355－369

［4］Sato H P，Abe K，Ootaki O.GPS－Measured Land Subsidence in Ojiya City，Niigata Prefecture，Japan［J］.Engineering Geology，2003，67（3）：379－390

［5］Hu J C，Chu H T，Hou C S，et al.The Contribution to Tectonic Subsidence by Groundwater Abstraction in the Pingtung Area，Southwestern Taiwan as Determined by GPS Measurements［J］.Quaternary International，2006，147（1）：62－69

［6］Psimoulis P，Ghilardi M，F(xiàn)ouache E，et al.Subsidence and Evolution of the Thessaloniki Plain，Greece，Based on Historical Leveling and GPS Data［J］.Engineering Geology，2007，90（1）：55－70

［7］夏法，黃玉昆.廣東的地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1995，4（3）：83－91（Xia Fa，Huang Yukun.Geological Hazard and Geological Environment in Guangdong Province［J］.Journal of Natural Disasters，1995，4（3）：83－91）

［8］林本海，楊樹莊，朱伯善，等.廣東省地質(zhì)構(gòu)造與巖土工程基本特征［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2006（S2）：3 337－3 346（Lin Benhai，Yang Shuzhuang，Zhu Boshan，et al.Geological Structure and Basic Geotechnical Characteristics in Guangdong Province.［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.2006（S2）：3 337－3 346）

［9］謝榮安，陳玉林，戴吾蛟，等.單雙頻GPS 混合地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)［J］.工程勘察，2013（12）：48－52（Xie Rongan，Chen Yulin，Dai Wujiao，et al.Scheme Design of Ground Subsidence Monitoring Using Mixed Single－and Dual－Frequency GPS Receivers［J］.Geotechnical Investigation ＆Surveying，2013（12）：48－52）

［10］Dong D，F(xiàn)ang P，Bock Y，et al.Anatomy of Apparent Seasonal Variations from GPS－Derived Site Position Time Series［J］.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，2002，107（B4）：ETG 9－1－ETG 9－16

［11］Altamimi Z，Collilieux X，Legrand J，et al.ITRF2005：A New Release of the International Terrestrial Reference Frame Based on Time Series of Station Positions and Earth Orientation Parameters［J］.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，2007，112（B9）

［12］Raucoules D，Maisons C，Carnec C，et al.Monitoring of Slow Ground Deformation by ERS Radar Interferometry on the Vauvert Salt Mine（France）：Comparison with Groundbased Measurement［J］.Remote Sensing of Environment，2003，88（4）：468－478

［13］Pagli C，Sigmundsson F，Arnadóttir T，et al.Deflation of the Askja Volcanic System：Constraints on the Deformation Source from Combined Inversion of Satellite Radar Interferograms and GPS Measurements［J］.Journal of Volcanology and Geothermal Research，2006，152（1）：97－108