GPS在地质构造沉降监测中的应用与研究

维普资讯 http://www.cqvip.com ６学术研究　测绘技术装备季刊第９卷２００７年第２期　６ＰＳ在地质构造沉降监测中的应用与研究　徐绍铨’朱千章　（１．武汉大学测绘学院武汉４３００７９；２．湖北省地质调查院水工环所武汉４３４１００）　摘要：本文通过采用ＧＰＳ在“江汉一洞庭湖区沉降监测”的实践，探讨了ＧＰＳ在地质构造沉降监测中最佳　的观测方法及数据处理时应采取的各项措施，得出一些有益的结论，可为类似工作提供借鉴。　关键词：ＧＰＳ构造沉降监测　观测及数据处理方法　相位中心改正　１引言　ＧＰＳ观测的相对比较，因此完全可直接用ＧＰＳ求出的　近年来，国内外测绘工作者都在探索用ＧＰＳ代　（ＷＧＳ－８４系）大地高来比较。这样可避免因无法精确　替几何水准测量，进行城市地面沉降和构造沉降监　求定监测点的大地水准面差距（或高程异常），而降　测。当监测基准点与监测点相距较近时，一般可以　低ＧＰＳ高程监测的精度。这也是目前ＧＰＳ变形监测　达到理想的沉降监测精度，但当沉降监测的基准点　中常用的方法。　与沉降监测点相距较远时（如相距５０ｋｍ或６０ｋｍ或　３．２应顾及ＧＰＳ天线相位中心偏差对ＧＰＳ高程影响　９０ｋｍ），如不采取一定措施就很难达到沉降监测的精　经我们检测和研究表明，ＧＰＳ接收机天线相位中　度要求。本文结合“江汉一洞庭湖区沉降监测”的实　心在垂直方向上的偏差远大于在水平方向上的偏　践，较系统地研究了ＧＰＳ用于区域性地质构造沉降　差，最大可达ａｍ级，作者在文献［１］中给出一种　监测时（沉降监测的基准点与沉降监测点相距较远）　在野外检测两个ＧＰＳ天线相位中心在垂直方向上偏　应采用的观测方法、最佳时段长度、应顾及哪些改　差之差的方法，并获得以下结论：　正、有关参数的设置、平差计算的方法等。实践证　１、在高精度ＧＰＳ测量时，同一工程应采用相同　明，当沉降监测的基准点与沉降监测点相距较远时，　型号的ＧＰＳ接收机及天线，最好用双频ＧＰＳ接收机，　按本文的方法和措施组织实施，高程精度可达到　用双频来解算，时段长度应在６个小时以上（短边）。　￣３ｒａｍ（相对于基准点）。　２、在进行高精度变形监测时，每一监测点的各　２江汉一洞庭湖区６ＰＳ沉降监测网简况及精度要求　期监测，最好用同一个ＧＰＳ天线。　２．１测区地理位置及ＧＰＳ监测点位分布　３、当采用不同型号ＧＰＳ接收机及天线，混合进　江汉一洞庭湖区ＧＰＳ沉降监测测区共布设ＧＰＳ监　行高精度ＧＰＳ高程测量时，应检测天线相位中心在　测墩标２１个，以位于湖北石首桃花山点（ＧＢＧ０）为　垂直方向上的偏差（最大可达２Ｏｍｍ），并在高差中加　沉降监测网的基准点（根据现有资料初步，在测区范　以改正。　围内桃花山点的点位是稳定的，可作为沉降监测的　３：３是否应采用实测气象参数计算对流层延迟改正　起算基准），２０个监测点中，湖北省、湖南省境内各　经对测区４１ｋｍ、５４ｋｍ、６３ｋｍ、９０ｋｍ四条边上进　１０个点。基准点至各监测点的平均边长为６１．２ｋｍ，　试验，基准点与各监测点之间最大高差不到４８ｍ，在　最长为９７．４２７ｋｍ，最短为２８．４２９ｋｍ，基准点至监测　９月、１０月间观测，每小时气压最大相差ｌ１．４ｍｂａｒ，　点距离大于６０ｋｍ的有ｌ１个点。ＧＰＳ监测点分布情况　平均相差７．４　ｍｂａｒ，每小时相对湿度最大相差３６．８　如图１所示。　％，平均相差１６．８８％，每小时温度最大相差仅为３　２．２江汉一洞庭湖区沉降监测的精度要求　度，平均仅为１．７６度。经用实测气象参数来计算，　鉴于江汉一洞庭湖区沉降的现状，用ＧＰＳ来监测　单天解在高程方向最大的差值达到７．８ｍｍ，最小差值　该区域构造沉降，要求各监测点相对于基准点高程　约为０．３ｍｍ，但若四天平均值，其差仅为１．Ｏｍｍ左右。　方向监测精度应达到±３ｍｍ。经分析，若以平均边长　这说明在ｌＯＯｋｍ距，双差观测值可以比较好的消弱　６０ｋｍ来估算，，则要求各监测点到基准点的基线向量　对流层模型改正剩下的残差。所以，在本测区若采　在垂直方向分量相对精度必须达到５×１０～，基线解　用四天或四天以上观测值取平均，加实测气象参数　的相对精度应优于ｌ×ｌＯ～。　对点位高程方向的影响在允许范围之内。　３高精度６ＰＳ沉降监测应考虑的几个问题　３．４考虑环境负荷对ＧＰＳ高程影响应采取的措施　３．１　ＧＰＳ沉降监测应采用的高程系统　表１列出了环境负荷对地表垂直位移的影响（环　沉降监测是利用监测点相对于基准点不同期高　境负荷对水平方向的影响约为垂直方向的１／３到　程观测值比较，来分析判断监测点的沉降，是各期　１／１０）。　维普资讯 http://www.cqvip.com 测绘技术装备季刊第９卷２００７年第２期　学术研究７　图１长江中游主要水患区大地形变ＧＰＳ监测网图　表１　环境负荷对地表垂直位移的影响　对于５０ｋｍ￣ｌＯＯｋｍ边长影响的情况，作者在文　保持在０．２ｍｍ以内。天线高量取精度优于±０．３ｍｍ。　献［２］中进行实测试验，获得以下结论：　５江汉一洞庭湖区沉降监测ＧＰＳ数据处理　１、环境负荷对ＧＰＳ高程影响是存在的，５０ｋｍ边　本监测网的高程起算点（点号为ＧＢＧＯ）的位置通　长的影响约为±０．５～１．２ｍｍ，２００ｋｍ边长的影响约为　过与测区周围的ＩＧＳ　ＧＰＳ跟踪站（武汉、北京、拉　±１．Ｏｍｍ－￣２．Ｏｍｍ。　萨、昆明、上海等）进行了长达１８天的联测，选用　２、内陆水负荷对对一测站的影响是系统性的；　ＧＡＭＩＴ（Ｖｅｒ　１０．０４）软件和ＩＧＳ星历，求得起算点　大气负荷对ＧＰＳ高程的影响较大，且成正弦曲线变　ＧＢＧＯ在ＩＴＲＦ　９７坐标中的起算坐标。以后各期监测　化的规律。　时再通过与这些ＩＧＳ跟踪站点的联测，来分析起算　３、从实验数据看，５０ｋｍ边长宜连续观测４天以　点的稳定性。监测网基线解算原则如下：　上取平均，１８８ｋｍ边长宜连续观测５天以上取平均。　１、基线解算选用ＧＡＭＩＴ（Ｖｅｒ　１０．０４）软件，采　４江汉一洞庭湖区ＧＰＳ沉降监测网数据采集　用Ｌｃ无电离层延迟相位线性组合观测量。　我们分别于２００１年、２００２年和２００３年各进行　２、采用双差基线解，固定卫星轨道，卫星轨道　一期ＧＰＳ监测，为保证ＧＰＳ观测精度和可靠性，监　采用ＩＧＳ提供的精密星历ＩＧＳ＊ＳＰ３。卫星高度截止角　测时采用相同的双频ＧＰＳ接收机和Ｃｈｏｋｅ　Ｒｉｎｇ天线；　设定为２０度。　ＧＰＳ监测的每时段都保证各监测点与基准点有直接　３、对流层延迟采用线性分段函数的近似随机游　观测边。经研究与试验分析，ＧＰＳ观测遵循下列规定：　走方法，Ｎｉｅｌ１投影函数。　１）各监测点与基准点同步观测时间为４　６天，　４、为了保障估计精度和准确性，计算历元间隔　２）每个点上均采用强制对中装置，对中误差应　采用３０秒，基线解算ｒｍｓ值控制在０．３以内。　维普资讯 http://www.cqvip.com ８学术研究　测绘技术装备季刊第９卷２００７年第２期　５、采用了ＩＧＳ天线改正模型，以削弱各天线相　坐标，即得到该点的坐标；同时解算ＷＵＨＡＮ　ＧＰＳ跟　位中心的影响。　踪站点的坐标，以检查解算的正确性，并作方向约　平差采用星型独立基线构成的ＧＰＳ网，固定ＧＢＧ０束。　点的坐标：各独立基线的加权平均值加上ＧＢＧ０点的　三期监测成果及精度（见表２、３）　表２三期监测成果精度（经、纬度及大地高）统计表　点号　第一期（ｃｍ）　第二期（ｃｍ）　第三期（ｃｍ）　ｍＬ　ｍＢ　ｍＨ　ｍ１．　ｍｓ　ｍＨ　ｍＬ　ｍＢ　ｍＨ　ＧＢＧ０　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．Ｏ０　Ｏ．ＯＯ　Ｏ．ＯＯ　ＧＢＧ１　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．１３　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．１８　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．１２　ＧＢＧ１Ｏ　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ３　０．１４　Ｏ．Ｏ３　０．０４　Ｏ．２７　Ｏ．Ｏ３　０．０４　Ｏ．１７　ＷＵＨＮ　Ｏ．Ｏ１　Ｏ．Ｏ２　０．Ｏ９　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．１３　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ８　Ｊ１００　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．１３　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．Ｏ２　Ｏ．１５　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．Ｏ３　Ｏ．１３　Ｊ３ｏ３　０．０２　０．０２　Ｏ．１３　０．０２　０．０３　０．１８　０．Ｏ３　０．Ｏ３　０．１５　表３　ＧＰＳ基线相对精度统计表　南北方向　东西方向　高程方向　基线长度　ｍｍ＋１０一　ｍｍ＋１０一　ｍｍ＋１０一　ｍｍ＋１０一　第一期监测　Ｏ．９９　Ｏ．２６　Ｏ．８１　Ｏ．８３　４．２１　Ｏ．９８　Ｏ．８３　０．８Ｏ　第二期监测　１．Ｏ２　Ｏ．５１　Ｏ．６７　Ｏ．９１　４．２４　２．２７　Ｏ．９２　０．６６　第三期监测　１．Ｏ１　Ｏ．Ｏ２　１．２１　０．０７　４．４７　１．１５　Ｏ．９９　０．２Ｏ　从列表精度可看出，三期监测基线解的精度优　周边ＧＰＳ跟踪站４～７天联测的数据解算求出。　于１×１０一，高程解算的精度优于５×ｌ０一，各监测点　３、沉降监测必须选用双频ＧＰＳ接收机和Ｃｈｏｋ　相对于基准点在高程方向的监测精度优于±３ｍｍ。监　Ｒｉｎｇ天线，应选用精密基线解算软件和ＩＧＳ提供的　测表明江汉一洞庭湖平原区普遍存在沉降现象，年　精密星历。　平均沉降为５ｒａｍ＇－－＂１０ｒａｍ之间。　４、各监测点应具备良好的观测条件。当要求监　６结论和建议　测精度为±３ｍｍ（大地高，相对于基准点）时，对于　１、实线表明，ＧＰＳ技术可以用于高精度的构造　５０ｋｍ－－－，１００ｋｍ边长，观测时段长应多于４昼夜。　沉降或地面沉降监测，监测精度可达±３ｍｍ（大地高，　５、ＧＰＳ数据采集和数据处理应采用本文有关措　相对于基准点）。　施和方法，以保证监测精度。　２、沉降监测网基准点的起算坐标，必须采用与　参考文献　【１】徐绍铨等．ＧＰＳ天线相位中心垂直方局偏差的研究，铁道勘察，２００４年６月，第６－８页　【２】徐绍铨、李英冰．大气和内陆水负荷对ＧＰＳ高程影响的研究，数字测绘技术与数字交通建设论文集．西安地图出版社，　２００５年４月，第１４－１６页．　【３】李英冰．固体地球的环境变化响应．武汉大学博士论文．２００３年１　０月．　【４】徐绍铨等．江汉平原一洞庭湖平原区构造沉降ＧＰＳ监测技术总结．２００４年２月．　【５】徐绍铨等．ＧＰＳ测量原理及应用（修订版）．武汉大学出版社，２００４年１月．