论文总字数：21081字

摘 要

随着GPS的飞速发展，目前人们正在积极的探索和推进GPS的一种新的运用—连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）。多年来的研究表明制约CORS发展的一大因素就是它的测量精度，而网络RTK的成熟和运用大大提高了GPS 的测量精度，推进了CORS技术的发展和成熟。CORS测量系统与传统测量相比有许多传统测量无法比拟的优势。

本文拟利用CORS系统的实时，动态，和方便快捷等特性对地表形变，特别是地表沉降进行观测，并建立相应的沉降模型并预测。通过预测数据验证CORS在用于地表沉降实时观测上的可行性和有效性。以下为我在本次研究中的主要内容：

1. 根据CORS数据建立CORS站点高程方向的时间序列预报模型并对相关数据进行预报，得出预报精度。
2. 建立多项式模型并对相关数据进行预报，得出预报精度。
3. 在前两种模型的基础上得出一种新的组合模型，并对相关数据进行预报，得出预报精度。
4. 比较三种模型的预报精度，验证组合模型的精度是否比单一模型有所提高。

关键字：

CORS,地表沉降，时间序列模型，多项式模型，组合模型。

Abstract

With the rapid development of GPS, now people are actively explore and promote a new use of GPS- Continuous Operational Reference System, abbreviations as CORS. Years of research shows that a major factor restricting the development of CORS is the measurement accuracy. The maturity and application of the network RTK greatly improve the accuracy of GPS, and promote the development and maturity of CORS technology. Compared with the traditional measurement, the CORS measurement system has incomparable advantages over it.

In this paper, the real-time, dynamic, and convenience of CORS system are used to observe the surface deformation, especially the surface subsidence ,and then establish the corresponding subsidence model and forecast. The feasibility and validity of CORS in real time observation of surface subsidence are verified by forecasting data. The following is my main content in this study:

(1)According to the CORS data, the time series modle of the CORS site elevation direction is established. the correlation data are forecasted and the forecast precision is obtained.

(2)To establish the polynomial model and predict the relevant data, and get the Forecast Accuracy.

(3) Based on the two models, a new combination model is derived, and the relevant data are predicted and the forecast precision is obtained.

(4) The accuracy of the three models is compared, and whether

the accuracy of the combined model is improved or not compared to the single model.

Key word:

CORS, Surface subsidence, Time Series Model, Polynomial model, Combined Model

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.2.3目前研究中的不足 4

1.3研究的主要内容 4

第二章 时间序列分析方法和原理 5

2.1时间序列概述 5

2.2 时间序列常用模型 5

2.3 平稳时间序列的数字特征 7

2.4时间序列模型建模方法 8

2.5本章小结 10

第三章 多项式模型的建模方法和原理 11

3.1 多项式概述 11

3.2 多项式建模的原理 11

3.2.1多项式建模的最小二乘方法 11

3.2.2 多项式原理 11

3.3多项式模型的建模过程 12

3.4 本章小结 13

第四章 CORS站点高程时间序列建模与预报分析 14

4.1对CORS数据的原始时间序列的分析 14

4.2时间序列模型的建模与预报分析 19

4.3 多项式模型的建立与预报分析 22

4.4组合模型的建立与预报分析 25

4.4.1线性组合预测模型的建模原理 25

4.4.2组合模型的建模与预报分析结果 26

4.5 本章小结 28

第五章结论与展望 29

5.1主要工作和结论 29

5.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

地面沉降监测即为测定地面高程随时间变化的工作。地球内部的各种物理和化学变化、人类开采矿藏或天然气、抽取地下水等均能引起地面高程发生变化。局部地区地面高程在短期内发生较大变化，对房屋、地下管道、道路、桥梁和水坝等基础设施有着严重的破坏作用。城市和工业区地面的持续下沉甚至危及整个城市和工业区的安全。地表沉降观测可以定量地了解地面点的高程随时间的变化量。

目前，传统的沉降观测方法为水准测量法，它的优点是精度高，可靠，稳定。传统的地表沉降观测方法的具体实施为在测区内选定一定量的水准点作为地面观测点，并埋设标志，同时在沉降范围外的稳定处设置适量的基准点，也可把基准点设在沉降范围内，但必须设法使基准点高程不受地表沉降影响。在一个测区内至少要设置3个基准点，以便通过联测验证其稳定性。从基准点出发用精密水准测量方法测定各观测点的高程。不同日期两次测得同一观测点的高程之差，即代表地面高程在这两次观测期间的变化。根据大量的地表沉降观测数据，可以分析沉降规律，预计地表沉降的发展趋势，以便对沉降区域的各种人类活动做出有有效的指导。而随着我国城市化建设的迅速发展，城市人口越来越多，人们对城市的开发力度也越来越大，如地铁建设、地下水资源和矿产的开采等，这会对地表产生很大的影响，地面沉降作为地质灾害的一种主要类型，日益威胁着社会经济建设的安全。因此必须对地表进行大量的实时的沉降观测，以便于随时掌握地表的变形情况，避免对人们的生产生活产生危害。这时传统沉降观测的观测时间长、作业量大，观测受地形、气候等外界因素制约较大等一系列的缺点就暴露出来了。因此有必要采用新的监测方法来代替传统方法。近几年来随着gps技术和网络技术的发展，连续运行卫星定位系统（cors）正在完善它在测量精度等方面的不足，并有发展成为地表沉降监测的主要方法的趋势。

建立CORS网，可以对工程建设和多灾地区的变形进行实时、有效、长期的监测，可以对灾害进行快速预报。CORS对于重要建筑物倾斜，水库坝体的沉降变形和区域地面沉降等进行监测，是通过对监测对象设立足够数量的GPS观测点，采用CORS不间断的传递数据，用处理后的数据计算变形量，对此后变形进行预报分析，然后把不利的，可能引发灾害的变形数据及时提供给相关的决策层以采取有效的预防措施。减小甚至消除由于地表变形而带来的经济损失。

另一方面，从观测的可靠性上来看，CORS相对于传统的沉降观测更加可靠。由传统沉降观测方法可知，沉降观测在测区内要设立多个基准点，而这些基准点大多都暴露在外，虽然国家相关规定说明在没有相关单位的允许的条件下，不能随意破坏基准点，但由于缺乏相关的保护措施，这就导致了基准点遭到破坏，从而导致基准点高程发生变化，而这些基准点得出来的沉降观测数据就会与真实的沉降量而有所出入，从而导致误判，造成沉降预警不到或过度预警而导致不必要的浪费。虽然各个地区的测绘部门尽量避免这一现象的发生，经常对这些基准点进行重新补测布设，但这个过程不但耗时耗力，而且是一个治标不治本的方法，不能根除这类问题。而CORS系统不需要布设很多的基准点，只需要在一定地区范围内建立有限数量的基准站，重点保护这些基准站就可以避免起始数据的正确性，只要精度满足要求，就可以进行沉降监测。

CORS可以用于大范围内的地形监测，并且方便快捷，这是传统沉降观测方法所不能比拟的一点。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

（1）Langbein J.(1997)对双色电子测距仪的观测数据的误差特性进行了分析，给出了白噪声加随机漫步噪声的频谱分析结果和最大似然函数解；

（2）Jie Zhang(1997)分析了南加州GPS阵列两年的坐标时间序列，因为时间序列较短，所以未能分解FLICKER噪声和随机漫步噪声的影响；

（3）Mao(1999)对全球分布的23个测站GPS时间序噪声进行分析，认为GPS时间序列以白噪声和FLICK噪声为主，从分析结果中可以看出GPS三维坐标高程方向时间序列噪声比水平方向的大，起周期变化特性更为明显。

（4）Luca Ostini(2007)通过对全球230个IGS进行功率谱分析，发现大部分测站不仅存在年周期和半年周期，同时存在更短的周期。

由于当时条件的限制，以上部分学者未对GPS高程测量时间序列的噪声特性作深入的分析，影响了测站高程变化监测结果的可靠性。

（5）日本最早建立GPS观测网络并将其运用在地壳断层监测的国家。该网络位于日本的关东—东海地区，可以进行毫米级精度的观测。并且该GPS观测在上世纪90年代中期对日本发生的部分火山和地震活动成功的做出了预测，减少了国家损失。在上世纪90年代中期，为了进行地震预测预报，日本又在南关东和东海区域建设了GPS跟踪站，站点之间平均距离15公里，该GPS控制网内所以基线水平方向的观测精度优于5mm，垂直方向的观测精度优于15mm。1995年1月，在GPS观测点布设稀少的地区发生了阪神地震，日本有关部门迅速做出反应，重新调整了GPS站点的布网格局，决定在全国范围内建立观测网络，该观测网络由超过600个GPS站点组成。目前该观测网络已超过1000个GPS站点，主要用于地震形变监测。

1.2.2国内研究现状

自从我国在上世纪90年代建立第一个GPS连续观测站以来，我国在GPS技术发展方面投入了大量的人力物力，连续观测站的数目也在以一个飞速发展的态势在增加，国内在多年的观测中积累了大量的GPS观测数据，其中人们对GPS高程时间序列的噪声给予了高度的重视，对高程时间序列的周期性的分析也变得尤为重要。以下是国内一些学者的分析：

(1) 符养（2002）首次给出了约200个基准站高程非线性运动的精密结果，首次发现地球整体地球高程方向存在周期性震荡运动（特别是半年振荡）；第一次发现GPS坐标时间序列存在准两周年周期运动；获得了目前为止最全的全球高程运动空间和时间分布信息。

(2) 杨强（2007）利用小波分析多分辨方法对全球的IGS连续跟踪站GPS高程分量进行分析，发现了GPS高程大都存在季节性变化，对季节性变化从极潮，海洋潮汐，大气压，基岩热膨胀，冰期回弹等多个地球物理因素进行了定性，并对大气压强的影响做了定量分析；

(3) 乔学军利用1999年3月之2002年3月期间“中国地壳运动观测网格”25个GPS基准站与周边国家IGS站的观测资料，进行了时间序列分析研究。结果表明，大部分GPS点位垂直分量的时间序列近似于正弦函数周期近似为1a，振幅为2-4cm，而水平分量的时间序列的周期性不明显。从而说明季节性的大气变化仍然是影响GPS高程精度的主要因素之一。

(4) 张鹏，蒋志浩（2007）等首先对高程方向进行功率谱分析，发现高程方向运动表现出明显的周期特性，有些点点在水平方向也具有周期特性，但是不明显；然后用多项式拟合法去掉高程趋势项，进行小波分析，发现大部分GPS点位垂直分量的时间序列近似于正弦函数，存在季节性变化，总结了产生季节性变化的地球物理因素，并未对其做定量分析。

(5)黄彦峰，王崇明（2009）介绍了南极洲和南极洲上的IGS跟踪站的概括，利用处理了的2006年和2007年的GPS观测数据，分析了坐标分量的时间序列及各站的运动趋势。

(6)韩英，符养（2003）对我国IGS站高程分量时间序列进行了谱分析和小波分析；用最小二乘法将时间序列的白噪声与有色噪声分离，并利用AR模型建模。通过分析，获得了我国部分IGS站的有色噪声特征。

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