劉平利+喬天榮+趙珂+王傳先

摘 要：基于《河南省鄭汴新區(qū)城市地質(zhì)災害與地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查評價》項目中地面沉降部分，對GPS技術(shù)在鄭汴新區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應用，總結(jié)出了一些行之有效的高精度監(jiān)測方法。該文介紹了地面沉降監(jiān)測點制作規(guī)格和監(jiān)測網(wǎng)的建立情況，詳細說明了GPS技術(shù)在鄭汴地面沉降精密監(jiān)測野外實施方法和得出監(jiān)測數(shù)據(jù)的整個流程。

關(guān)鍵詞：GPS 鄭汴新區(qū) 地面沉降觀測

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0081-02

目前隨著GPS定位精度的不斷提高，尤其是高程分量精度的不斷提高， 以觀測時間周期短、布網(wǎng)靈活、自動化程度高、觀測點間無需保持通視、全天候作業(yè)，并能同時觀測點的三維坐標等優(yōu)點，使采用GPS建立地面形變?nèi)S監(jiān)測網(wǎng)，直接測定測區(qū)的三維空間變形得到了認可。因此，可以在測區(qū)建立GPS三維地面變形監(jiān)測網(wǎng)，從中獲得變形監(jiān)測點在WGS-84系里的大地坐標，進而通過周期觀測，獲得地表的三維變形信息，從而得出地面沉降在大地坐標下的沉降量。

1 起算點的解算與精度分析

鄭汴新區(qū)地面沉降GPS監(jiān)測z網(wǎng)的起算點 （已知點） 為中牟、鄭州和開封三點為河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)連續(xù)跟蹤站點。為了獲得其高精度的起算點基準，我們在鄭州航空港區(qū)打了800 m深的一個基巖標（JYJC），和聯(lián)測了鄭州梅山基巖標，采用GAMIT軟件和IGS精密星歷一起進行解算，通過固定中牟、鄭州和開封CORS三個跟蹤站的坐標平差后獲得JYJC和梅山在ITRF00坐標框架下的準確坐標，兩個點的坐標精度優(yōu)于5 mm，可作為基準點的起算坐標。

2 強制觀測墩的規(guī)格

監(jiān)測地面沉降測量標石至關(guān)重要，它反映地面沉降的一個重要指標，利用強制觀測可以消除因為儀器對中和儀器高而產(chǎn)生的誤差。圖1是我們這次強制觀測墩的設計和實物。

3 監(jiān)測網(wǎng)的建立及數(shù)據(jù)采集

針對鄭汴新區(qū)地理位置和地質(zhì)地貌的特殊性，采用整體布網(wǎng)和局部加密的方法布施監(jiān)測網(wǎng)，以高精度、高效率地監(jiān)測鄭汴新區(qū)地面沉降，鄭汴新區(qū)沉降觀測項目觀測范圍的總面積2 127 km2，在鄭汴新區(qū)布設統(tǒng)一的區(qū)域性的地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)，通過定期的重復觀測，該次依據(jù)地質(zhì)地貌的特征和重要的地面人為工程，我們在2009年底建立地面沉降和建筑物變形監(jiān)測45點，共埋設了40個沉降強制觀測墩，制作5個高層建筑物的強制觀測標，其中基巖標帶有GPS接收天線強制歸心平臺和球型高程標志，地面沉降觀測標志和高層建筑物頂部的測量觀測標志也均帶有GPS接收天線強制歸心平臺和球型高程標志，以便于GPS觀測和水準聯(lián)測，地面沉降觀測墩標石埋設后，經(jīng)過一個雨季等標石穩(wěn)定后方可用于觀測。

對于已建成的鄭汴新區(qū)地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)分別于2012年12月、2013年3月、2013年6月、2013年9月、2013年12月進行了5期監(jiān)測，GPS監(jiān)測方法采用測量級別選擇以B級網(wǎng)觀測方法觀測，每次觀測時都用專用的連接桿和儀器相連，以至于減少連接誤差，GPS接收機在開始觀測前，都進行預熱和靜置，為了便于使用，GPS數(shù)據(jù)文件名中都包含測站名和測站號，觀測單元、測站類型、日期、時段號等信息。施測時采用6臺雙頻GPS接收機以靜態(tài)相對定位模式，同步觀測，并以網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方式進行觀測。GPS外業(yè)觀測時間為每天早8點到晚8點左右，保證每一時段 （每天）的觀測時間不少于12 h，并以6個點構(gòu)成同步觀測圖形，圖2（監(jiān)測點分布圖）是我們觀測組網(wǎng)的情況。

4 數(shù)據(jù)解算與數(shù)據(jù)分析

由于觀測數(shù)據(jù)量大、要求精度高，聯(lián)測國家基準參考站數(shù)據(jù)和省內(nèi)中牟、開封、鄭州三個河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)的cors站數(shù)據(jù)，所以每次野外觀測完數(shù)據(jù)委托于國家大地解算中心進行數(shù)據(jù)解算，獲得基準點和監(jiān)測點在WGS-84坐標系里的空間直角坐標、大地坐標，在就基準網(wǎng)以及相關(guān)監(jiān)測網(wǎng)實施多期觀測之后發(fā)現(xiàn)，借助大地高變化，可以獲得鄭汴新區(qū)的實際地面垂直沉降數(shù)據(jù)信息。為了在一定程度上防止出現(xiàn)精度損失，一般情況下基準點以及監(jiān)測點的大地高其實并不需要轉(zhuǎn)換為政策高形式，可以直接在大地高差值基礎(chǔ)上實施，垂直沉降分析。此外，在多期GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理前提下，為了進一步消除不同時期地面沉降數(shù)值的尺度偏差以及方位偏差，做到方位基準、位置基準以及尺度基準三者的統(tǒng)一，從而獲得更為精確的監(jiān)測結(jié)果，可以在統(tǒng)一坐標下，實現(xiàn)5次GPS數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸算，最終歸算到統(tǒng)一歷元里。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測結(jié)果顯示，鄭汴新區(qū)自身的地面沉降變形情況并不是十分嚴重?？傊?，借助GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，可以就城市地面沉降情況進行全方位監(jiān)測，其具體監(jiān)測精度可以充分滿足城市沉降監(jiān)測要求，可以進一步增強鄭汴新區(qū)在數(shù)據(jù)監(jiān)測管理方面的現(xiàn)代化程度，獲得本區(qū)域的實際地面沉降量，更好地開展地質(zhì)預測評價，從而為制定科學合理的防御措施提供相應的設計參考。結(jié)合正確化、合理化的沉降趨勢預測，最終獲得地面沉降可能會帶來的危害，從而為相關(guān)部門提供有效參考。

5 結(jié)語

（1）GPS測量有一定局限性，監(jiān)測點附近必須地勢開闊，無大障礙物，GPS接收機必須容易接收到衛(wèi)星信號，因此，需要埋設的強制觀測墩必須在空曠的區(qū)域，但由于地區(qū)城市化發(fā)展比較快，不利于保存這些測量標志，對常年觀測這些點造成了嚴重的影響，這也是鄭汴新區(qū)地面沉降采用GPS測量方法全面取代水準測量方法所需解決的一個問題。

（2）由GPS定位技術(shù)監(jiān)測地面沉降受粗差干擾嚴重，粗差來源有很多因素，因此，觀測時要詳細記錄周圍是否有大面積噪聲、氣候等因素。在數(shù)據(jù)處理方法中，需借助國外先進軟件提高基線向量的解算精度，并研究在平差方法中使用抗差估計以降低粗差干擾的影響。

（3）將GPS技術(shù)用于地面沉降監(jiān)測需進行精心的監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)設計、建造強制觀測墩、制定嚴格的觀測周期，特別是在處理觀測數(shù)據(jù)時要進行對數(shù)據(jù)的分析和剔除，加之對網(wǎng)中的觀測點進行二等水準聯(lián)測，這樣方能實現(xiàn)以足夠的高程精度進行地面沉降監(jiān)測，并對與經(jīng)濟活動有關(guān)的地面沉降的發(fā)展趨勢進行工程地質(zhì)預測評價，為經(jīng)濟、合理的防御和避讓措施提供設計依據(jù)。

參考文獻

[1] 張勤，李家權(quán).GPS測量原理及應用[M].北京：科學出版社，2005.

[2] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1998.

[3] 胡建國，成英杰，丁繼新，等.我國高精度GPS陸海垂直運動監(jiān)測網(wǎng)的建立與精度分析[J].測繪學報，2000，29（4）：289-292.

[4] 孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

[5] 張勤，丁曉光，黃觀文，等.GPS技術(shù)在西安市地面沉降與地裂縫監(jiān)測中的應用[J].全球定位系統(tǒng)，2008，33（6）：41-46.

[6] 黃立人，匡紹君，楊貴業(yè).GPS觀測得到的天津地區(qū)的現(xiàn)今變形[J].大地測量與地球動力學，2000，22（4）：17-20.

[7] 張峰楠，李建新，劉健.技術(shù)在地面沉降監(jiān)測中的應用與分析[J].科技致富向?qū)В?011（20）：130-131.

[8] 施闖.大規(guī)模高精度GPS網(wǎng)平差與分析理論及其應用[M].北京：測繪出版社，2002.