北京市沉降区CORS站高程基准变化分析
任政兆1,2 朱照荣1,2 张锡越1,2 曾艳艳1,2 张凤录1,2 曹毕铮1,2
(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038;2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)
[摘 要] 根据北京市连续运行参考站(CORS)系统多年累积的连续观测数据,研究CORS站坐标高程基准的变化规律,利用北京市沉降区高程水准复测的高差结果验证其准确性,得出以下结论：CORS站垂直方向运动普遍存在明显的周期变化,虽然部分测站的两种高差结果相差较大,但全球卫星导航系统(GNSS)高差与水准高差的趋势项相似度极高,北京市采取严格限制地下水开采、北京市“海绵城市”绿地建设、南水北调的工程等措施从一定程度上缓解了北京市沉降的趋势,取得了一定的整治成果,以朝阳(CHAO)站、牛栏山(NLSH)站尤为明显,甚至出现了抬升的趋势。
[关键词] 连续运行参考站; 高程基准; 水准复测; 水准高差
0 引言
高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据,它包括一个水准基准面和一个永久性水准原点。陈俊勇[1]指出为了保持我国高程控制网的现势性,应当在15～20年复测一次。高程基准虽经过十多年的建设发展,但其基础设施损坏严重,测量成果的现势性难以满足服务需求,属性结果维持难度较大[2]。因此在新型基础测绘背景下,利用连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)站数据解算的高差成果与传统水准测量的高差成果进行分析将会有意义。
有研究表明地壳运动、地下流体资源开采、城市建设等人类活动会引起城市局部地面沉降[3]。北京市存在多个沉降中心且不同程度的地面沉降造成了区域高程参考框架难以维持,同时在此框架下的测绘成果难以反映现势情况。杨强等人[4]指出连续多年的全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)观测数据在U方向精度有所提高。袁林果等人[5]提出利用GNSS连续运行参考站进行地壳形变监测具有重要意义。张诗玉等人[6]基于球谐函数定量分析了GNSS的大气负荷效应,得到了大气负荷是GNSS垂向分量季节性变化的因素之一的结论。有研究学者[7-9]分析了环境负载对GNSS测站序列的影响。即使GORS站解算坐标速度更快、更简单便捷,但全球定位系统(global positioning system,GPS)观测数据在高程方向受到的噪声干扰远大于水平方向[10],所以在精密水准测量、工程控制网中都要求使用传统水准测量传递高程信息,为解决因区域不均匀沉降造成的水准点高程变化较大的问题,北京市测绘设计研究院每年以玉渊潭水准原点作为基准点,进行北京市沉降区高程复测及原点网监测工程。
1 数据收集
收集2012年1月至2021年7月的北京市CORS站和中国周边国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)基准站观测数据,包括:5个北京市CORS站点，即昌平站(CHPN)、东三旗站(DSQI)、西集站(XIJI)、牛栏山站(NLSH)、朝阳站(CHAO)；12个IGS站点，即aira,badg,bjfs,pimo,daej,pol2,shao,tcms,hyde,tixi,urum,yssk,数据采样间隔为30 s。由于DSQI、CHAO 2012—2015年数据质量存在问题(严重的周跳),只对该两站2016—2021年的数据进行处理。
2 数据处理
2.1 数据处理软件
基线处理软件使用美国麻省理工学院和Scripps研究所共同研制的流体力学模拟基础软件(GAMIT)软件,该软件是世界上最优秀的GNSS数据处理软件之一。利用GAMIT 10.70版本和GLOBK 5.12版本软件,附加合理的约束对北京市CORS站网进行数据处理。
2.2 参数设置
数据处理参数设置具体情况如表1所示。
表1 GAMIT参数设置
注：①国际GNSS服务组织(international GNSS service,IGS)；②VMF(Vienna mapping function)1目前是模拟对流层状况精度最高的模型；③国际地球自转服务(international earth rotation service,IERS)；④FES2004是2004年的全球海潮模型。
2.3 数据处理流程
首先对北京市CORS系统数据进行预处理,主要批量修改2018年之前的基准站数据文件头接收机和天线信息格式。以GAMIT/GLOBK(一个研究高精度全球定位系统测量数据处理等领域的综合分析软件包)软件为主进行GNSS数据处理。通过对CORS站和IGS站每天的GNSS观测量数据(观测站位置、接收机钟差与卫星钟差等多种参数)解算,利用GLOBK软件获得CORS站的单日区域松弛解(h-file),经过坐标约束后,得到基于国际地球参考框架(international terrestrial reference frame,ITRF)2014下所有基准站位置的高精度坐标和时间序列。
2.4 精度检核
由于GAMIT软件采用的是网解(即全组合解),同步环闭合差在基线解算的同时已经进行了分配。为了检核GAMIT软件基线解的同步环,可以把时间序列的国际GNSS服务(international GNSS service,IGS)作为同步环质量好坏的一个指标,一般要求NRMS值不能大于0.5且不等于0。2012—2021年基线解算NRMS值大小如下图1所示。
图1 基线解算NRMS值
通过图1分析,除2016年外其他年份基线解算的NRMS值均小于0.5,满足精度要求。经查阅,2016年前221天DSQI站由于接收机和天线设备故障,数据观测质量较差,存在严重的周跳变化,导致基线解算的NRMS值存在超过限值的情况。从2016年第222天开始,DSQI站更换天线、接收机设备后基线解算的NRMS值均小于0.5且趋于稳定状态。
3 高程基准变化分析
3.1 时间序列分析
CHAO站和DSQI站位于在北京市严重沉降检测区内,图2是基准站的原始时间序列,在垂直方向明显发现,CHAO站在2015—2018年之间是不断沉降的,2019—2021年沉降速度有了明显减缓。CHPN站相对比较稳定,年周期变化相对明显。NLSH站2012—2017年下沉较大,但是2018年开始沉降逐渐减缓,甚至2020—2021年该站有抬升的趋势。DSQI站在2016年时间序列出现阶跃,相对位置存在一定偏移,经核实是该站更换了天线,该站同样存在一定的沉降。XIJI站在2014—2021年阶段中处于均匀沉降。
图2 基准站原始时间序列
3.2 基站速度分析
表2给出了基准站VN,VE,VU的三个方向近十年的年均运动速率,基准站在南北方向每年10 mm左右,东西方向每年的运动量大约在30 mm,垂直方向是根据不同地形运动量各不相同,但各站的运动速度均为负值,表示基准站均呈现沉降趋势,其中在严重沉降区内的DSQI站沉降速率最大,每年可以达到50.54 mm,CHAO站明显低于DSQI站,每年以约22 mm的速度下沉,NLSH次之,年沉降速率约为17 mm,CHPN站属于北京市沉降区外的山区,该点的高程比较稳定,大约为每年1.79 mm的速度下降。
表2 基准站年均运动速率 单位：mm/a
3.3 结合水准复测分析
为了验证CORS站解算高程基准变化的准确性,收集了近6年北京市沉降区高程水准复测的高差结果,二者对比如图3。由于2013—2015年北京市没有对CORS基准站进行联测,选取2016年的基准站高程作为基准做差值。
虽然部分测站的GNSS结果与水准成果具有一定的差距,比如CHAO站2020年高差二者相差4.8 cm,DSQI站两个高差结果平均差11.3 cm,但不可否认的是GNSS高差与水准高差的趋势项相似度较高,其中NLSH站和XIJI站二者相差毫米级,除CHPN站比较稳定,其他四个基准站均在2016年下沉比较严重,2019—2021年期间基准站沉降趋势明显减弱,其中CHAO站在2021年水准测量成果中抬升4 mm,NLSH站从2018年开始一直以8 mm/a的速度做抬升运动,XIJI站处于北京市沉降区内,保持下沉趋势,但运动速度明显减缓。图3也从侧面反映出北京市“海绵城市”绿地建设的有效成果。坚持生态为本、自然循环,增强城市绿地海绵体功能,采取严格限制地下水开采、南水北调的工程等措施从一定程度上缓解了北京市区域沉降的趋势,取得了良好的整治成果。
图3 GNSS高差与水准高差对比
4 结束语
本文对北京CORS基准站2012—2021年的数据进行了处理,获取了5个基准站高程基准变化的时间序列,结合了近6年来北京市水准测量情况,得出以下结论：
(1)CORS站垂直方向运动普遍存在明显的周期变化。
(2)将CORS站数据解算的高差结果与传统水准测量的结果相比较,虽然部分测站的GNSS结果与水准成果具有一定的差距,但GNSS高差与水准高差的趋势项相似度较高,验证了利用CORS站获取垂直方向的准确性。
(3)地面沉降对北京城市建设和基础设施造成了隐患,北京市采取严格限制地下水开采、北京市“海绵城市”绿地建设、南水北调的工程等措施从一定程度上缓解了北京市沉降的趋势,取得了良好的整治成果,以CHAO站、NLSH站尤为明显,甚至出现了抬升的趋势。
参考文献
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[10] 王斌,胡伍生.CORS站点高程坐标时间序列分析[J].现代测绘,2016,39(1):26-28,32.
引文格式: 任政兆,朱照荣,张锡越,等.北京市沉降区CORS站高程基准变化分析[J].北京测绘,2022,36(2):173-177.
基金项目：国家重点研发计划(2016YFF0201300)
作者简介：任政兆(1994—)，男，山东烟台人，硕士，助理工程师，从事GNSS数据处理工作。E-mail:363730386@qq.com
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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