InSAR與水準測量在區域性地面沉降監測中的應用

垢元培 高孝敏 王 宇 吳曉偉

(河北省地礦局第二地質大隊 唐山 063000)

本文以唐山南湖生態城區域地面沉降監測項目為例，通過利用合成孔徑雷達干涉測量監測技術(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR。)、水準測量監測技術相結的手段進行沉降監測的研究，通過兩種方法的優勢互補，對采集到的監測數據進行系統分析，以探索地面沉降趨勢。

1 國內外研究現狀

1.1 InSAR技術

InSAR是一種應用于測繪和遙感的雷達技術，它是利用合成孔徑雷達對同一地區觀測的兩幅復數值影像(既有幅值又有相位的影像)數據進行相干處理，以獲取地表高程信息的技術。

20世紀90年代初，InSAR技術已經開始在全球及區域性地形測圖、大尺度地表形變監測中得到廣泛的研究和應用。全球地形測圖中，地震、地面沉降、滑坡、火山移動、冰川活動等地表形變監測是InSAR技術常見的應用領域。其中，尤以地質災害監測最為廣泛。近年來，為了開展全歐洲的地質災害調查與監測，ESA-GMES (Europe Space Agency，Global Monitoring for Environment and Security)使用了InSAR技術，有效的促進了InSAR技術在災害性地表形變監測中的應用。意大利于1992年至2000年間開展了覆蓋全國的地表形變遙感調查工作，目前已建立了InSAR數據庫，為開展大范圍區域性地表形變調查工作起到了很好的先導作用。

從20世紀90年代年起，我國研究人員開始涉足InSAR測量技術的應用研究。2005年起，我國國內陸續開展了以區域性地面沉降監測與調查為主的地質災害InSAR監測工程化應用工作。目前已完成了華北平原、長江三角洲等地面沉降區20多萬平方千米范圍的區域性地面沉降監測與調查，連續獲取了2004年至今的地面沉降監測成果，查明了主要地面沉降區的分布與發展過程，實現了重點城市、重要經濟區帶、重大基礎設施周邊及沿線的地面沉降連續精細監測。

經過近20年的發展，該技術已被廣泛應用于各類地質災害的監測與調查工作中。連續可靠的數據源和區域性地表形變災害監測與預報的需要促使了InSAR技術的迅速發展。隨著人們對地質災害、地面沉降和地震等方面災害的重視，InSAR監測手段越來越受到人們的重視，已成為地面沉降監測的主要手段。

但其仍存在很多缺點與不足，如：受地表施工干擾大、植被隨季節變化對精度影響大、沉降速率過大引起的相位失相干以及大氣對相位的影響等，由于InSAR自身的局限性，大大制約了其監測精度，輔助以傳統水準測量將更有利于區域性地面沉降監測。

1.2 水準測量技術

水準測量始于十九世紀，是一種傳統的地面沉降監測方法，流傳性極廣，此方法工藝簡單，但測量精度卻很高。隨著水準測量走向數字化，出現了數字水準儀和計算機平差方法，既節約了大量的人工，又有效的避免了在測量過程中出現的人為錯誤，使測量誤差得到有效控制，這樣既簡化了測量過程，又保證了測量精度，精度可達到毫米級，甚至0.1毫米級。

在目前的地面沉降監測工作中，它作為一種輔助監測手段，一般只在較長的時期內進行一次水準測量(以北京為例，區域水準測量工作以年為單位開展)，作為其他監測手段的檢核和補充。因為這種方法的工作量巨大，完成一次地區水準測量需要耗費很長時間，且成本較高。面對現如今地面沉降監測時間長、區域大、周期短、頻率高等要求，單一使用水準測量法進行地面沉降監測無法滿足工作需求，且不經濟。

2 選取的兩種測量方法的優點

InSAR干涉測量技術是基于雷達遙感的新型空間對地觀測技術，其監測地表形變不需要直接接觸地面目標，即使發生各種災害也可對地表進行觀測；它可以高精度地監測大范圍區域內微小的地面形變。InSAR作為一個全新領域，很好的突破了傳統地面沉降監測手段的束縛，具有監測范圍廣、精度高、連續性強、受天氣影響小、監測實施方便容易、成本相對低和安全性高等優勢。InSAR可以穿過各種大氣層，全天候、全天時獲取地球表面高程及形變信息，特別是其具有可達毫米級測量精度的潛能以及連續空間覆蓋的能力，可以進行長期的地表形變監測，現已成為一種極具潛力的空對地觀測技術，為地面沉降監測提供了強有力的技術保障，也為地面沉降監測提供了較大便利手段。

水準測量雖為傳統方法，但其觀測的精度高，觀測數據更加準確可靠。目前，在我國的地面沉降監測方法中最常用的就是水準測量，其優點包括施工過程相對簡單、前期投入小和人才儲備量少等，在施工過程中流程較簡單，其觀測精度能夠滿足地面沉降監測的要求。隨著電子水準儀和數字水準儀的快速發展，水準測量中人為造成的誤差越來越小，水準測量精度越來越高，同時也可有效剔除由人為原因造成的地表變化的影響，可有效回避由自然植被等造成地表形變的影響。

3 項目實證

3.1 項目概況

唐山南湖生態城區域地面沉降監測項目的工作區位于河北省唐山市中心城區南部，為地下煤礦經過長期開采活動形成，根據南湖生態城規劃區內工程建設布局特點，結合區域地質環境條件、采空區地面沉降現狀及采空區開采規劃狀況，最終劃定本次地面沉降監測工作區范圍為：北至南新道，東至復興路、唐柏路，南至津唐公路，西至沿胥各莊、新袁莊一線。其中京山鐵路縱貫全區，交通便利，地勢平坦開闊。整個工作區南北略長，東西略短，總面積約為28 km2。

3.2 采用方法

本項目采用InSAR、GPS和水準測量等多種技術手段，本文中主要闡述InSAR和水準測量相結合的方法進行沉降監測。

(1)InSAR數據的信息獲取

InSAR數據采用3 m分辨率的TerraSAR-X影像，監測地面沉降的精度能夠達到mm級。南湖生態城區域的面積約28 km2，3 m分辨率的TerraSAR-X影像的景幅寬為30 km，長為50 km，單景影像能夠完全覆蓋監測區域。本項目共計獲取監測數據24景，分兩次進行，每次12景，采用小基線集技術(SBAS-InSAR)進行SAR圖像的數據處理，由于項目區內植被覆蓋面積大、水域面積大，對重點監測區域再采用差分技術(D-InSAR)進行數據處理，作為SBAS-InSAR的補充。

(2)水準測量數據的獲取

根據項目測區的實際的地質條件、地下采空區分布和地下采空區開采及規劃開采情況，布設水準點點位，采用普通標石水準點，按照國家等級水準測量標準布設并實施測量。首先選取已有基準點，并在項目區周圍及內部地質條件穩定區域引測四個基準點，作為本項目的工作基準點，之后在項目區內埋設水準監測點75個。在測區進行測量時，以四個工作基準點為基準，并定期與基準點進行聯測，與測區內的水準測量監測點進行閉合環線的水準測量，最后做整體平差，得到水準測量的監測成果。通過對多期水準監測數據的對比，獲取沉降狀況。

3.3 數據分析過程

(1) 雷達數據的選取

項目分兩次選取雷達數據，每次12景，每景間隔大約1個月左右，由于項目區內植被覆蓋面積大、水域面積大，要求影像影像清晰、反差適中、顏色飽和、色調一致，并有較豐富的層次、能夠辨別與分辨率一致的細小地物影像，同時保證影像不模糊、不散焦。

(2) DEM數據收集。

DEM數據主要是用來去除地形對干涉相位的影響，地形誤差和DEM精度成正比，地形誤差越大，對干涉相位的影響越大，越不利于相位解纏。因此，要選用與項目要求相適應的DEM數據。

(3) 數據解譯

采用小基線集技術(SBAS-InSAR)進行SAR圖像的數據處理，數據解譯過程如圖1。SBAS-InSAR突破了InSAR觀測周期和空間、時間基線的限制，將D-InSAR單次離散的觀測連接起來，準確地獲取唐山南湖生態區的沉降序列圖，在數據分析過程中發現了多個沉降漏斗(由于數據的保密性不在附圖)，并對礦區沉降漏斗的時空發育狀況進行詳盡的時序分析，揭示礦區沉降漏斗的發展和演化情況(圖2)。

圖1 唐山南湖生態城區域地面沉降監測項目SBAS-InSAR方法流程圖

(4) 分析解譯數據

分別獲取平均形變速率數據和形變量的時間序列數據，平均形變速率數據是從第一景影像獲取到最后一景影像獲取期間每一位置上的平均形變速率，單位是mm/year；形變量的時間序列數據是每景影像獲取時期累積形變量，單位是mm。

(5) 水準測量數據獲取

采用水準測量手段進行監測，其過程包括基準點普查、基準點制作(選點、埋石)、監測點制作(選點、埋石)和水準測量等，通過多次觀測得到監測點點位的平均形變速率數據和形變量的時間序列數據。

(6) InSAR解譯

InSAR解譯數據與水準測量數據相結合，進行對比分析，利用兩種數據各自的優勢，取長補短，從而實現優勢互補。更好的了解、掌握監測區域內地面沉降的狀況。

圖2 唐山南湖生態城區域地面沉降監測項目某點沉降曲線圖

3.4 在地面沉降監測項目的應用效果

InSAR作為現代化的測繪地理信息手段，具有高分辨率和高精度的特點，為地面沉降監測提供了強有力的技術手段。通過InSAR監測可快速的獲取區域地面沉降數據，能更快、更好的了解區域地面沉降狀況，能更好的掌握全區域數據。水準測量既可以驗證InSAR數據的正確性，又可以對重點區域和沉降嚴重區域進行重點監測，同時通過對項目區內大量的水準點進行重復測量，可有效的彌補InSAR監測的不足，也可保障整體監測精度，兩種方法相結合可掌握全區域地面沉降狀況。經監測本項目區共劃分為四個漏斗區域，年下沉超過20 mm的區域達7 km2，為南湖地區經濟建設提供了技術支撐。

采用InSAR與水準測量技術相結合的方法進行區域性地面沉降監測，實現優勢互補，可以更加高效地反映區域性地面沉降狀況。

地面沉降監測的目的在于防控與治理，充分利用已有沉降監測與研究成果，結合項目區水文地質條件、工程地質條件和地表規劃布局狀況等，采用先進的InSAR技術和精度較高的水準測量技術相結合，可以更高效對區域地面沉降進行有效監測，從而達到健康診斷和預測預警的目的。

4 總結

本文描述了InSAR與水準測量相結合的方法進行區域性地面沉降監測，結合具體項目實例，詳細闡述了InSAR技術、水準測量技術在地面沉降監測項目中的優點，為沉降現象調查、沉降規律預測、基礎設施建設、地質災害防治和地震監測等領域提供強有力的數據支撐，從而實現高效了解區域性地面沉降現狀目的，為預測區域性地面沉降發展趨勢提供有力保障。

[1]黃燕.D-InSAR技術用于地表形變監測研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學碩士論文.2009.

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[3]肖勇.地面沉降監測技術方法的現狀與發展趨勢[J].地面沉降監測技術,2009(5).