熊福文

（1.自然資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海200072；2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072；3.上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海200072）

目前GPS 技術(shù)在地面沉降測量中得到廣泛應(yīng)用，尤其在地面沉降發(fā)生比較嚴重的華北平原、汾渭盆地、長三角地區(qū)，與精密水準測量、InSAR 測量組成常用的三種測量技術(shù)。

眾所周知，觀測時間長短與GPS 測量精度有直接關(guān)系。一般情況同等條件下，隨著觀測時間的延長，GPS基線精度不斷提升。因此在高精度測量如板塊監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、國家GPS控制網(wǎng)聯(lián)測中，在同一個測量點經(jīng)常采取3天、7 天連續(xù)觀測，有條件的采用GPS CORS 站（連續(xù)運營參考站）常年連續(xù)觀測，符合《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）中B級網(wǎng)最低要求：時段長≥23h、觀測時段數(shù)≥3，合計≥69h，約連續(xù)3 天的時間。而對于城市測量，《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)標準》（CJJ/T 73-2019）中GNSS測量中最高等級為二等，時段長度90 min，平均重復設(shè)站≥2.0，合計≥180 min，即觀測時間不少于3h。

將GPS 技術(shù)應(yīng)用到地面沉降測量，有兩方面的特殊性。其一，地面沉降研究區(qū)域多為局部區(qū)域性的，如華北平原、汾渭盆地、長三角地區(qū)，或者省、市一級的,極少組織全國地面沉降聯(lián)測。其二，地面沉降應(yīng)用到GPS定位結(jié)果中垂向坐標，如大地高或者U分量。GPS定位平面分量精度高，高程分量精度較低，通常情況下GPS定位平面精度是高程精度的2 倍。GPS 定位在高程方向是弱項，而地面沉降恰恰就使用這個指標，因此應(yīng)用GPS技術(shù)監(jiān)測地面沉降從一開始就注定了需要走一段不同尋常的路，尤其上海地面沉降已進入微量沉降階段。鑒于此，應(yīng)用GPS監(jiān)測地面沉降觀測時間如何選擇的問題就擺在我們面前，這也是從事地面沉降GPS測量首先解決的難題,也是編制原國土資源部《地面沉降測量規(guī)范》GPS 觀測時間指標的技術(shù)依據(jù)。

選擇最佳的觀測時間，最有效的辦法就是組織實測試驗，通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計篩選最佳的觀測時間?？紤]試驗需要組織人力、物力、車輛，也產(chǎn)生一定的計劃外開支，采用收集上海地區(qū)GPS CORS 靜態(tài)數(shù)據(jù)的方式，可按數(shù)據(jù)處理計劃切割、拼接不同時間段進行基線處理，這樣既減少了人工外業(yè)測量，又保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、數(shù)據(jù)標準的統(tǒng)一，達到了試驗?zāi)康?，為同類研究提供參考和借鑒。

1上海地面沉降及其監(jiān)測歷程

上海市地面沉降特征與趨勢是隨著地下水開采與回灌格局的調(diào)整、城市發(fā)展進程而不斷發(fā)展的。自1965年以來，通過采取壓縮地下水開采、調(diào)整地下水開采層次、開展地下水人工回灌等措施，有效控制了地面沉降速率。全市地面沉降的發(fā)展總體經(jīng)歷了快速沉降——沉降量不斷減少——沉降得到控制這一過程，特別是2009年以來，年均地面沉降量持續(xù)控制在6 mm/a 以內(nèi)（圖1）。

圖1上海地面沉降發(fā)展過程Fig.1 Shanghai land subsidence development process

長期以來，上海采用水準測量的方法監(jiān)測地面沉降。在地面沉降區(qū)建立統(tǒng)一的地面沉降一、二等高程控制網(wǎng)，通過重復精密水準測量，為控制地面沉降的科研工作提供精確的高程和沉降資料，及時掌握地面沉降的變化規(guī)律。

中心城區(qū)是上海市最早開展地面沉降監(jiān)測的區(qū)域，由于地面沉降發(fā)育最為嚴重，歷來是地面沉降重點監(jiān)測防治地區(qū)。1961 年，在當時經(jīng)濟條件許可的條件下，建立了覆蓋市區(qū)楊浦區(qū)、黃浦區(qū)、普陀區(qū)等地面沉降漏斗區(qū)的地面沉降水準測線，同時在漏斗分布地區(qū)建設(shè)適量的基巖標、分層標，構(gòu)成市區(qū)地面沉降水準監(jiān)測網(wǎng)的雛形。20世紀80 年代后，隨著近郊工業(yè)用水量的大幅增加，地面沉降范圍開始擴大，水準監(jiān)測范圍擴至近郊的工業(yè)基地等地區(qū)；2005 年以來，為滿足城市建設(shè)、規(guī)劃對地質(zhì)環(huán)境需求，水準監(jiān)測網(wǎng)已全部覆蓋了整個外環(huán)線及周邊區(qū)域，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由2006 年以前的小閘基巖標（J1-0）一個起算基準的自由網(wǎng)，過渡至2008 年以來采用小閘（J1-0）、J2（吳淞中學）、J5(北新涇)、J7（唐鎮(zhèn)）四座基巖標組成的附合網(wǎng)，監(jiān)測精度得到進一步提高。

為了減輕人工水準測量的任務(wù)壓力、減少聯(lián)測誤差積累的影響，1998年上海在楊浦區(qū)沉降漏斗區(qū)開展了應(yīng)用GPS 技術(shù)監(jiān)測地面沉降可行性研究，觀測了3 期，時段長度2h，可研項目1999 年評審通過，充分肯定了研究成果，建議盡快推廣應(yīng)用GPS 技術(shù)監(jiān)測地面沉降的成果。因此2000年4月至2000年11月間在全市布設(shè)了地面沉降GPS一級網(wǎng)，由34 點組成，采用1.2 高強制觀測墩，并開展了關(guān)于GPS觀測時段長度的試測。2003年6月至2004年6月，完成110座GPS二級網(wǎng)點和4座GPS 固定站建設(shè)，自2004年12月起觀測時段長度保持24h。2009年3月至2013年12月，完成167座GPS一、二級網(wǎng)點加密和2座GPS固定站建設(shè)。2004年至2015年地面沉降GPS測量保持1次/年的測量頻率，自2016 年起測量頻率調(diào)整為2次/5年。

上海發(fā)生地面沉降較早，在監(jiān)測、防治和研究等方面積累經(jīng)驗較多，其成功經(jīng)驗已輻射和影響長三角地區(qū)乃至全國、全球。在長三角地區(qū)，2012 年蘇滬浙建立長三角地區(qū)地面沉降監(jiān)測聯(lián)席會議制度，開創(chuàng)我國在災(zāi)害防治方面區(qū)域合作的先河。2017 年12 月22 日，“長三角地區(qū)地面沉降防治2017 年度省際聯(lián)席會議”在江蘇常熟召開，上海、江蘇、浙江、安徽四省國土資源廳在國土資源部地質(zhì)環(huán)境司見證下簽署了新一輪的《長江三角洲地面沉降防治區(qū)域合作協(xié)議》，正式將安徽納入長三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控體系。會議討論將在目前地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建設(shè)區(qū)域GNSS CORS 骨干監(jiān)測網(wǎng)（圖2），實現(xiàn)區(qū)域地面沉降聯(lián)防聯(lián)控。

圖2長江三角洲地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Yangtze River Delta Land subsidence monitoring network

2研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1研究方法

本研究中，按照數(shù)據(jù)處理、分析的順序研究方法涉及GPS 基線處理、統(tǒng)計分析兩部分，具體如下：

（1）GPS基線處理

基線處理采用GAMIT/GLOBK 10.35軟件。GAMIT/GLOBK 最初由美國麻省理工學院研制，后又與斯克利普斯海洋研究所共同開發(fā)改進的一套基于UNIX/Linux 操作系統(tǒng)下的用于高精度GPS數(shù)據(jù)處理分析軟件。

在GPS 基線處理階段，為了獲得不同時段長度的靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)，可將多天GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)采取分割或者合并的方法組成2 小時、4 小時、6 小時、8 小時、10 小時、12小時、14小時、16小時、18小時、20小時、22小時、24 小時、48 小時、72 小時靜態(tài)數(shù)據(jù)，共計14 套同步數(shù)據(jù)，對應(yīng)14套數(shù)據(jù)處理方案。

在計算24h 內(nèi)數(shù)據(jù)時，亦即將24h 數(shù)據(jù)自動切分，如按照2h 間隔計算時，將1天內(nèi)24h 數(shù)據(jù)輸出12個基線結(jié)果文件。

在處理48h、72h 處理時，分別將2 天、3 天的觀測文件、導航文件、精密星歷文件合并，并設(shè)置開始時間、時段長度，這樣2 天、3 天數(shù)據(jù)可視作一天文件，各輸出1 個基線文件。對這些數(shù)據(jù)的合并操作在使用GAMIT/GLOBK 軟件處理中自動實現(xiàn)，通過腳本輸入開始時間、時段長度生成不同的session.info 文件來控制處理的時間段。為了實現(xiàn)14 套處理方案的自動批處理，需編制csh 腳本，在腳本里設(shè)置循環(huán)模式，通過變化開始時間、時段長度讓程序處理特定時間段的GPS數(shù)據(jù)，最終輸出14套方案基線文件。

（2）統(tǒng)計分析

在GPS測量中，通常用重復性指標衡量基線內(nèi)符合精度?！度蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）中重復性定義為：

式中：n為同一基線的觀測時段總數(shù)，Ci為同一觀測時段的基線的某一坐標分量或邊，Ciσ2為Ci分量相應(yīng)的方差，Cm為各時段Ci的加權(quán)平均值。

重復性指標反映的是觀測數(shù)據(jù)的離散程度，是衡量基線精度的重要指標。為了便于對比分析，采用最小二乘法對每條基線重復性R 進行線性擬合，按式（2）計算重復性指標的常系數(shù)a、比例系數(shù)b兩個參數(shù)。

R=a+b*L（2）

式中，L為基線長度，a 為常系數(shù)，b為比例系數(shù)。完成擬合后，通常比較a 值大小衡量基線NEU 分量、基線長度精度。a 值越小表明誤差越小，精度越高；反之誤差越大，精度越低。

為了檢測和衡量GPS測量的垂向精度，可采取統(tǒng)計基線垂向（U 方向）重復性并擬合的方法。這種方法有效的避免了因控制網(wǎng)平差時控制點帶入的起算基準誤差,基線垂向重復性直接反映了基線兩個端點之間垂向的相對精度；若其中的一個點視為穩(wěn)定的不動點，其相對精度值即可以看作是另外一點的垂向精度。

以季度為統(tǒng)計間隔，統(tǒng)計每個季度內(nèi)14套數(shù)據(jù)處理方案基線垂向重復率，繪制基線垂向重復率vs 時段長度、基線垂向重復率vs季節(jié)兩類曲線，以便直觀分析。

2.2數(shù)據(jù)來源

通過國際IGS服務(wù)（The International GNSS Service）免費資源和數(shù)據(jù)共享機制，收集到IGS 站SHAO（佘山）和上海市測繪院CORS站同步觀測靜態(tài)數(shù)據(jù)，加上上海市地質(zhì)調(diào)查研究院自有的4 個CORS站，共計14座GPS CORS站（表1、圖3），時間周期為2009年3月3日（doy=062）至2010 年6 月30 日（2009 年1～2 月份數(shù)據(jù)暫缺）。

3最佳觀測時段長和季節(jié)選取研究

3.1最佳觀測時段長度研究

2009年3月3日（doy=062）至2010年6月30日 共計481天，每套方案計算機耗時約2天，14套方案連續(xù)耗時28 天。若將觀測數(shù)據(jù)遠程ftp 上傳、程序調(diào)試的時間統(tǒng)計在內(nèi)，合計50天，整個計算在IBM 工作站上完成。

14座GPS CORS站組成91條基線（表2），最短基線3.8km（SHCH-SHDD，測繪院—地質(zhì)大廈），最長基線110.9km（CGJS-CMMZ，金山—崇明廟鎮(zhèn)），平均基線長度47.0km。在后期重復性統(tǒng)計分析階段，為了減少和克服測站長期項的影響，對481 天的輸出結(jié)果按照6 個季度分別統(tǒng)計出14套方案基線垂向重復性（表3）及6個季度平均值，并繪制基線垂向重復性vs 時段長度變化直方圖（圖4）。

表1試驗中采用的上海地區(qū)GPS CORS站Table 1 The GPS CORS stations in Shanghai used in the test

圖3試驗中采用的上海地區(qū)GPS CORS站分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of GPS CORS stations in Shanghai used in the test

表2基線長度統(tǒng)計Table 2 Statistics of baseline length

表3基線垂向重復性統(tǒng)計表（常系數(shù)a,下同。單位:mm）Table 3 Baseline vertical repeatability statistics(constant coeffcient a,the same below.Unit:mm)

圖4 2009年四個季度（a-d）2010年兩個季度（e-f）基線垂向重復性變化圖與6個季度平均值變化圖（g）Fig.4 Baseline vertical repetitive change in four quarters of 2009(a-d), two quarters of 2010 (e-f)and average of 6 quarters (g)

圖4 反映了如下規(guī)律：

（1）隨著觀測時間2h、4h...72h 依次延長，基線垂向重復性越來越好，精度越來越高；

（2）縱觀垂向重復性擬合曲線，垂向精度提高大致可分三個階段：快速提升期（2h～12h）、緩慢提升期（12h～24h）、趨緩期（24h～72h）；

在快速提升期，隨著觀測時間的延長，垂向精度快速提高，圖4（a-f）季度曲線上2h 觀測垂向精度在13.28～17.99mm，12h 觀測垂向精度達3.75～7.11mm，圖4（g）平均值曲線上從15.63mm 提高至5.26mm，精度提高了10.37mm，效果十分明顯；

在緩慢提升期，隨著觀測時間的延長，垂向精度趨于平緩。在趨緩提升期，隨著觀測時間的延長，垂向精度緩慢提高，圖4（a-f）24h 觀測垂向精度在2.13～5.03mm，圖4（g）平均值曲線上24h精度為3.79mm，精度提高了1.47mm，效果緩慢；

在趨緩期，圖4（a-f）72h觀測垂向精度在1.87～3.76mm，平均值曲線72h 精度為2.93mm，精度提高了0.86mm，24h以后擬合曲線趨平緩。

如以12h 為一個提升單位，快速提升期12h 精度提高了10.37mm，緩慢提升期12h 精度提高了1.47mm，趨緩期12h 精度提高了0.18mm。

（3）圖4 中2009年、2010年第一季度14 套方案垂向精度明顯高于其它季度的值，第一季度垂向精度最高，初步為GPS 外業(yè)觀測安排提供有益指引。

綜上，在精度提高曲線上，觀測時間24小時是關(guān)鍵拐點。2h～24h為快速提升、緩慢提升階段，垂向精度提高顯著，24h 之后曲線趨緩，精度提高效果不明顯，48h 與72h 垂向精度相差不大，24 小時基本能夠達到同等精度，因此可以初步判斷在基線平均邊長47.0km 地面沉降區(qū)域最佳觀測時段長度初步選定為24 小時，同時初步發(fā)現(xiàn)第一季度地面沉降GPS測量垂向精度最高的規(guī)律。

3.2 最佳觀測季節(jié)研究

為了進一步摸清GPS 測量垂向精度與季節(jié)的關(guān)系，將表3數(shù)據(jù)按照14套方案繪制基線垂向重復性vs季節(jié)變化曲線（圖5）。

圖5反映出三個規(guī)律：

（1）14 條曲線層次十分明顯，隨著觀測時間延長，基線垂向精度整體提高，自上而下依次為2h、4h…48h、72h 精度曲線，規(guī)律明顯；

（2）圖5 中自上而下曲線間距呈現(xiàn)由疏至密的變化規(guī)律，反映出在提高垂向精度方面延長觀測時間在初期效果十分明顯，到后期效果不明顯；

（3）一年中第一季度基線垂向精度最高，第三季度基線垂向精度最低，二、四季度精度居中。

以上規(guī)律（1）、（2）與3.1 節(jié)最佳觀測時段長一致；規(guī)律（3）在圖5 中十分明顯，初步判斷這個規(guī)律與第一季度大汽含水量低有密切關(guān)系，有待后期進一步研究二者相關(guān)性。

一年中第一季度垂向精度最高的規(guī)律對于提高地面沉降GPS 測量有重要指導意義，尤其是目前上海地面沉降進入微量沉降階段。下一步可對第一季度數(shù)據(jù)進行專項研究，包括垂向重復性、大汽含水量，掌握規(guī)律選擇最有利的時間段，這個規(guī)律對于編制GPS 外業(yè)測量計劃有重要指導意義,同時也值得相關(guān)研究參考和借鑒。

圖5垂向重復性隨季節(jié)變化關(guān)系Fig.5 Vertical repeatability with seasonal changes

3.3 外符合精度驗證

前文最佳觀測時段長度研究、最佳觀測季節(jié)研究從垂向重復性指標入手進行測試、分析，得出有益結(jié)論。但重復性指標屬于內(nèi)符合精度，一般內(nèi)符合精度偏高。如考察一項技術(shù)真實精度，還需考察其外符合精度，即用最傳統(tǒng)、最可靠、公認的方法或技術(shù)對新技術(shù)進行對比驗證。因此，如衡量地面沉降GPS測量能夠達到的精度，需要與精密水準進行對比分析。本文在GPS 測量點就近選取分層標1 米標水準測量相應(yīng)沉降量對比，統(tǒng)計二者差值的標準偏差。

在適宜觀測時段選取上，我院經(jīng)歷了一段艱難、摸索的過程（圖6）。2001年1月，第一至二期GPS觀測時段長度長設(shè)置3h，外符合精度±40mm。因效果不理想，第三至六期依次觀測時段長度延長至6h、12h，外符合精度±10mm～±25mm，精度有所提高。第七期開始連續(xù)觀測24h，外符合精度±8mm；通過網(wǎng)形優(yōu)化、收集CORS站等方式，GPS監(jiān)測網(wǎng)垂向精度進一步提高，從第十三期（2010年12月）期，地面沉降GPS測量外符合精度達±5mm左右，與表3 和圖4（g）中24h 內(nèi)符合精度±3.79mm 有1.21mm差距。

圖6時段長度與本次標準偏差之間關(guān)系對照圖Fig.6 Comparison chart between the length of the periodand the standard deviation

目前上?？催^嚴防地下水超采、實現(xiàn)地下水抽取與回灌平衡、控制工程建設(shè)項目數(shù)量等措施控制地面沉降，年均地面沉降量持續(xù)控制在6mm/a 以內(nèi)，地面沉降進入微量沉降階段。從變形量與測量精度相互關(guān)系角度分析，GPS測量±5mm 左右的精度明顯不足，不適合微量沉降監(jiān)測。目前采取調(diào)低觀測頻率的方法，適當拉開觀測時間間隔，頻率調(diào)整為2 次/5年。為了將GPS技術(shù)更好的應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測，還應(yīng)進一步尋求提高測量精度的方法。如：優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)，增設(shè)CORS 站，選擇更加精準的觀測時間窗口，進一步消除大汽對垂向精度的影響，收集上海及周邊省市同步觀測CORS 數(shù)據(jù)，增加北斗、GLONASS、Galileo 衛(wèi)星數(shù)據(jù)參與計算，選擇更加適合的軟件和數(shù)據(jù)處理方法等。

4結(jié)論與展望

通過對上海14 座CORS 站2009 年3 月3 日至2010 年6月30日間靜態(tài)數(shù)據(jù)的處理，從內(nèi)符合精度指標角度研究了最佳觀測時段長度、最佳觀測季節(jié)選取，同時從外符合精度角度進行了驗證，取得結(jié)論如下：

（1）上海地區(qū)地面沉降GPS 測量最佳觀測時段長度初步選定24h；

（2）一年中第一季度GPS 測量垂向精度最高，在編制觀測計劃時應(yīng)充分考慮這一有利因素；

本文限于當時GPS接收機只有GPS觀測數(shù)據(jù)，因此僅對GPS測量進行了一些研究分析。近年來隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)逐步完善、定位精度提高和上海地區(qū)CORS 站接收機逐步升級換代，加之長三角一體化戰(zhàn)略和長三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控的推進，還有很多值得研究的課題：

（1）對GNSS多星座采取分離、組合、優(yōu)化，剔除影響垂向精度的星座系統(tǒng)，并進一步尋找最佳觀測時間和季節(jié)；

（2）對第一季度GNSS 數(shù)據(jù)和大汽含水量進行相關(guān)分析，精確選取最佳觀測時間窗口，同時研究剔除大汽影響的策略，進一步提高垂向測量精度；

（3）隨著長三角一體化戰(zhàn)略和長三角地面沉降聯(lián)防聯(lián)控進一步推進，可將長三角地區(qū)GNSS CORS站組成骨干監(jiān)測網(wǎng)，以期取得更加有益的成果。

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