黃河三角洲區域地表形變監測研究

韓紅花

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250013)

摘要：由于地殼運動、地下水使用及礦床開采等因素的影響，會造成地表的形變，特別是垂直(高程)方向影響更大。為了維持高程基準的現勢性，本文提出了一種以InSAR地表形變監測和水準測量相結合的方法，實現地表形變區高程基準動態維持。并以黃河三角洲區域為例，對2種成果精度進行了對比驗證，水準測量和InSAR監測結果基本相符，可實現2種技術手段融合以獲取點、面綜合的高程變化信息。

0 引言

地表形變是在自然或人為因素作用下，地表產生的升降、傾斜、錯動等現象。近年來地表形變已成為較為突出和重點防治的地質災害類型之一，存在發展空間大、發展趨勢強、地下流體采源深和影響因素復雜等特點，對工農業生產、城市建設、高速公路建設和運行等造成了一定的影響[1-2]。另外地表形變會造成測繪基準成果的可靠性變差，影響測繪基準的應用服務。

地表形變監測早期主要以水準測量為主，通過布設水準點獲取整體區域的地表形變情況，這種方法雖然精度較高，但是工作量較大，效率較低。近年來，隨著合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)的發展，可以快速獲取大范圍的地表形變信息，該技術已得到廣泛的應用。為滿足經濟社會發展的需要，維持測繪基準體系的現勢性，本文提出了一種基于InSAR和水準測量2種手段實現地表形變監測的方法。

1 研究思路和技術方法

本文以黃河三角洲典型區域為研究區，探討了基于InSAR和水準測量2種手段實現地表形變區域的高程基準動態維持[3-4]，對比分析2種手段的差異，測量完成后，對比已有水準測量成果，分析獲取地表形變情況。同時，參考同期獲取的InSAR地表形變量成果，驗證兩期水準數據獲取的地表形變情況的可靠性，展望建立水準測量和InSAR結合的地表形變監測方法，以進一步推進地表形變區高程參考框架的動態維持工作，將InSAR和水準測量多源信息應用到高程基準維持中[5-6]，具體技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

2 InSAR地表形變監測

本文采用基于相干目標的時序InSAR技術，利用InSAR形變監測軟件系統SARProZ對各數據集進行時間序列差分干涉分析[7-9]，根據數據情況，采用相應算法及模型精確拆分干涉相位中的形變、高程和大氣等分量，進而轉換為地面形變量，最后進行數據融合，生成研究區域的地表形變監測圖。本文采用哨兵1號數據，以升軌數據為主，降軌數據為補充。PS-InSAR技術優勢為可以消除地形、基線與大氣等誤差因素的影響，使得形變監測的結果更加精確(毫米級)，實際上就是通過不斷的迭代反演和不同的濾波手段，逐步消除誤差，逼近真值的過程[10]。PS-InSAR的技術流程如圖2所示。

圖2 PS-InSAR數據處理流程

3 二等水準測量

3.1 水準路線布設情況

水準測量基于1985國家高程基準，使用數字水準儀進行觀測，水準路線布設在地表形變區，同時包含非形變區一等基巖水準點和CORS基巖站，與水準施測路線一起閉合成環。其中，當舊水準點存在過于靠近永久性建筑物、遮擋、不穩固等不能觀測和使用時，在原點位附近布設臨時水準點[11-13]。具體路線見圖3。

圖3 水準路線及水準點分布情況示意圖

3.2 水準觀測要求

(1)在水準觀測前先進行儀器自檢。水準觀測過程中，每天開測前進行i角測定，保存于儀器及觀測手簿中，保證新測定i角與原有i角值比較，相差在±3.0s內，每天檢校標尺上圓水準器的居中情況，并采用紙質表格記錄[14-15]。

(2)每一測站的觀測方式以及技術指標均嚴格按照水準測量規范中相關規定執行，保證每一測站經檢核合格后方進行遷站。觀測過程中，按照水準測量規范要求，實時依據測站當前實際情況記錄儀器成像、云量、太陽方向、風速、風向、道路、土質等信息。為保證成果質量，觀測自然條件較差時當天不進行觀測[16-18]。

(3)水準觀測需要間歇時，優先選擇在固定點上做間歇。

(4)每日觀測結束后下載導出水準觀測成果，檢查數據的完整性，如圖4所示。

圖4 測段文件編輯處理

(5)每個水準區段測量結束后，立即檢查區段測量成果的往返測高差閉合差是否在限差要求范圍內。

3.3 水準數據處理

外業實測結束后，先進行水準觀測數據的正確性與一致性檢驗：

(1)檢查水準數據的完整性。

(2)檢查按路線累計往返觀測高差、測站數、距離等關鍵數據。

(3)檢查二等水準路線的往返高差不符值及每千米水準測量的偶然中誤差：

(1)

式中：Δ為毫米為單位的測段往返測高差不符值；R為以千米為單位的測段長；n為測段數。

水準數據經過數據正確性與一致性檢核后進行數據處理，加入正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮改正和環閉合差改正，完成最終的水準數據解算，每千米高差全中誤差為±1.3472mm，平差后最弱點高程中誤差為19.07mm，符合二等水準規范的限差要求。

4 二等水準測量成果與InSAR監測成果的對比分析

根據上述處理過程，獲取研究區域內的二等水準成果和InSAR地表形變監測成果，對比2015年水準成果，發現測區地表發生了不同程度的形變，地表形變以地表沉降為主，部分發生了地表抬升。本文利用兩期水準高差結果去驗證InSAR地表形變結果[19-20]，具體如下：

(1)首先選取均勻分布于研究區域的水準點，本文共選擇499個點作為后續精度驗證。

(2)在InSAR監測成果基礎上，以上述選擇點位為中心，在基于InSAR形成的地表形變等值線區域中內插獲取當前點位的InSAR形變值。

(3)計算水準成果和InSAR成果的差值，統計結果見表1。

表1 水準與InSAR獲取的地表形變量差值

通過表1可得，大部分標志點形變量的不符值在3cm之內，絕大多數標志點形變量的不符值在10cm之內，不符值大的主要原因是2種方法的標志點非嚴格意義的同名點(即不在同一位置)，2種技術方法獲取的地表形變量成果相符性較好。

5 結語

由于地殼運動、地下水使用及礦物開采等因素的影響，會造成地表的形變，特別是垂直(高程)方向影響更大，破壞測繪基準的穩定性。本文提出一種地表形變區域高程基準動態維持的思路，通過對研究區域內二等水準測量成果和InSAR成果的精度對比分析，得出2種成果的相符性較好，差別在厘米級精度，可實現基于水準和InSAR監測技術結合的點、面綜合的高程基準動態維持。