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基于GNSS技术的地面沉降监测方法研究【摘要】传统地面沉降多使用一、二等水准观测，存在观测周期长，费时费力，效率低下等问题。分析了正常高、大地高、沉降量之间的关系，提出了利用静态GNSS技术进行大范围地面沉降监测的方法。工程实践表明，只要采取合理的观测方法及必要的质量控制措施，GNSS可以满足地面沉降监测精度要求。【关键字】地面沉降监测，GNSS，精密水准，观测精度目前地面沉降已经成为一种普遍的环境地质现象，给城市的生活、建设、发展带来严重的危害，如何更加准确、快速的进行地面沉降监测是测绘工作者共同关心的课题。长期以来，城市地面沉降观测大多使用精密水准观测方法，该方法作业周期长、实时性差，以及系统误差积累等问题，又严重影响监测成果的可靠性与真实性；同时，根据已有数据统计，使用该方法，需要长距离的高程基准传递，增加了工作量，影响了观测精度。GNSS具有观测周期短、布网迅速、精度高、自动化程度高等优点，已经广泛应用于控制测量、变形监测等领域，且GNSS的高程分量精度的提高也越来越成为人们关注的热点问题。探讨基于GNSS的地面沉降监测方法，使人们从繁重的水准测量中解脱出来，提高城市地面沉降监测的效率，具有较高的应用价值。1基于GNSS的地面沉降监测原理众所周知，传统的精密水准测量得到的是正常高，而GNSS技术测量得到的是大地高，而城市地面沉降需要的成果是沉降量，分析不同高程系统之间的关系，如何消除不同高程系统间转换的误差，是使用GNSS技术进行沉降监测的基础。事实上，大地高与正常高之间满足下列关系式（1）在公式（1）中，H为大地高，h为正常高，为高程异常。如果在与两个不同时刻测定了沉降监测点的大地高，那么就有：（2）从公式（2）可以看出，当不考虑高程异常瞬时变化时，大地高变化量与正常高变化量完全等价，即（3）而大地高是一种纯几何量，与地球内部的物质分布无关，避开了大地水准面不平行性和重力异常变化等问题，比精密水准测量更合理。2基于GNSS的地面沉降监测方法2.1基准点及沉降监测点的布设GNSS地面沉降监测基准点应选择高等级（A、B级）GNSS控制点或区域CORS基准站作为基准点；为了提高可靠性，也可以新设基岩点作为基准点，新设基岩起算点需与国家高等级控制点联测。沉降监测点设置时，要充分收集已有沉降资料、工程地质资料、地下水开采资料等详细信息。为了能准确合理的反映地面沉降数据，需要结合以上资料综合分析，在合适的位置布设沉降监测点。新设基准点及地面沉降监测点均需满足GNSS及精密水准测量要求，远离无线电信号发射源及高压线、避开高大的建筑物及大面积水面、接收机天线平面15°以上无遮挡物等。同时，为了尽可能的减小GNSS的观测误差，新设基准点及地面沉降监测点均采用强制对中装置。2.2观测要求及数据处理由于地面沉降监测精度要求较高，外业观测时需满足GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》要求，按照C级GPS网要求进行，要求卫星高度截止角为15°，同时观测有效卫星数≥4，有效观测卫星总数≥6，观测时段数≥2，时段长度≥4h，采样间隔30s。观测时需认真记录测站信息。基线向量解算及平差计算使用天宝TBC（TrimbleBusinessCenter）软件。首先进行基线向量结算，解算前对原始观测数据进行预处理，剔除观测质量不好的数据，对不理想的解算成果采用改变卫星高度角、删除观测值残差比较大的时段、选取不同的参考卫星等方法进行干预，并重新解算。满足规范要求后进行三维无约束平差，三维无约束平差的目的是检查基线向量的内符合精度、系统误差和粗差，评定GPS控制网的内符合精度。最后以基准点为起算点进行约束平差，并进行相应的精度统计及检核，得到最终观测成果。根据精度统计结果，GNSS地面沉降监测各期成果基线向量解算及平差成果精度较高，基线比例残差、闭合环及约束平差最弱点精度完全可以满足GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》的精度要求，同时达到了项目技术设计的精度要求，成果质量稳定可靠。2.3GNSS沉降监测精度分析为了验证使用GNSS进行地面沉降精度的可靠性，选用部分沉降监测点第四期与第二期的二等水准沉降量与GNSS监测沉降量进行数据对比，见表1。从表1可以看出，GNSS与二等水准沉降量较差只有CJ08超过10mm，其余沉降监测点沉降量较差均小于10mm。由于直接使用GNSS大地高成果计算沉降量，消除了高程系统转换误差，同时采用强制对中装置，长时间观测，GNSS测量成果精度较高，可以较好的反映地面沉降趋势。3结论利用GNSS技术进行地面沉降监测，与传统精度水准测量方法相比，更加智能化，可以远距离不间断观测，劳动强度低，不需要长距离进行高程传递，在大范围地面沉降监测工作中优势明显。同时，在计算沉降量时直接使用GNSS