GPS技术在地面沉降监测中的应用与分析

【摘要】近些年，在地表沉降、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等方面已得到应用，获得了令人满意的结果和精度，也给这一问题的解决，带来转机，为替代水准监测提供了可能。随着GPS定位精度的不断提高，尤其是高程分量精度的不断提高，为城市的建设和管理提供高效快捷的监测服务，提高城市地面沉降监测的效率。

【关键词】GPS；地面沉降；水准测量

一、地面沉降的原因

1、地质成因

从地质因素看，地面沉降大致有下列几种原因：构造活动形成的沉降；软弱土层对地面沉降的影响；强烈地震对地面沉降的影响；海平面上升对地面沉降的影响。

2、地下水开采引起面沉降成因

超量开采地下水是引起地面沉降的主要原因。在开采地下水过程中，因为水取自砂层，所以首先引起含水层水头的下降。由于砂性土与粘性土同处于一个体系中，所以含水层水头的下降不仅打破了原来的水动力条件，也破坏了地层原有的应力状态。起初上覆土层对地下一定深度某微元体所产生的荷载是由土颗粒和空隙水压力两部分共同承担的，随着含水层水头的降低，粘性土层中的孔隙水在压力差的作用下开始向砂层渗透排水，在排水过程中孔隙水的压力也逐渐降低。由于地层的总应力没有改变，所以孔隙水压力的降低值恰是土颗粒所承受的有效应力的增加值。在附加应力的作用下，土颗粒开始重新排列而被压缩，在地表则表现为地面沉降。

二、坐标基准及监测点的布设要求

1、坐标基准的选择

GPS直接测得的坐标属于WGS-84全球协议地心坐标系统，对于高精度的形变观测，可直接比较前后两期监测点相对于各基准点WGS-84坐标差来测定其位移的变形量。沉降监测采用基于WGS-84的独立高斯平面直角坐标系统，高程采用GPS大地高。

2、基准点和监测点布设要求

实施地面沉降三维监测之前，首先必须设置基准点及沉降测点。基准点的设置应满足以下基本要求：

远离地表变形区，同时要使地表变形区最远端的距离应在GPS的有效距离之内；基准点处地质结构应稳定，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；基准点周围不得有高度角超过10°的障碍物；基准点应设置强制归心标志；基准点周围100m范围内不能有强电磁干扰（比如无线电台、高压线、微波站、自动气象站等），也不能有导致多路径效应的GPS信号反射体（比如大面积水域、高大建、构筑物等）。

沉降测点设置应满足的基本要求：能全面反映沉降区的沉降特征（布点要均匀）；监测点应设置强制归心标志；能接收到足够的GPS卫星信号。

三、地面沉降的GPS静态监测研究

GPS技术可以直接测定地面点的三维地心坐标（X，Y，Z），并且可以非常方便的转换成三维大地坐标（B，L，H），其中B是大地纬度、L是大地经度、H是大地高。

1、正高、正常高、大地高与地面沉降

正高高程系统是以大地水准面为高程基准面，地面上任意一点的正高高程是该点沿铅垂线方向至大地水准面的距离。

2、GPS地面沉降监测试验技术方案

GPS应用于地面沉降监测从理论方面已得到解决，为了尽快的普及应用这一新技术，从而代替繁重的几何水准测量。

结 论

从理论上探讨了正高、正常高与大地高以及地面沉降量的关系，证明了由GPS和精密水准测量结果所获得的地面沉降量在理论上的一致性。并且在某种意义上讲由GPS所获得的地面沉降量更加合理，工作效率更高，因为GPS测定的大地高是一种纯几何量，而精密水准测量所获得的正常高受到大地水准面不平行性和地球重力场变化等若干因素的干扰。GPS应用于地面沉降监测的关键是GPS测定的大地高的精度能否满足地面沉降监测的要求。

参考文献

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