张奇,闫伟,汪伟,王文旭

(天津市测绘院,天津 300381)

基于CORS数据的地表沉降研究

张奇∗,闫伟,汪伟,王文旭

(天津市测绘院,天津 300381)

随着天津市城市建设的快速发展,一些大型工程正面临着由地表沉降带来的威胁。研究地表沉降对于保护天津地质环境、指导城市规划具有重要意义。基于此,处理了天津CORS(Continuous Operational Reference System)基准站2006年～2012年的观测数据,对基线处理结果进行了小波降噪以及Chebyshev多项式拟合,得到了地表沉降速率,并用水准成果对其进行了验证。

地表沉降;水准;CORS;GAMIT

1 引 言

天津市地表沉降主要表现在:区域性的填海造陆地表沉降、桥梁形变塌陷、铁路沿线形变下陷、地铁施工地表沉降、机场路面变形起伏、地下管道形变断裂等[1]。研究天津市地表沉降对于保护天津地质环境、指导城市规划具有重要意义。而GNSS为进行地表沉降分析提供了一种高效可靠的方法[2]。基于此,本文处理了天津CORS基准站2006年～2012年的原始观测数据,提取了CORS站点所在位置的地表沉降量,计算了地表沉降速率,并将其与利用水准测量数据的出来的结果进行了对比分析。

2 利用CORS数据分析地表沉降

利用CORS数据分析地表沉降主要包括基线处理和CORS站点沉降分析。基线处理部分主要包括观测数据预处理、基线解算必要文件的准备以及利用GAMIT处理基线[3],CORS站点沉降分析包括待分析站点与稳定参考站的基线向量高程分量序列的提取以及沉降速率的计算[4]。用作本文研究的数据为天津市CORS的12个基准站2006年～2012年共6年的原始数据,数据采样间隔为30 s。

2.1 基线解算

天津市各CORS各基准站的观测数据经过预处理后,采用MIT和SIO共同研制的高精度事后精密基线处理软件GAMIT 10.45进行基线处理。在基线处理前,引入天津CORS周围的6个IGS站点,分别是: BJFS、DAEJ、SUWN、ULAB、WUHN、YSSK,和12个 CORS站点一起进行基线解算。这样做的目的是把IGS的站点坐标和框架引入到基线解算过程中,削弱由于站点坐标不准确引起的基线解算误差[5]。

2.2 稳定参考点选取

天津CORS站点观测数据完成基线解算后,为根据解算结果进行沉降分析,选择了地处天津市北部的、地质条件好的JIXN站点作为整个CORS网的参考点,其他的CORS站点的高程方向运动规律均以该点为基准进行分析。为了说明CORS站点中的JIXN点在高程方向的稳定性,在对其他站点进行数据处理前,先对JIXN点在高程方向的稳定性进行分析。

在分析JIXN点高程方向的稳定性时,选择其周围分布比较均匀的AIRA、BJFS、DAEJ、GUAO、JIXN、KHAJ、KUNM等12个IGS跟踪站点联合进行基线解算。从解算结果中提取单天解的H文件,并联合全球IGS1、IGS2、IGS3子网的H文件利用GLOBK进行整体卡尔曼滤波,得到JIXN点在ITRF05框架下,在U分量上点位稳定性情况。分析结果显示,JIXN站在高程上的年变化率为1.14 mm/a,说明了JIXN站点在高程方向上是稳定的。用JIXN点作为其他站点的参考点,进行时间序列分析是适当的。

2.3 各基准站沉降分析

在各基准站的稳定性分析过程中,获得了各基准站相对JIXN站的U坐标分量时间序列,结合小波滤波、曲线拟合等时间序列分析方法对原始时间序列进行分析,以得到各基准站相对JIXN点在U方向上的变化规律和趋势。

在各基准站的U时间序列中,虽然基线解算使用了高精度GPS数据处理软件GAMIT,但无论是从数学建模还是从原始数据的采集上,都有噪声污染。为了尽可能消除噪声污染,凸显基准站的坐标变化规律,对基准站的U方向的时间序列进行小波降噪[6]。

小波降噪的实质是对原始数据在不同尺度上进行小波分解后,根据噪声和有用信号的频率特性,对小波变换的细节系数部分进行阈值滤除,保留原始信号中的有用信息,而滤除噪声信息[7]。多项式拟合以及趋势分析都在经过滤波处理后的信号基础上进行。

对各基准站U序列进行滤波后,根据滤波的结果,用多项式对该曲线进行拟合,得到一个可以用函数表示的各基准站点U分量关于时间的函数。在拟合分析中,选取的为Chebyshev多项式拟合,拟合阶数为18阶,可选取更高阶数的Chebyshev多项式进行拟合,但这样做会极大地增加计算量,同时可能因阶数过高,拟合后的曲线有“扰动”[8]。图1列举了DZ01站拟合前后的U分量序列,其中红色为拟合前序列,黑色为拟合后序列。

图1 DZ01站点U分量的Chebyshev多项式拟合图

基准站在U分量上的数据经过数据滤波和曲线拟合后,可以很好地用一个数学函数来表示其坐标分量大小随时间变化的规律,并且可以根据函数得到在观测时间段内任何一个时刻的U分量值以及其变化速率。

为了进一步得到各站点高程方向的年变化速率,对U方向时间序列进行了趋势分析。趋势分析的目的是为了得到各CORS站点在高程方向的宏观运动规律。在小波去噪的基础上,对各站点基线U方向分量进行线性拟合,得到U方向分量的日平均变化速率,进而按式(1)计算U方向分量的年变化速率如表1所示。

其中,f(∗)为曲线拟合后的函数,EndP为曲线终点,StartP为曲线起点,△TimeSpan为时间跨度。平均速度的精度用式(2)来评估。δ0为根据拟合后的函数来确定的沉降中误差,该中误差的取值由拟合后的拟合误差近似给出。

分别用CORS数据与水准得到的站点沉降速率 表1

从表1可以看出,站点CH01和SW01所在位置的年沉降率较大,分别达到-40.8 mm/a和-40.5 mm/a,而TJA2站点相对比较稳定,年沉降率较小,为-0.9 mm/a。

2.4 沉降对比分析

在采用CORS基准站数据进行沉降分析的同时,本文利用2006年～2011年的水准数据对GNSS方法得到的沉降速率进行了验证。本文挑选出GNSS站点周围半径1 km范围的水准点,根据水准观测出的沉降量,用曲面拟合、插值的方法得到CORS站点位置的沉降速率,列于表1中第二列。

图2 CORS数据与水准数据得到的各参考站沉降速率比较

采用CORS数据得到的各站点沉降速率与水准得出的各站点沉降速率对比如图2所示。从图中可以看出,除DZ02站点外二者符合得很好,验证了用CORS研究地表沉降的可靠性。DZ02位于天津市大港区,并且1 km范围内仅有2个等级水准点,这可能是造成二者差异较大的原因。同时可以看出,TJA1和CH02所在站点高程方向上最为稳定,其沉降速率在5 mm/a以内,而CH01、SW01、KCO2、KC03沉降严重,其中CH01与SW01沉降速率达到了40 mm/a以上。

3 结 语

本文处理了天津CORS各基准站的数据,得到了地表沉降速率,在所有参考站中,CH01、SW01、KC02、KC03沉降速率较大,TJA1和CH02最为稳定。将CORS数据得到的沉降速率与水准成果比较,结果表明二者能较好符合。

[1] 黄立人,匡绍君.GPS观测得到的天津地区的现今变形[J].大地测量与地球动力学,2002(4):17～20.

[2] 姜衍祥,杨建图,董克刚等.利用GPS监测地面沉降的精度分析[J].测绘科学,2006(5):63～65.

[3] 赵桂儒.基于GARMIT软件的GPS数据处理框架建设[D].北京:中国地震局地震预测研究所,2007.

[4] 罗峰.CORS基准站的稳定性分析与研究[J].全球定位系统,2014(1):42～45.

[5] 黄勇,汪伟.基于软阈值小波降噪的天津CORS站点数据分析[J].城市勘测,2011(6):89～91.

[6] 蔡东健,岳建平,张永超.改进的小波阈值去噪方法在CORS数据处理中的应用研究[J].测绘通报,2012(4):4～7.

[7] 郭健,孙炳楠.基于小波变换的桥梁健康监测多尺度分析[J].浙江大学学报,2005(1):114～118.

[8] 孔巧丽.用切贝雪夫多项式拟合GPS卫星精密坐标[J].测绘通报,2006(8):1～3.

Analysis of the Sedimentation of Earth’s Surface Based on CORS Data

Zhang Qi,Yan Wei,Wang Wei,Wang Wenxu
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

With the rapid development of urban construction in Tianjin,a number of large-scale projects are facing the threat of the sedimentation of the Earth’s surface.Study on the sedimentation of Earth’s surface of Tianjin is of great significance for the geological environment protection and city planning of Tianjin.Based on this,in this paper,Tianjin CORS observing data from 2006 to 2012 was processed and the wavelet denoising method was append on the baseline results,the rate of the sedimentation of Tianjin Earth’s surface was calculated by Chebyshev polynomial fitting and was verified with the sedimentation derived from leveling.

earth’s surface sedimentation;leveling;CORS;GAMIT

1672-8262(2014)06-32-03

P228.3,P642.26

A

2014—05—30

张奇(1988—),男,助理工程师,现主要从事城市CORS应用研究。

本项研究得到大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目(SKLGED2013-4-6-E)和国家自然科学基金项目(41174031,41474029)的联合资助。