GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析

1、第26卷第1期2006年2月大地測量與地球動(dòng)力學(xué)JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICSVol.26,No.1Feb.,2006文章編號:1671 5942(2006)01 0070 06GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析楊建圖 姜衍祥 周 俊 黃立人路 旭1)1)1)2)1)*1)天津市控制地面沉降工作辦公室,天津 3000612)中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180摘 要 根據(jù)對19952004連續(xù)10年的GPS大地高與精密水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的對比研究,驗(yàn)證了兩種方法的實(shí)際精度,結(jié)果表明:GPS大地高變化完全可以像精密水準(zhǔn)測量一樣高精度地獲取水準(zhǔn)測量點(diǎn)的沉降值,可用于

2、地面沉降監(jiān)測。關(guān)鍵詞 天津市 地面沉降 GPS 精密水準(zhǔn)測量 精度中圖分類號:P227;P224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AANALYSISONRELIABILITYANDACCURACYOFSUBSIDENCEMEASUREMENTWITHGPSTECHNIQUEYangJiantu1),JiangYanxiang1),ZhouJun1),HuangLiren2)andLuXu2)1)ControllingLandSubsidenceOfficeofTianjinMunicipality,Tianjin 3000612)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter

3、,CEA,Tianjin 300180AbstractOnthebasisoftheresearchonthecontrastbetweenGPSandpreciselevelingfrom1995to2004,theactualaccuracyofthetwomethodsistested.Itisprovedthatlandsubsidenceisalsoreflectedbythevalueofthegeodeticheight sdifferencesobtainedfromGPS.ThereforetheGPStechnologycanbeusedinmonitoringlandsu

4、bsidence.Keywords:Tianjinmunicipality,landsubsidence,GPS,preciseleveling,accuracy的精確轉(zhuǎn)換比較困難,因此限制了GPS高程(GPS大地高)在高程測量中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測量周期長,經(jīng)費(fèi)高,以天津?yàn)槔?從天津市的高程基準(zhǔn)點(diǎn)(寶坻原點(diǎn))到監(jiān)測的市區(qū)和濱海新區(qū),每年為了以67mm的精度將高程基準(zhǔn)傳遞到監(jiān)測區(qū)要進(jìn)行超過1500km的一等水準(zhǔn)測量,而在監(jiān)測區(qū)還要用3000km的二等水準(zhǔn)測量測定1700多個(gè)水準(zhǔn)測量點(diǎn)的沉降量,其中用于高程基準(zhǔn)傳遞的直接費(fèi)用約占測量總經(jīng)費(fèi)的三分之一以上。能不能根據(jù)GPS測量測得的大地高變化

5、代替水準(zhǔn)測量點(diǎn)81 引言GPS作為現(xiàn)代大地測量的一種技術(shù)手段,已在滑坡、地震、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用15-6。它的平面相對定位精度已達(dá)到了0.116,710甚至更高,但GPS測得的高程分量的精度要比水平分量的精度低得多,因此對于地殼的垂直運(yùn)動(dòng),一般仍采用傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行。而且應(yīng)用GPS測量獲取的點(diǎn)位高程是大地高,而精密水準(zhǔn)測量測定的是正常高,由于正常高與大地高*收稿日期:2005-10-10:,男,第1期楊建圖等:GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析P71的沉降值?其可靠性及精度如何?本文對用GPS代替水準(zhǔn)測量的有關(guān)問題作了理論上的分析,并對比分析了連續(xù)10年(1995

6、2004年)的GPS和精密水準(zhǔn)觀測資料,以研究其可行性及精度。H =g(h)dh或H =mmGeoid(2)由于 m是可以精確計(jì)算的,所以正常高可以精確確定。正常高是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),由似大地水準(zhǔn)面上的點(diǎn)量測到參考橢球面的距離被稱為高程異常 。大地高與正常高之間的關(guān)系為H=Hr+大地高與正高的關(guān)系為H=Hg+N式中N為大地水準(zhǔn)面差距。(3)(4)2 用GPS監(jiān)測地面沉降的可行性分析2.1 幾種常用的高程系統(tǒng)以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。地面某點(diǎn)的大地高H定義為由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球法線到橢球面的距離,稱為以該橢球面為基準(zhǔn)面的大地高H(圖1)。GPS定位技術(shù)獲得的是WGS84

7、橢球大地坐標(biāo)系上的結(jié)果,也就是說GPS測量求得的是點(diǎn)相對于WGS84橢球的大地高H。2.2 地殼的垂直形變由以上幾種常用的高程系統(tǒng)及其關(guān)系的分析可知,GPS可測定地面點(diǎn)的大地高,如能求出地面點(diǎn)的高程異常 或大地水準(zhǔn)面差距N,即可求出此地面點(diǎn)的正高或正常高,但目前尚無法以毫米級的精度得到本試驗(yàn)區(qū)的h分布,因而無法用GPS測得的大地高與水準(zhǔn)測得的正常高直接進(jìn)行比較來驗(yàn)證GPS高程分量的精度。由于地殼的形變觀測要求的只是其相對變化量,尤其地面沉降監(jiān)測主要是為了求得各水準(zhǔn)測量點(diǎn)的沉降量( h),而對GPS基線向量中高程分量的精度要求較高10。因此,某一監(jiān)測點(diǎn)相對于某個(gè)監(jiān)測周期的地面垂直運(yùn)動(dòng)量,同樣可表

8、示為兩期監(jiān)測結(jié)果所獲得的大地高之差( U), U與 h的關(guān)系為:U/ h=cosa(5)式中cosa是監(jiān)測點(diǎn)上垂線偏差的余弦,由于天津地區(qū)a很小(一般在幾十秒的量級),因此 U h。這說明GPS在一定范圍內(nèi)用于監(jiān)測地面沉降在理論上是可行的3,4,11,12圖1 高程關(guān)系圖Fig.1 Relationsamongheights以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。地面某點(diǎn)的正高Hg定義為由地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離。大地水準(zhǔn)面是一族重力等位面中的一個(gè),由于水準(zhǔn)面之間的不平行,所以過一點(diǎn)并與水準(zhǔn)面相垂直的鉛垂線,實(shí)際上是一條曲線,正高的計(jì)算式為Hg=g(h)dh或Hg=gmGeoidgmP。(1)

9、3 應(yīng)用GPS監(jiān)測地面沉降的數(shù)據(jù)處理3.1 試驗(yàn)區(qū)GPS測量介紹天津市控制地面沉降工作辦公室為了研究GPS在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用,從1995年開始陸續(xù)埋設(shè)了42個(gè)GPS觀測點(diǎn),10年期間雖然部分GPS觀測點(diǎn)遭到破壞,無法繼續(xù)進(jìn)行觀測,但是GPS觀測點(diǎn)也在不斷增補(bǔ)。網(wǎng)中新埋設(shè)的GPS觀測點(diǎn)均采用了永久性的帶有強(qiáng)制歸心裝置的儀器墩,墩上并設(shè)有水準(zhǔn)點(diǎn)。1995年1011月進(jìn)行了首次GPS和精密水準(zhǔn)同步觀測,以后每年大致在相同時(shí)間(1011月)進(jìn)行同步復(fù)測。GPS觀測采用的是ASHTECH Z12雙頻接收機(jī)配以扼徑圈天線48式中g(shù)m為由地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的平均重力加速度,g(h)為一點(diǎn)上沿該點(diǎn)

10、到大地水準(zhǔn)面垂線距大地水準(zhǔn)面h處的重力值,dh為h的微分改變量。由于gm無法直接測定,所以嚴(yán)格來說,正高是不能精確確定的。為了解決實(shí)際上很難通過式(1)來確定地面點(diǎn)的正高這一問題,莫洛金斯基提出了正常高概念9,即用平均正常重力值 m來替代式(1)中的gm,從而得到正常高的定義:72大地測量與地球動(dòng)力學(xué)26卷度角為15 。觀測資料統(tǒng)一由中國地震局GPS數(shù)據(jù)處理中心采用GAMIT后處理軟件和IGS發(fā)布的事后精密星歷處理,并作自由網(wǎng)平差。為了盡可能維持參考框架的一致性,每期監(jiān)測資料處理時(shí)都采用了中國大陸及周邊地區(qū)相同的一些全球站(IGS站)的同步觀測資料進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算,最終得到各觀測點(diǎn)在ITRF框架下

11、的大地高。計(jì)算結(jié)果表明,無論是用基線向量重復(fù)率和平差后基線邊長相對精度等指標(biāo)來衡量,這些GPS測量結(jié)果精度都較高。為了研究地面沉降監(jiān)測中GPS高程分量變化的精度,可將直接進(jìn)行了水準(zhǔn)聯(lián)測的GPS觀測點(diǎn)通過GPS觀測得到的大地高變化與精密水準(zhǔn)測量測得的大沽高程(天津地區(qū)地面沉降水準(zhǔn)測量以1972年天津市大沽高程系為高程基準(zhǔn))變化進(jìn)行比較,以分析GPS高程分量變化的精度及GPS和精密水準(zhǔn)測量結(jié)果的一致性,我們從全部觀測資料中最終得到80個(gè)可比較的結(jié)果(表1)。3.2 GPS與水準(zhǔn)測量的對比結(jié)果表1 GPS和精密水準(zhǔn)測量所得各觀測點(diǎn)的沉降量比較Tab.1 Conparisonofsubsidenceb

12、etweenwithGPSandpreciseleveling點(diǎn)名GPS2GPS2GPS2GPS3GPS3GPS1GPS1GPS1KGS4KGS4KGS4KGS4KGS4KGS4GPS5GPS5GPS5GPS5GPS5GPS6GPS6GP10GP10GP10GP10GP10GP12GP12GP12GP12GP12KGS4KGS4KGS4KGS4KGS4GPS5GPS5GPS5GPS5大地高變化H(m)-0.0188-0.0264-0.0573-0.0627-0.1046-0.2570-0.2836-0.2931-0.0443-0.0589-0.0484-0.1098-0.3677-0.4073

13、-0.4482-0.0173-0.0244-0.1544-0.1849-0.1955-0.0076-0.0385-0.0419-0.1943-0.2209-0.2304-0.0146-0.0614-0.3193-0.3589-0.3998-0.0071-0.1371-0.1676-0.1782-0.0309-0.1524-0.1790-0.1885-0.2579水準(zhǔn)高變化h(m)-0.0210-0.0281-0.0555-0.0431-0.1032-0.2540-0.2808-0.3034-0.0449-0.0983-0.0656-0.1192-0.3931-0.4288-0.4800-0.0

14、327-0.0472-0.1922-0.2187-0.2445-0.0071-0.0345-0.0601-0.2109-0.2377-0.2603-0.0534-0.0536-0.3275-0.3632-0.4144-0.0145-0.1595-0.1860-0.2118-0.0274-0.1508-0.1776-0.2002-0.2739年19961997199819961997200220032004199619971996199720022003200419961997200220032004199719981997200220032004199719972002200320041997

15、20022003200419982002200320042002第1期 (續(xù)表1)點(diǎn)名GPS6GP10GP10GP10GP10GP12GP12GP12GP12KGS4KGS4KGS4KGS4GPS8GPS8GPS8GPS5GPS5GPS5GP10GP10GP10GP12GP12GP12KGS4KGS4KGS4GPS2GPS2GPS1GPS1KGS4KGS4GP22GP22GP21GP21GPS8GPS8說明:楊建圖等:GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析73大地高變化H年20032004200220032004200320042003200420032004200320042003200420

16、032004200320042003200420032004200320042003200420042004200420042004200420042004200420042004200420041) 大地高變化H 是由GAMIT軟件解算得到的相應(yīng)年份GPS觀測點(diǎn)的大地高變化(后一年減前一年,負(fù)號表示觀測點(diǎn)下沉)。2) 誤差mH 是由GAMIT軟件解算得到相應(yīng)年份GPS觀測點(diǎn)的大地高變化的誤差的均方根值。3) 水準(zhǔn)高變化h 是精密水準(zhǔn)測量得到的相應(yīng)年份GPS觀測點(diǎn)的大沽高程變化(后一年減前一年,負(fù)號表示觀測點(diǎn)下沉)。4) 誤差mh 是水準(zhǔn)測量得到的高程變化的誤差的均方根值。在這里它并不是嚴(yán)格的

17、計(jì)算值,而是一個(gè)粗略的估計(jì),天津市地面沉降水準(zhǔn)測量(始于1995年至今,每年1011月進(jìn)行一次)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,高程傳遞誤差在天津東部地區(qū)大致為58mm,因此兩年度水準(zhǔn)點(diǎn)高程之差的誤差大約為711mm,這里取10mm作為一個(gè)粗略的估計(jì)。5) H-h 是指同一個(gè)GPS觀測點(diǎn)測得的大地高變化H與精密水準(zhǔn)測量得到的大沽高程變化h之差。6) m(H-h) 是同一個(gè)GPS觀測點(diǎn)通過GPS觀測得到的大地高變化與水準(zhǔn)測量得到的大沽高程變化h之差的誤差估計(jì),它是相應(yīng)的mH和mh的平方和再開方。7) 年 是觀測成果對應(yīng)的施測年份。74大地測量與地球動(dòng)力學(xué)26卷4 GPS監(jiān)測地面沉降成果分析4.1 大地高變化與大沽

18、高變化的對比分析從前面的分析和表1中的對比結(jié)果可以看出,去掉具有粗差的觀測結(jié)果外,GPS測量與精密水準(zhǔn)測量結(jié)果之間的沉降量之差大都在0到20mm之間,大部分結(jié)果中GPS測得的沉降量要小些(80個(gè)對比結(jié)果中,有63個(gè)點(diǎn)GPS測得的沉降量小于精密水準(zhǔn)測得的沉降量,正差值952.8mm;有17個(gè)點(diǎn)GPS測得的沉降量大于精密水準(zhǔn)測得的沉降量,負(fù)差值-81.9mm),平均相差10.9mm,表現(xiàn)出一定的系統(tǒng)性,經(jīng)分析認(rèn)為有以下兩個(gè)原因:一是水準(zhǔn)測量的結(jié)果都是以天津市寶坻基巖標(biāo)為假定的不動(dòng)起算點(diǎn),如果此點(diǎn)實(shí)際上抬升(通過寶坻基巖點(diǎn)推算天津市區(qū)的李七莊基巖標(biāo)高程,近幾年來李七莊基巖標(biāo)以年均5mm的速度 下沉

19、,究竟是李七莊基巖標(biāo) 下沉 還是寶坻基巖點(diǎn)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而 上升 ,本文暫不作此研究),則可能使水準(zhǔn)測得的沉降量偏大,文獻(xiàn)13,14中曾提到,這種可能性是存在的;二是測量的誤差。通過表1,我們列舉出GPS測量與水準(zhǔn)測量結(jié)果相差最大的3個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。1)監(jiān)測時(shí)期為19971995年的KGS4點(diǎn)(表1中標(biāo)有 * 號),該點(diǎn)的大地高變化的誤差特別大(29.5mm),大地高變化量與大沽高變化量相差達(dá)39.4mm,根據(jù)表1中該GPS觀測點(diǎn)在其他觀測時(shí)期的結(jié)果可以判定是1997年的GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不好;2)監(jiān)測時(shí)期為20041995年的GPS6點(diǎn)(表1中標(biāo)有 * 號),該點(diǎn)在1997年觀測前在距

20、觀測點(diǎn)不到0.5m的一側(cè)修建了一條高3m、長數(shù)百米的圍墻,使得1997年及以后的觀測環(huán)境與之前有了很大的不同,大地高變化與大沽高變化(相差49.0mm)可能與此相關(guān);3)19971996年的GP12點(diǎn)(表1中標(biāo)有 * 號),該點(diǎn)大地高變化的誤差高達(dá)29.8mm,大地高變化與大沽高變化相差38.8mm,根據(jù)表1中該點(diǎn)其他時(shí)間的觀測結(jié)果可以判定認(rèn)為是1997年的GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不好。若去除上述3個(gè)GPS觀測點(diǎn)觀測結(jié)果,則GPS測得的沉降量與精密水準(zhǔn)測得的沉降量平均相差為9.7mm。問題點(diǎn)外,均方根值則為10.3mm。為了研究從19952004年測得的大地高變化與大沽高變化之差的精度有無明顯變化,

21、我們按不同參照起始年份對上述80個(gè)結(jié)果分別統(tǒng)計(jì),計(jì)算它們的差值的均方根值,結(jié)果見表2。表2 大地高變化與大沽高變化之差的均方根值Tab.2 RMSofdifferencebetweenthechangeofthegeodetic均方根值(mm)樣本數(shù)2015102213通過表2可以看出,1997年后差值的均方根值有所減小,這可能得益于GPS測量精度的改進(jìn),這也為今后GPS在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用提供了精度保障。因此,通過對GPS水準(zhǔn)測量的數(shù)據(jù)處理及GPS和一、二等精密水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果的對比分析,可以認(rèn)為GPS和精密水準(zhǔn)所得的沉降量的平均值相差在10mm左右,兩者反映的垂直形變量基本是一致的。如能在沉

22、降區(qū)內(nèi)建立一些永久性的GPS連續(xù)觀測點(diǎn),則可以構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的高程參考框架,而不要求連續(xù)觀測點(diǎn)本身 絕對 穩(wěn)定。因?yàn)樗鼈兿鄬τ谌騾⒖伎蚣艿淖兓梢钥煽康販y定出來。如果用這些連續(xù)觀測點(diǎn)作為參考,測定周圍地面相對于它的變化,那么由于測量路線大為縮短,監(jiān)測地區(qū)沉降量的精度會(huì)有更大提高。5 結(jié)語在研究了幾種常用的高程系統(tǒng)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,將GPS測量技術(shù)應(yīng)用于地殼的垂直形變監(jiān)測,通過對GPS大地高變化與精密水準(zhǔn)測量大沽高變化的對比分析,GPS和精密水準(zhǔn)測量所得的地殼垂直形變的平均值相差在10mm左右,兩者反映的垂直形變量基本一致,這種量級的差異不會(huì)影響對垂直形變量在幾十毫米以上的天津地區(qū)地面沉降監(jiān)

23、測結(jié)果的解釋。對于沉降量較小的山區(qū)及部分地區(qū),由于監(jiān)測數(shù)據(jù)、資料有限,其精度情況還有待于進(jìn)一步的研究。通過上文的分析,我們可以認(rèn)為,在天津地區(qū)采用目前的GPS觀測網(wǎng)絡(luò),用它所測定的大地高變化來監(jiān)測地面沉降可以達(dá)到目前天津市監(jiān)測地面沉降4.2 大地高變化與大沽高變化之差的均方根值按年度對比分析在全部80個(gè)對比觀測結(jié)果中,大地高變化與大第1期楊建圖等:GPS測量地面沉降的可靠性及精度分析75個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是避免了天津市水準(zhǔn)原點(diǎn)的變動(dòng)對沉降結(jié)果的影響。此外,結(jié)合GPS連續(xù)站的應(yīng)用,可以改變天津市地面沉降監(jiān)測的方案,達(dá)到減少費(fèi)用,改善靈活性和提高精度的目的11andMineralSurveying,199

24、5,23(1)1-5.(inChinese)8 黃立人,匡紹君.論地面垂直變形監(jiān)測中應(yīng)用GPS技術(shù)的可能性J.地殼形變與地震2000,20(1):3037.8 HuangLirenandKuangShaojun.ThepossibilityofGPSappliedinmonitoringlandsubsidenceJ.CrustDeforma tionandEarthquake,2000,20(1):30-37.(inChinese)9 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理M.武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.9 LiZhenghangandHuangJingsong.GPSmeasuremen

25、tanddataprocessM.Wuhan:WuhanUniversityPress,2005.(inChinese)10 王利,劉萬林.應(yīng)用GPS定位技術(shù)監(jiān)測滑坡體垂直形變研究J.西安工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(3):6165.10 WangLiandLiuWanlin.ThestudyofusingGPStechnologytomonitortheverticaldeformationoflandslipbodyJ.JournalofXi anEngineeringUriversity,2002,24(3):61-65.(inChinese)11 黃立人,周俊,等.GPS連續(xù)站在地面沉

26、降監(jiān)測中的應(yīng)用J.工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,13(1):9497.11 HuangLiren,ZhouJun,etal.GPSsuccessivestationappliedformonitoringlandsubsidenceJ.JournalofEn gineeringGeology,2005,13(1):94-97.(inChinese)12 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(dòng)力學(xué),2002年,22(4):1720.12 HuangLiren,KuangShaojunandYangGuiye.Recentdeformationdeducedfro

27、mGPSobservationinTianjinareaJ.JournalofGeodesyandGeodynamics,2002,22(4):17-20.(inChinese)13 黃立人,胡惠民,等.天津市地面沉降的基準(zhǔn)問題 寶坻原點(diǎn)穩(wěn)定性的研究A.天津測繪學(xué)會(huì)第一屆年會(huì)論文集C.1987.13 HuangLiren,HuHuimin,etal.OnthedatumoflandsubsidenceinTianjincity Investigationofthestabil ityoftheBaodioriginA.Proceodingsofthe1stannualmeetingofTian

28、jinSocietyofSurveyingandMappingC.1987.(inChinese)14 黃立人.寶坻原點(diǎn)的變化及天津地面沉降監(jiān)測結(jié)果的訂正J.測繪科技動(dòng)態(tài),1993,86(3):1518.14 HuangLiren.ChangeofBaodibasepointandrevisionofTianjinlandsubsidenceJ.DevelopmentofSurveyingTechnology,1993,86(3):15-18.(inChinese)。References1 孫建中,楊少敏.用GPS資料揭示現(xiàn)今中國大陸構(gòu)造運(yùn)動(dòng)J.大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2005,25(3):7580.1 SunJianzhongandYangShaomin.TectonicmovementofChinesemainlandrevealedfromGPSdataJ.JournalofGeodesyandGeodynamics,2005,25(3):75-80.(inChi nese)2 唐文清,等.龍門山斷裂構(gòu)造帶GPS研究J.大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2004,24(3):5759.2 TangWenqing,etal.GPSstudyonLo