基于GNSS的地表沉降监测

基于GNSS的地表沉降监测

蔡礼贤

广州市城市规划勘测设计研究院 510030 广东省广州市

摘要：近年来，随着3S技术的快速进步，变形监测技术也在不断向前发展。GNSS技术因其拥有定位迅速、定位精度高、观测自动化、全天候作业、测站间无需通视以及能够同时确定三维坐标等特点，在变形监测中得到广泛应用。实际变形监测项目中，通常需要正常高。大地高转换为正常高的过程中会导致精度损失，这不利于准确提取GNSS变形监测中的高程变化，从而干扰后期的沉降分析。但在同一测站进行两次GNSS变形监测得到的高程异常是不会改变的。因此，只要测得同一测站两期大地高高差的变化量，就能得到两期正常高高差的变化量。

关键词：GNSS；沉降监测；CORS；监测网；自动化；

1引言

随着城市化进程的加快，区域性地面沉降的危害逐渐凸显，成为制约地区经济社会可持续发展的重要影响因素。地面沉降防治的首要工作就是对地面沉降的详细情况进行有效的监测，查清地面沉降发育分布规律，才能有的放矢地开展地面沉降防控工作[1]。以往地面沉降监测方法多依赖于精密水准测量，虽然测量精度较高，但野外观测周期较长，同时需布设足够的监测点，投入成本较高。

全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS) 经过数十年的发展，该系统的适用成本已经很低，且基本已经实现全世界范围内的覆盖，可以实现厘米级精度级别的轨迹预估，所以GNSS系统在全世界范围内被广泛使用[2]。与此同时，GNSS具有测量精度高、定位快、自动化等优势，是利用传统测绘仪器进行沉降监测所无法比拟的，在实际中，为了进一步提高地质沉降监测质量，可以应用高精度GNSS定位技术[3]。

连续运行参考站系统(continuously operating reference system, CORS) 以GNSS静态定位为基础，在某一稳定地点上，建立一个可以完成全天候、不间断、自动化的高精度地面信息采集系统[4]。近年来，全国各省市及地区建立了完备的CORS地面信息采集系统，为地面沉降、地裂缝等地质灾害研究提供了准确的地面监测数据，为基础设施建设、城市规划发展等多项项目决策提供准确的科学依据。

目前，我国的北斗卫星导航系统已经全面建成，并投入使用，从设计指标上看，北斗的定位、授时精度都不逊于美国的GPS系统，甚至会超过GPS。地面沉降监测关注的主要是地面高程的变化，完全可以对大地高程的变化来进行沉降监测，获得垂直位移分量[5]。所以可以基于北斗GNSS建立基准站和监测站，从中获得沉降监测点的平面和高程分量信息，并进行远程无线数据传递进行实时数据处理。

2国内外研究现状

2.1国外研究现状

早在1987年，美国地质调查局相关人员曾利用GPS的技术手段对某一火山进行连续变形的监测，他们在组成的沉降检测网中布设了58个GPS监测点，每次六台双频GPS设备进行连续六小时的监测，监测频率为每年一次。其监测结果显示，在东西、南北及垂直方向的精度分别为15mm、5mm和35mm[6]。

2013年，韩国仁川大学土木工程系和埃及曼苏拉大学联合对埃及曼苏拉大桥利用GPS进行监测，实施实时动态载波相位差分技术，再进行小波主成分分析去噪，结果显示，精度将提高15%左右，达到毫米级[7]。

2016年，Kucwaj等人在进行GPS高程测量时，对于不同的卫星高度角差异比较明显时，提出了一种伪距误差细化的方法，结果显示，将对GPS的测量结果精度有所提高[8]。

2020年，M. Evers等人[9]对Paraeiros Peiros大坝建立基于GPS的自动化监测，并描述了土石坝在使用寿命期间可能发生的变形，并将此方法与常规的监测方法，大地三角测量与光学水准测量进行对比，描绘出了基于GPS数据的大坝精确地表变形图。

2.2国内研究现状

2018年，章传银等人采用CORS站网与重力场监测数据对三峡地区地面垂直形变进行了监测，两者监测变化趋势基本一致[10]。

2019年，Xiao Ruya等人[11]将GPS和BDS两种观测手段对南水北调东线重要工程双王城水库进行监测，并建立自动化监测系统，得出的结果表明，尤其是对于较长的观测时间段，BDS与GPS的性能相当，水平精度为1mm，垂直精度为2mm。

2020年，郭稳等人[12]以GNSS的监测手段以北京华都中心开挖而引起昆仑公寓的倾斜和变形为例，监测了高层建筑昆仑公寓的倾斜与沉降状态。采用GNSS精密单点定位技术对公寓状态进行了长期监测，获得了高层建筑物的沉降变形情况，实现了高精度、自动化、全天候的监测。

我国自主设计的北斗卫星定位导航系统于2020年6月建成。在地面形变监测研究中，我国各部门投入了大量资金建立了覆盖全国范围内的CORS站网，应充分利用其监测数据进行科学研究。但是CORS站网进行数据解算后，其中还包含数

据观测与处理过程中的部分噪声导致地面垂直方向形变量精度不高。

3GNSS沉降监测应用分析

3.1北京市地面沉降监测

3.1.1局域参考框架的建立

建立局部高精度参考基准需引入测区周围稳定可靠的IGS站，该沉降监测项目主要分布于北京，中国范围内及周边比较稳定的IGS站有：北京站(BJFS)、长春站(CHAN)、乌鲁木齐站(URUM)、拉萨站(LHAZ)、台湾站(TNML)、乌兰巴托(ULAB) 和韩国(DAEJ)。7个IGS站分布均匀，完全能够满足高精度参考基准建立的要求。

GNSS基准点和沉降监测点的密度及位置除了能满足地质分析的要求，还要将基准点选择在地质条件稳定的地方，最好是在基岩上，能有效地反映地壳形变，紧密地和周围的地面固联在一起[13]。

3.1.2监测网的建立

北京市连续运行参考站汤河口站，作为沉降监测的基准点。BJNM站、监测点01、监测点02和监测点03为本次实验的监测点。以每一期基准网平差得到汤河口站瞬时坐标，作为监测网起算数据，使用GAMIT进行基线解算。

3.1.3基准网数据处理

以7个永久性的IGS卫星跟踪站为约束点，将所选的7个IGS展与汤河口基准点连续15天的观测数据进行一并解算，卫星星历使用sp3精密星历，采用GAMIT/GLOBK软件进行解算，15个单天解的基线解算验后方差均小于0.3。获得在ITRF08坐标框架下汤河口的三维坐标，汤河口基准点解算精度优于0.13cm，并把汤河口作为监测网的起算点。

3.1.4监测网数据处理

每一期监测网基线解算均使用GAMIT进行，以汤河口基准点瞬时坐标先验约束，汤河口基准点给(0.05, 0.05, 0.05)m约束，其他点位给(10, 10, 10)m约束；基线解算完成后，使用武汉大学编制的COSA GNSS平差软件进行平差计算，两期观测数据进行平差计算时，均以汤河口基准点为起算点，进行三维无约束平差。两期监测数据平差的点位中误差均为毫米级，最大点位中误差为0.54cm，最小点位中误差为0.10cm。

3.1.5高程结果的转换

通过三维平差得到坐标为三维空间直角坐标，而沉降监测需要的是大地坐标系下的大地高H。在WGS84参考椭球下，将空间直角坐标转换为大地坐标，进而得到大地高程变化量。

该项目的三个监测点的GNSS沉降量和精密水准沉降量相差均保持在毫米级，最小较差仅为1.7mm，三个监测点虽然距离不远，但是沉降量相差较大，具有不均匀性，最大与最小相差300mm，年沉降量接近100mm，这一结果与每年的北京市水准沉降监测也是一致的。

3.2高速铁路沉降变形监测

3.2.1实施方案

根据相关研究成果，北斗相对定位精度与基线长度相关，基线长度在5km以内时垂直位移精度的差异较小。因此，为保证北斗相对定位技术的精度，沉降变形监测的基线长度控制在5km以内。基准点设置在沉降段的中部，浇筑混凝土观测墩并固定于周边山体的稳定地层，监测点沿线路纵向以500~1000m间距布设，桥梁段共布设6个监测点，编号为BDS1-BDS4和BDS7，BDS8，路基段布设2个监测点，编号为BDS5，BDS6。

图3 监测点布设示意图

北斗变形监测系统的安装既要保证不影响线路正常运营和养护维修作业，同时也要避免列车运行对北斗接收机数据采集稳定性的影响。数据传输方式采用4G和LoRa两种方式。在有通信信号覆盖区域使用4G网络进行数据传输，在无通信覆盖区域可以自动切换到LoRa模式进行数据传输，避免北斗测量数据因通信信号未覆盖而出现缺失[14]。

3.2.2北斗定位精度试验数据分析

对线外试验点进行精度验证试验的连续观测，得到在气候条件较好时测量绝对误差不超过2mm，与北斗定位技术标定竖直位移精度(±3mm) 吻合。高速铁路接触网高压线对北斗定位测试精度的影响可以忽略；台风天气对北斗定位测试结果有一定影响，分析长期变形监测数据时应注意对台风天气引发的异常值进行识别和处理。

3.2.3监测结果

北斗变形监测系统的测量中误差与基线长度呈线性正相关，基线长度越大，测量中误差越大；基线长度在3km以内时，测量中误差不超过3mm，可以满足高速铁路有砟轨道的沉降观测技术要求，在监测精度要求较为严格时，建议基线长度控制在1km以内。

4应用展望

目前各个省份的CORS系统已经发展的非常成熟与完善，但是在实际应用中，CORS系统的稳定性并不尽如人意，受网络信号制约非常严重，特别是在某些山区无移动通讯信号的时候，更是无法使用，使得GPS布设控制网的技术手段在某些工程中仍然是首选的解决方案。

随着GPS、GLONASS及我国“北斗”卫星定位系统的发展，越来越多得到卫星将被用于测绘行业，精度也将越来越高。在现阶段，利用GPS精密星历解算的精密单点定位技术以及相对定位技术已经发展的非常成熟与完善，能够更加快速准确地获取高精度控制点，令控制网的布设更加便

捷，在水利工程中的变形监测和滑坡等自然灾害中大规模应用，为国家水利建设和民生保障中发挥更大的作用。

对于不同型号的GNSS设备的监测精度是不相同的，随着科学技术的发展以及使用较好的GNSS设备，GNSS设备的监测精度将会逐渐提高，其得到的地基沉降监测精度也将提高。

对于监测点的沉降变化，可以采用机器学习的方法对监测点的沉降趋势（X，Y，Z坐标的变化）做出预测，实现提前预警的功能，可以通过数学的方法绘出未来一段时间坐标可能出现的变化趋势，实现更加科学的预警。

针对不同的变形分析方法，各有优缺点，单一的方法可能不能充分满足实际问题的需要，可以将各种变形分析方法组合起来，扬长避短。因此，将各种变形分析模型，如遗传算法、灰色理论、小波分析、神经网络等进行有机组合，取长补短，研究相应的组合模型，定能为变形分析研究工作提供广阔的前景。

参考文献

[1] 刘胜男, 陶钧, 卢银宏. 地面沉降监测多源数据融合分析[J]. 测绘通报, 2020(12):46-49.

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[3] 吕超迪, 李昕荷. 基于高精度北斗定位的地质沉降监测分析[J]. 河南建材, 2018(02):54-55.

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[5] 徐灏, 郑逸璇, 鄢博. 基于北斗二代的铁路沉降实时监测系统设计[J]. 科技信息, 2012(20):148-149.

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[9] Evers M, Kyriou A, Thiele A, et al., editors. How to set up a dam monitoring system with PSInSAR and GPS[C]. Earth Resources and Environmental Remote Sensing/GIS Applications XI,  2020: SPIE.

[10] 章传银, 王伟, 甘卫军, et al. 利用CORS站网监测三峡地区环境负荷引起的地壳形变与重力场时空变化[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2018,43(09):1287-1294.

[11] Xiao R, Shi H, He X, et al. Deformation monitoring of reservoir dams using GNSS: an application to south-to-north water persion project, China[J]. IEEE Access, 2019,7:54981-54992.

[12] Guo W, Wang G, Bao Y, et al. Tilt and settlement monitoring of high-rise building using GNSS precise point positioning and seasonal ground deformation[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020,45(7):1043-1051.

[13] 李森, 陈积旭, 李刚. 基于GNSS的北京市地面沉降监测研究[J]. 北京测绘, 2017(05):73-76+87.

[14] 强小俊. 北斗定位技术在高速铁路沉降变形监测中的应用[J]. 铁道建筑, 2020,60(07):81-84.