沿海沉降变化GNSS定位及GNSS-IR组合监测_王笑蕾.pdf
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1、 第5 2卷 第1期测 绘 学 报V o l.5 2,N o.1 2 0 2 3年1月A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c aJ a n u a r y,2 0 2 3引文格式:王笑蕾,牛紫瑾,何秀凤,等.沿海沉降变化GN S S定位及GN S S-I R组合监测J.测绘学报,2 0 2 3,5 2(1):3 2-4 0.D O I:1 0.1 1 9 4 7/j.AG C S.2 0 2 3.2 0 2 1 0 4 1 4.WANGX i a o l e i,N I UZ i j i n,HEX i u
2、 f e n g,e ta l.M o n i t o r i n go f c o a s t a l s e d i m e n t a t i o nc h a n g e sb a s e do nGN S Sa n dGN S S-I RJ.A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,2 0 2 3,5 2(1):3 2-4 0.D O I:1 0.1 1 9 4 7/j.AG C S.2 0 2 3.2 0 2 1 0 4 1 4.沿海沉降变化G N S S定位及G N S S-I R组合监测王
3、笑蕾,牛紫瑾,何秀凤,李润川河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京2 1 1 1 0 0M o n i t o r i n go f c o a s t a l s e d i m e n t a t i o nc h a n g e sb a s e do nG N S Sa n dG N S S-I RWA N GX i a o l e i,N I UZ i j i n,H EX i u f e n g,L IR u n c h u a nM o n i t o r i n go f c o a s t a l s e d i m e n t a t i o nc h a n g e sb
4、 a s e do nG N S Sa n dG N S S-I RWA N GX i a o l e i,N I UZ i j i n,H EX i u f e n g,L IR u n c h u a nS c h o o lo fE a r t hS c i e n c e sa n dE n g i n e e r i n g,H o h a iU n i v e r s i t y,N a n j i n g2 1 1 1 0 0,C h i n aA b s t r a c tA b s t r a c t:C o a s t a ls e t t l e m e n tm o n
5、 i t o r i n gu s u a l l yu s e st h eG l o b a lN a v i g a t i o nS a t e l l i t eS y s t e m(G N S S)p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y t om e a s u r ea tp r e s e n t.H o w e v e r,i to n l y r e f l e c t s t h es e d i m e n ts e t t l e m e n tb e l o wt h es t a t i o nb a s e,a n
6、d t h es e t t l e m e n t i n f o r m a t i o na b o v e t h es t a t i o nb a s ec a n n o t b eo b t a i n e d.I nc o a s t a l a r e a s,s e d i m e n t sa c c u m u l a t e r a p i d l y,a n ds e t t l e m e n t c h a n g e sg r e a t l yu n d e r c o m p a c t i o na n da l l u v i u m.T h e r
7、 e f o r e,i t i sn e c e s s a r y t om o n i t o r t h es e t t l e m e n ta b o v et h eb a s e i no r d e r t oo b t a i nt h eo v e r a l lc o a s t a l s e t t l e m e n ti n f o r m a t i o n.W i t h t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fG N S S,an e wG N S Si n t e r a c t i v er e
8、 f l e c t o m e t r y(G N S S-I R)t e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e dt ob ea b l e t ou s em u l t i p a t he f f e c t f o r r e f l e c t o rh e i g h tm o n i t o r i n g.B e c a u s et h eb a s eo fG N S Ss t a t i o n i sd e e pa n dt h eb a s e l e n g t h r e m a i n su n c h a n g e
9、d,t h eg r o u n dh e i g h t c h a n g eo b t a i n e db yG N S S-I Rt e c h n o l o g yc a nr e f l e c tt h es e t t l e m e n ta b o v et h eb a s e.T h e r e f o r e,t h ep a p e ru s eG N S S-I Rt e c h n o l o g yt om e a s u r e t h e s u b s i d e n c ec h a n g e sa b o v e t h eb a s e;A
10、t t h e s a m e t i m e,t h e s e t t l e m e n t b e l o wt h eb a s ec h a n g e i so b t a i n e db yu s i n gG N S Sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y,a n dt h e nt h et o t a ls e t t l e m e n tc h a n g ei so b t a i n e db yu s i n g G N S S-I Ra n d G N S Sp o s i t i o n i n gt e c h
11、 n o l o g y.T h e M i s s i s s i p p iR i v e rD e l t a w i t hl a r g es e d i m e n t t h i c k n e s si ss e l e c t e da st h et e s ta r e a,a n dt h ed a t ao fF S H S,G R I Sa n d M S I Ns t a t i o n sa r es e l e c t e d f o ra n a l y s i s.T h e r e s u l t s s h o wt h a tG N S S-I Rc
12、 a nb eu s e d t om e a s u r e t h es e t t l e m e n t r a t ea b o v e t h eb a s e,a n d t h ec o r r e c t e dt o t a l s e t t l e m e n t r a t ei se q u i v a l e n t t ot h er e l a t i v es e al e v e l r i s er a t e,w h i c hc a nb e t t e r e s t i m a t e t h e f l o o ds u s c e p t i
13、 b i l i t ya n d l a n d l o s s.K e yw o r d sK e yw o r d s:G N S S-I R;G N S Sp o s i t i o n i n g;c o a s t a ls e d i m e n t a t i o nc h a n g e s;s u b s i d e n c ec h a n g e sa b o v et h eb a s e;t o t a l s e d i m e n t a t i o nc h a n g e sF o u n d a t i o ns u p p o r tF o u n d
14、a t i o ns u p p o r t:T h eF u n d a m e n t a lR e s e a r c hF u n d s f o r t h eC e n t r a lU n i v e r s i t i e s(N o.B 2 0 0 2 0 2 0 1 5);T h eN a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(N o.4 2 0 0 4 0 1 8);T h eN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no f
15、J i a n g s uP r o v i n c e(N o.B K 2 0 1 9 0 4 9 6)摘 要:目前沿海沉降监测通常用全球导航卫星系统(G N S S)定位技术测量,然而其反映的是站点基底下方的沉积物沉降情况,对于站点基底以上的沉降信息则无法获知。而沿海地区由于冲积作用,沉积物快速堆积和压实,沉降变化较大。因此,需要对基底上方沉降进行监测,才能获得沿海整体沉降信息。随着G N S S的不断发展,G N S S-i n t e r f e r o m e t r i c r e f l e c t o m e t r y(G N S S-I R)技术被证明可以利用多路径效应进行
16、反射面高度监测。由于G N S S站点基底较深,且基座长度不变,通过G N S S-I R技术获得的地面高度变化,可以反映基底上方沉降情况。因此,本文利用G N S S-I R技术来测量基底上方沉降变化;同时,利用G N S S定位技术获得基底下方沉降变化,再综合利用G N S S-I R及G N S S定位技术获得整体沉降变化。本文选取沉积厚度较大的密西西比河三角洲作为试验地区,选取F S H S、G R I S和M S I N测站数据进行分析,相关算例结果表明:G N S S-I R可以用来测量基底上方沉降速率,改正后的整体沉降速率与相对海平面上升速率相当,可以更好地估计洪水易发性和陆地损
17、失。第1期王笑蕾,等:沿海沉降变化G N S S定位及G N S S-I R组合监测关键词:G N S S-I R;G N S S定位;沿海沉降变化;基底上方沉降变化;整体沉降变化中图分类号:P 2 2 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-1 5 9 5(2 0 2 3)0 1-0 0 3 2-0 9基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(B 2 0 0 2 0 2 0 1 5);国家自然科学基金(4 2 0 0 4 0 1 8);江苏省自然科学基金(B K 2 0 1 9 0 4 9 6)在地面沉降与全球海平面上升的共同作用下,部分沿海地区相对海平面上升速率达到平均海平面上升速率
18、的2倍,导致沿海地区洪水频发、湿地丧失、盐水入侵、海岸线侵蚀、人员伤亡、经济损失等,因此对沿海进行沉降监测十分必要1。目前最常使用的沉降监测方法是全球导航卫星系统(g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m,GN S S)定位技术。GN S S定位获取的数据包括天线相位中心的三维坐标序列等,其中垂直分量可以反映较为基底下方的沉积物厚度的变化,包括冰川均衡前凹凸塌陷、生长断层运动和地下水抽取、矿区开采等人为运动2-4。GN S S测站都安装在建筑物顶部或桅杆上,基地一般深入地下23 0m,因此GN S S定位结果中的垂直坐
19、标分量反映的是测站基底下方的沉降变化。而由于海洋冲积效应,沿海地区基底上方的沉积物容易快速堆积,使得沿岸的沉积厚度出现较大变化。这类沉积物形成于地质时代的最新阶段全新世(距今约1 17 0 0a)。如果只根据GN S S定位结果的垂直坐标分量推算整体沉降,则会忽略基底上方沉降变化信息,导致低估了整体沉降和相对海平面上升值。因此,需要一种技术能够实现对基底上方沉降变化的监测,与GN S S定位技术相互配合,以实现整体沉降监测,对沿海安全及分析提供更好的保障。传统的基底上方沉降监测主要依靠杆表面高程表-标记层(r o ds u r f a c ee l e v a t i o nt a b l e
20、m a r k e rh o r i z o n,R S E T-MH)方法测量,该方法是采集沿海地表高程变化和垂直增生数据计算得到基底上方沉降速率5-6。由于该技术监测站点造价高,测站较少,使得基 底 上 方 沉 降 监 测 的 空 间 分 辨 受 限。随 着G N S S的发展,G N S S-i n t e r f e r o m e t r i cr e f l e c t o m e t r y(GN S S-I R)技术被证明可以进行反射面高度变化监测。GN S S-I R技术只基于传统的大地测量型接收 机 即 可 完 成 高 度 监 测,根 据 其 信 噪 比(s i g n a
21、 l-t o-n o i s er a t i o,S NR)中的频率特性,便可完成反射面高度变化监测,具有全自动、小成本、长期连续、框架固定等优势7-8。目前,GN S S-I R技术 已 经 用 于 海 面9-1 3、雪 面1 4-1 9、冻 土2 0、地面2 1的高度监测中。本文利用GN S S-I R技术进行基底上方沉降变化监测,同时结合GN S S定位技术进行基底下方沉降变化监测,实现对沿海整体沉降变化监测。利用GN S S定位进行沉降监测的技术已经相对成熟。文献2 2 利用连续1 0a的GN S S大地高与精密水准测量数据的对比研究,精度可达厘米级。文献4 利用GN S S精密定位
22、获取西安市地面沉降,说明地下水抽取和地面建设是影响地下变形沉降的主要因素。文献2 3 对比分析了GN S S和G R A C E得 到 的 地 表 垂 直 形 变,表 明GN S S和G R A C E垂直形变具有较好的一致性。文献2 4 利用包含GN S S在内的导航卫星数据对青岛验潮站沉降变化进行了分析,并结合沉降信息得出平均海平面的绝对上升速率。GN S S-I R高度变化监测技术则是始于1 9 9 3年。文献2 5 首次提出利用GN S S反射信号测量海面高度的设想。文献1 4 提出了较为完善的GN S S-I R测高原理和方法,并将其应用于雪深监测中。文献9 进一步改进了GN S S
23、-I R测高原理和方法,并将其用于海面高度监测中。文献2 0 利用GN S S-I R技术监测了冻土高度变化。文献2 1则利用GN S S观测数据初步验证了GN S S-I R具有 反 演 地 形 起 伏 的 潜 力。相 关 研 究 证 实 了GN S S-I R技术可以测量反射面高度变化,其具备对基底上方沉降变化的监测能力。目前,国内外已经有一些综合利用GN S S定位和GN S S-I R技术进行绝对高度变化监测的相关研究。文献2 6 采用GN S S定位方法测量陶波湖岸GN S S站点的沉降速率,并使用GN S S-I R技术测量湖面水位变化,将GN S S测量的两种方式相结合,得到陶波
24、湖绝对湖面高度的长期序列。文献1 5 利用GN S S和GN S S-I R对格陵兰岛雪深进行计算,同时得到冰川移动速度场和垂直方向变化的信息。本文综合利用GN S S和GN S S-I R技术,进行沿岸沉降变化监测研究,并采用基于最小二乘的线性拟合方法对沉降速率进行拟合,获得基底下方、基底上方和整体的沉降速率;相关原理详见第2节。算例使用密西西比河三角洲的测站数据进行沉降监测,同时使用路易斯安33J a n u a r y2 0 2 3V o l.5 2N o.1A G C Sh t t p:x b.c h i n a s m p.c o m那州 建 立 的 沿 海 参 考 监 测 系 统(
25、c o a s t w i d er e f e r e n c e m o n i t o r i n g s y s t e m,C RMS)提 供 的R S E T-MH基底上方沉降实测数据进行对比;相关算例分析详见第2节。1 沿海沉降监测原理世界范围内存在成千上万的G N S S连续跟踪站,这些跟踪站的基底一般较深,以起到维持框架的作用。以G N S S跟踪站基底为界,以上为基底上方沉积厚度,以下为基底下方沉积厚度,如图1所示。图1 沿海平原地层和GN S S测站F i g.1 T h es t r a t i g r a p h i ca n dt h e GN S Ss t a t
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