引文格式：曹炳强，刘智强，简程航，等. 北京市地面沉降监测高精度数据处理及分析[J]. 导航定位学报, 2021, 9(6): 125-129.（CAO Bingqiang, LIU Zhiqiang, JIANChenghang, et al. High precision data processing and analysis of landsubsidence monitoring in Beijing[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 125-129.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210619.
北京市地面沉降监测高精度数据处理及分析曹炳强1，刘智强1，简程航1，鲁泽宇1，张双成2，罗 强1
（1. 北京市地质工程勘察院，北京 100048；2. 长安大学，西安 710054）
摘要：地面沉降是北京平原区最主要、影响面积最广泛且日趋严重的地质灾害之一。近年来地面沉降速率较大，累计沉降量不断增加，形成了多个沉降中心，沉降发育程度高的地区面积逐步增大。北京市早在2002年就开始建设基于全球卫星导航系统（GNSS）技术的监测系统，但随着北京城市的快速发展，一些监测点周边环境受到影响，势必会对监测成果精度产生一定影响。针对这个问题，简要介绍了北京市地面沉降监测项目，着重介绍了GNSS在北京市地面沉降监测中的应用，包括地面沉降监测网的构成以及沉降监测数据处理方案。对北京市2020年的GNSS监测数据进行处理及分析，结果显示基于GNSS得到的监测成果整体是可靠的，能够反映出北京市地面沉降发育的区域及发展态势。
关键词：全球卫星导航系统；北京地面沉降；数据处理；精度分析；沉降结果分析
0 引言
国外对于全球卫星导航系统（globalnavigation satellite system, GNSS）技术的研究起步较早。早在1987年，美国地质调查局就率先利用GNSS技术对夏威夷火山进行了监测，结果显示在垂直方向的精度为35 mm；2009年，意大利的博洛尼亚大学利用卫星连续运行参考站的观测数据对意大利半岛中北部的地面沉降进行了监测，其监测数据使用加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）软件处理，结果显示在高程方向的精度可以达到3~4 mm。国内1998年，上海市地质调查研究院和长安大学开始用GNSS技术对上海市地面沉降进行监测试验，结果显示能够获得毫米级精度的大地高。天津市在全市范围内布设了由20多个全球定位系统（global positioning system, GPS）监测点组成的地面沉降监测网，结果显示GPS静态测量的精度与一等精密水准测量的精度相当。自2005年开始，中国地质调查局和长安大学开始用GPS静态相对定位技术对西安地裂缝和沉降进行三维变形监测，数据处理软件为GAMIT/GLOBK，结果显示可以得到5毫米级的监测精度[1]。
随着北京市经济的持续高速发展，加之城市规模的不断扩大，因过量开采地下水及城市建设带来的地面沉降灾害日益严重，已经发展成为北京平原区的主要地质灾害[2]。为加强地面沉降监测，保障首都城市地质环境安全，在市政府大力支持下，北京市已基本建成了覆盖全市的地面沉降监测网络，监测手段包括高精度水准测量、合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）、GPS测量以及监测站内基岩标、分层标监测等。目前各系统运行正常，监测数据连续可靠，所取得的监测成果在城市规划、国土资源管理以及区域工程地质勘查、地质灾害危险评估等方面得到推广应用[3]。
本文主要对GNSS在北京市地面沉降监测中的应用进行了介绍，包括地面沉降监测网的构成以及沉降监测数据处理方案，并对GNSS监测数据解算成果进行了精度分析。
1 沉降监测网的布设与监测
北京市地面沉降预警监测系统（一期）工程自2002年开始建设，在昌平、顺义、通州以及大兴等主要沉降区域内共建设14个GPS监测点[4]。一期工程取得了很好的监测效果，但因为一期工程监测点分布范围较小，不能覆盖北京市整个平原区，不能满足整个平原区的地面沉降监测的需求。因而，在2007年开始建设北京市地面沉降预警监测系统（二期）工程，二期工程共建设地面沉降GPS监测点100个。一期、二期共建设114个GPS监测点，相邻监测点之间的距离一般在5～10 km[5]。由于北京城市的发展建设，部分监测点遭到损毁，目前存有102个监测点，基本能够覆盖北京市整个平原区。每个GPS监测点均建为永久性混凝土观测墩，观测墩顶部有不锈钢强制对中装置，用于安置
GPS接收机天线，以消除天线对中误差的影响[6-8]。
为了获取高精度的监测点高程变化信息，在借鉴以往观测数据成果、并顾及到点位分布的情况下，布设监测网时，以10个监测点为一个同步环，同步环之间的公共连接点均不少于3个，共组成13个同步环，每年外业观测时间从8月底开始到10月底结束，持续时间近2个月。观测的仪器采用的是天宝的双频接收机和扼流圈天线。
2 沉降监测网数据处理
数据处理主要包括基线解算与网平差工作。本文数据为北京市2020年的观测数据。GPS基线解算采用GAMIT/GLOBK软件包，其作为高精度的数据处理软件，广泛应用于地壳变形的分析研究、高精度GNSS数据处理等。GAMIT/GLOBK软件自动化程度高，通过选取适当数量的国际GNSS服务（International GNSS Service, IGS）站，并使用精密星历解算GPS数据，可求得高精度基线向量和测站坐标，是目前国际上比较流行且解算精度较高的GPS数据处理软件之一[9]。
2.1 GPS测量数据的预处理
在高精度GPS数据处理前，需要对GPS原始观测数据进行预处理，包括GPS测量点的变动、GPS天线高的检查、GPS观测数据的质量分析。
GPS测量点的变动检查：主要核对在监测周期内GPS监测点的点位是否发生过移动、GPS接收机和天线是否更换、GPS观测数据是否有效、监测点点名与其实际位置是否一致等。
GPS天线高的检查：高精度地面沉降GPS测量需要有统一的起算基准，针对观测墩的特点，采用在GPS监测墩顶面彼此间隔120°位置上刻一浅槽的量测模式方案，使浅槽底部基本保持在同一水平面上，并将浅槽打磨光滑。GPS天线高的量测是从刻槽的位置垂直向上至GPS扼流圈天线圆盘外沿的最底部（图1）。在每个观测时段测前、测中和测后各量取一次，3次量取的天线高较差在1 mm以内时，取其平均值作为最后天线高。
GPS观测数据的质量分析：GPS观测数据的可靠性和完好性是后续进行高精度数据处理的重要的保障，因此在数据处理前应对GPS原始观测数据进行质量分析。采用GPS观测数据质量分析软件TEQC（translation, editing, and quality checking）对本文的GPS观测数据质量进行了全面分析。TEQC软件是通过计算观测数据的多路径情况（MP1和MP2）、数据的完整性（实际观测值的数据量除以理论上的观测值数）和信号的失锁情况等内容来评价GPS监测测站周围的环境对GPS观测值的影响程度。本文对采集的GPS监测网原始观测数据进行了质量检查，并对多路径影响MP1、MP2值做了详细统计，下面主要给出MP1、MP2指标分布图（图2至图3）。
2.2 基线解算
基线解算是将基准网点与监测网点分别通过与3个北京地面沉降基岩基准点(BJFS、BJSH、JIXN）联网计算，进而将监测网的基线分别纳入国际地球参考框架2005（international terrestrial reference frame 2005, ITRF2005）中。利用全球参考框架的稳定性与连续观测数据的完好性，以及基岩基准点的高精度三维地心坐标来进一步提高GPS基线解的精度。
GAMIT基线解文件按单时段天解的形式给出，其基线解为双差固定解。基线解文件的主要内容包括该时段所包含的测站名称、观测历元总数、采样间隔、工作开始时间、各GPS基线在空间直角坐标系与站心坐标系中的解算结果以及基线解的方差-协方差矩阵等[6-8]。
2020年度GPS测量的基线解算采用解算策略：将102个监测网点、3个基岩基准点（BJFS、BJSH、JIXN）综合在一起进行基线解算，获取监测网的基线向量结果。GAMIT主要参数设置如表1所示[9-14]。
2.3 网平差方案
监测网的基线向量网平差主要采用拟稳平差。网平差中均以3个北京地面沉降基岩基准点（BJFS、BJSH、JIXN）作为起算基准。
平差方案采用拟稳平差主要是为了避免因对基准点作强约束致使平差观测量受到歪曲而影响精度，同时也为了不会因完全放弃固定基准，造成不能提供所求的变形量。拟稳平差法即对网中相对稳定3个或多个基准点，在最小范数条件下作拟稳秩亏自由网平差，使稳定未知量拟合于其稳定值，而对整网在最小二乘条件下作经典平差。选用拟稳平差方案，网中既保存了相对稳定的变形监测参考基准，可以较好地达到监测变形的目的，又不会使平差坐标值因基准点的少量变形和误差影响而产生扭曲，保持了网中点坐标的精度。
2.4 精度分析
GPS测量的精度评定从GPS基线重复边、环闭合差以及大地高精度3个方面进行。
1）基线重复边。以GPS监测网基线重复数来评定基线解算的精度。基线重复数能够反映时段解(单天解)之间的内符合精度，是评定GPS定位结果的重要指标之一，计算公式为
由表2统计结果可以看到，GPS监测网基线重复数精度全部满足限差要求。
2）同步环和异步环闭合差。GAMIT软件采用的是网解（即全组合解），其同步环闭合差在基线解算时已经进行了分配。对于GAMIT软件基线解的同步环检核，可以把基线解的标准化均方根（normalized root mean square, NRMS）值作为同步环质量好坏的一个指标，一般要求NRMS值小于0.3 mm，表3给出了监测网的NRMS值的统计信息。由表3中统计结果可以看出，所有基线NRMS值均小于0.2 mm，这说明GPS同步基线向量网的内符合精度较高。
同步环闭合差和异步环闭合差的值能够反映GPS外业观测质量以及基线解算质量的可靠性。同步环闭合差可以反映出一个同步环数据质量的好坏，而异步环闭合差则可以反映出整个GPS网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性，相比较于同步环闭合差，异步环闭合差对GPS成果质量更为重要。
表4给出了异步环闭合差的统计结果，异步环闭合差主要反映GPS向量网自身的内符合精度，特别是重复基线是否存在异常或超限。依据GPS规范来检测异步环闭合差是否超限。由表4结果可知，GPS测量网异步环闭合差全部合格。
3）GPS站点大地高精度分析。GPS测量成果精度主要通过平差后GPS点大地高精度进行分析。由于北京市地面沉降GPS监测站点形变信息主要基于各站点大地高H获取，因此GPS站点大地高H精度与北京市地面沉降密切相关，其精度高低直接影响到北京市地面沉降GPS监测的可靠性。图4为监测点大地高精度分布图，通过对监测点大地高精度进一步统计得到：2020年监测网大地高误差最小值为0.5 mm，最大值16.9 mm，平均值3.6 mm。
表5为GPS监测网点大地高精度区间分布统计表，从表中可知大地高精度小于10 mm的占比为95.1%。
3 沉降监测结果分析
根据上述的沉降监测网数据处理方案，在同一参考基准框架下，由2019、2020年两期GPS测量平差结果，得到各GPS监测点相应于监测周期的大地高变化量。根据监测点的大地高变化量得到了2019—2020年监测点高程变化量分布图，见图5。
从图5中可以看到，2019—2020年高程变化量较大的区域：①昌平、顺义及海淀区。在这些区域中，多数的监测点年度高程变化量在0～50 mm之间，少量的监测点年度高程变化量大于50 mm。同时也可以看到，海淀区的监测点数量较少，尤其是在和昌平交界的海淀北部区域。②市区东部的朝阳、通州地区。③大兴的礼贤、榆垡区域。综上可知，基于GNSS对北京市地面沉降的监测结果较好地反映出北京年度的地面沉降变化信息。
4 结束语
空旷的通视环境是保证高精度GPS监测的首要条件，但是北京市的城市发展和环境变化却严重影响了部分GPS站点的观测环境，导致少量点的精度比较差。为了确保北京市GPS地面沉降监测工作的高效性、稳定性和连续性，可以从以下2个方面改进：①尽可能避开植被茂盛的季节进行GPS监测，减弱GPS多路径误差，提高测量精度；②对地面沉降发育区及时进行GPS站点的修建。
全球卫星导航系统在北京市地面沉降监测中已应用多年，取得了很好的监测成果，对全方面了解北京市地面沉降区域发展动态、发展规律，研究北京市平原区内部平面运动、发现地裂缝发展区域提供了基础。同时，我们也应该不断推动自主建设、独立运行的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）在地面沉降、地裂缝监测等地质灾害监测领域的应用。
作者简介：曹炳强（1990—），男，山东潍坊人，硕士，工程师，研究方向为GNSS数据处理及工程监测。
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