高时空分辨率地面沉降监测体系研究与实现

2015-05-08张杏清谢荣安戴吾蛟周元华匡翠林

测绘通报 2015年7期

关键词：水准数据处理分辨率

张杏清，谢荣安，戴吾蛟，周元华，匡翠林

(1.广东省地质测绘院，广东广州 510800； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)

高时空分辨率地面沉降监测体系研究与实现

张杏清1，谢荣安1，戴吾蛟2，周元华1，匡翠林2

(1.广东省地质测绘院，广东广州 510800； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)

珠江三角洲地质环境条件复杂，受多种因素影响，平原区已经产生严重地面沉降地质灾害，是我国四大重点沉降区之一。探索一种应用InSAR、GPS、精密水准高效协同监测和相关监测资料精密处理、高效融合的理论、技术与方法，建立高时空分辨率的地面沉降监测体系成为当务之急。本文针对广州南沙试验区开展的高时空分辨率沉降监测体系的研究实践，研究了融合的理论、技术和方法，并得到成功应用，具有很强的推广意义。

地面沉降；形变监测；InSAR；GPS；水准测量

一、引言

地面沉降是一种缓变性、不可逆的地质灾害,已经成为影响珠三角地区经济社会发展的重要因素，因此，开展区域性地面沉降监测为政府和社会制定防控措施提供技术支撑显得尤为迫切。长期以来，地面沉降监测一般依靠定期的水准测量，受经费、人力和通视条件的限制，水准测量通常布点少，水准路线稀疏，监测周期长，时间和空间分辨率都很低，很难捕捉到沉降最严重的区域及划定沉降发生的范围，已经难以满足现代防灾减灾对地面沉降进行快速和大面积监测的需求。随着GPS和InSAR等现代卫星观测技术的发展和进步，GPS已可提供监测点高时间分辨率的三维地表形变序列，但空间分辨率低；InSAR可以提供高空间分辨率的地面沉降结果，但时间分辨率低。因此，单一的水准、GPS或InSAR等地面沉降监测技术难以同时获取珠江三角洲地区高时空分辨率的地面沉降信息，从而极大地影响了该地区地面沉降时空演化规律的分析和时空预报模型的建立。为此本文提出了应用InSAR、GPS、精密水准高效协同监测和相关监测数据精密处理、高效融合的理论、技术与方法研究，为建立高时空分辨率的地面沉降监测体系提供理论基础。

二、监测体系总体技术框架

针对单一地面沉降监测技术难以同时获取高时间和高空间分辨率的地面沉降信息的缺点，研究InSAR、GPS、精密水准等多种观测手段协同监测获取地面沉降的理论、技术与方法。其总体思路如图1所示。

图1 监测体系总体技术框架

三、监测体系设计与实现

1.监测体系设计目标

通过研究突破复杂环境下高精度地面沉降信息获取、分析、建模的关键技术，建立高时空分辨率的地面沉降监测体系，提出地面沉降监测的最优化方法，为广东省珠三角及周边地区的地面沉降地质灾害的分析、判别、预报、预警提供技术基础，不仅能够体现主动防灾减灾的时效性与准确性，而且能够发挥良好的社会效益和经济效益。主要内容包括：①InSAR与水准协同监测提高地面沉降信息的空间分辨率；②InSAR与GPS协同监测提高地面沉降信息的时间分辨率；③研究建立高分辨率地面沉降监测体系示范区。

2.监测试验区的选取

通过调查和分析，广州市南沙区万顷沙、新垦及邻近中山浪网一带，位于珠江口西北岸，地理位置独特，区内江环水绕，河网纵横，地势低平，地质单元属于海陆交互相沉积前缘，在河口周边的平原区第四纪更新世至全新世沉积了厚达数米至数十米的松软土层，淤泥和淤泥质软土层分布广泛，且以万顷沙地区的松软土层较具有典型性和代表性，加上这一地区经济高速发展，人类工程活动强烈、地面沉降地质灾害较发育，地面沉降非常明显，特别是沿河区域的地表下沉较为严重，平均速率达到了20～30 mm/a，对房屋、交通、水利及地下管线等设施造成了较为严重的破坏。试验区域范围地理位置东经113°23′—113°39′，北纬22°34′—22°45′，如图2所示。

图2 试验区位置

3.监测体系的设计

根据地面沉降监测技术规范要求，在试验区范围500 km2内，按研究任务同时实施，其中水准监测网及GPS自动化监测网的布设以已有的InSAR监测成果作为优化设计的参考。首先分别建立GPS监测网、水准监测网，并选取试验区InSAR数据及制定数据处理方法。InSAR监测范围包括整个试验区域500 km2，水准监测范围为200 km2，设计为二等水准测量精度。GPS监测范围为100 km2，采用单双频混合连续自动化监测。采用德国TerraSAR-X卫星数据作为InSAR资料来源，共收集11期南沙地区TerraSAR-X数据。

4.监测体系实现

在南沙试验区建立了3种方法的监测网，如图3所示。

图3 监测网布置图

其中二等水准监测网埋设水准监测点68个，监测点平均密度为2公里1个，点位埋设于地面下，分布于建筑区、道路、内河堤岸、田间的塘基、田基等处，可以代表各种地形及地类情况，自2011年11月至2013年12月共完成三期二等水准测量观测。GPS监测范围为100 km2，共布设11个监测站(其中双频4个站，单频7个站)，包含2个基准点。监测标志有2个设置于建筑物顶的监测墩，设备包括大理石底座、混凝土圆柱、GPS接收机、太阳能供电系统和数据通信系统；9个设置为土层监测点，设备包括混凝土底座、不锈钢监测杆、GPS接收机、太阳能供电系统和数据通信系统。采用单双频混合连续自动化监测，数据更新频率为1 d，数据传输采用GPRS无线数据传输，实现无人值守自动化监测(如图4所示)。

图4 GPS及水准点监测标志

InSAR地面沉降监测平均每月1期，共监测24期。将GPS测量结果与水准测量结果进行分析比对，除去2个基准点和1个粗差点，计算其沉降速率差值最大为4 mm，并且与同期InSAR监测结果比较基本一致。表1是本项目开展的几种测量技术方法的比较。

表1 监测工作方法对应效益比较

从表中可以看出，水准测量方法精度最高，但成本高，而且周期长，难以及时反映地面沉降状况；采用GPS单双频技术方法可以少量使用双频接收机，大部分使用单频接收机，节约了设备的投入，而且能够获取较高精度的动态变化情况；采用InSAR技术虽然无法达到前两种方法的精度，但通过它们的观测结果对数据处理并加以改正可以较大地提高其精度，观测周期也较灵活，能够从宏观上全面掌握地面沉降状况，工作成本容易控制。如果融合它们各自的优点，建立新的监测系统，以GPS监测方法为主体，布设密度2～3 km，实时观测，以水准测量为基础，有可能的情况尽量选择水准和GPS点为同一个点，布设密度5～8 km，观测周期3～5年；以InSAR监测为辅，以一年1～2期全覆盖监测区域。高分辨率监测体系可以克服水准路线稀疏、监测周期长、时间和空间分辨率低，以及很难捕捉到沉降最严重的区域及划定沉降发生的范围等问题，利用卫星导航定位技术所提供的监测点高时间分辨率的三维地表形变序列，同时利用InSAR可以提供高空间分辨率的地面沉降结果，弥补了其空间分辨率低的不足，监测经费和人员投入会大幅减少，监测的时效性更佳，为地面沉降长期有效实施提供了条件，满足现代防灾减灾对地面沉降进行快速和大面积监测的需求。

四、关键技术

1.利用单双频GPS混合方法进行地面沉降监测技术

(1) 监测系统结构

单双频GPS混合监测系统由数据接收、数据传输及数据处理3大部分组成，其基本结构如图5所示。即监测站与参考站的硬件配置是相同的，由GPS天线、GPS传感器、天线电缆、GPRS Modem、电源(采用太阳能或UPS)组成。数据通过GPRS可直接发送至已连接互联网的计算机系统上，通过计算机上的数据采集、处理、管理及分析软件自动提供地面沉降信息。

图5 单双频GPS混合地面沉降监测系统

系统数据流程为：首先通过数据接收部分接收GPS数据；然后通过数据传输模块将数据发送到已经连接互联网的计算机系统上，该计算机系统即为数据处理中心，装有数据采集、数据处理及数据管理软件，实现数据采集和处理的全自动化，得到监测点的地面沉降信息；最后通过基于Web的数据管理软件，实现地面沉降监测结果信息的远程查询、数据下载等服务。

(2) 数据处理

数据处理通过自主研发的地面沉降信息管理Web系统实现监测点信息、监测结果及监测设备状态等信息的Web管理，其数据处理流程为：首先将实时采集的GPS原始观测数据转换为RINEX格式观测数据文件，同时通过软件自动下载相应的IGS站观测数据和精密星历等数据；然后通过专门开发的单双频地面沉降监测基线解算软件获得基线结果，经过相应的坐标转换后计算获取沉降信息；最后将沉降信息数据存入数据库并对沉降序列进行可视化。

(3) 监测结果分析

从数据处理结果来看，双频点的WRMS值都优于以往全国GPS网处理中的重复性3.7～4.0 mm的结果，说明解算精度已经很高了，单频点的WRMS均值4.0 mm，表明单频点的解算精度整体要比双频精度低。

2.单双频组网的高精度变形监测电离层改正技术

采用双频接收机可以通过电离层组合的方式消除电离层一阶项的影响，残余的高次项误差可以忽略，而单频接收机无法通过此方法直接消除电离层误差。因此可以在变形监测网络中的基准站布设双频接收机，监测站布设单频接收机，采用双频基准站观测数据生成大气延迟误差改正项，用于改正监测站点的单频观测数据，以此可以达到双频机的精度，节省监测设备费用的投入。

3.基于GPS大气延迟时空延拓的InSAR水汽改正技术

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)中大气延迟误差的去除，一直是InSAR研究的热点和难点，目前很难从SAR数据本身进行改正，比较直接的方法是利用同步的外部水汽数据作差分去除。利用GPS水汽数据改正InSAR大气延迟影响，GPS观测网的低空间分辨率是改正效果的主要限制因素，本项目研究基于GPS大气延迟时空延拓的InSAR大气改正技术，基本解决了这一难题。

4.InSAR、水准及GPS融合数据处理技术

数据融合方法是通过综合InSAR手段高空间分辨率、水准手段高精度及GPS手段高时间分辨率的优点，获取最优的动态沉降场模型，并估计沉降参数。该方法主要包括以下步骤：

(1) 利用PSI技术获取高分辨率InSAR沉降序列场

考虑到研究区内以覆盖密集植被的农业区为主，因此采用永久散射点技术对SAR干涉影像进行处理，其基本思想是仅利用在整个观测时段内表现出稳定的散射特征的点目标来估计其形变速率，以降低失相干所引起的误差。

(2) 水准资料、GPS成果与PSInSAR结果融合

经过水准资料校正后的PSInSAR形变场具有较高的空间分辨率，而GPS结果则具有较高的时间分辨率。为了同时获取高时空分辨率的形变场，必须对GPS和PSInSAR结果进行融合。在InSAR结果提供的监测地区沉降范围、趋势和量级等先验信息的基础上，对高时间分辨率的GPS离散点形变结果进行空间插值，同化GPS和PSInSAR的空间分辨率。在此基础上，通过Kalman滤波模型构建高时空分辨率地表沉降序列场。

五、结束语

建立科学合理的沉降监测体系，获取珠江三角洲地区高时空分辨率的地面沉降信息，是政府及社会制定预防措施、防灾减灾的重要技术支撑。在政府财力有限的情况下，大范围的监测必须满足相应的技术要求，同时要求投入最少。随着我国BDS的建设和完善，技术水平的提升，北斗应用产业化发展步伐正在加快，应用于监测型的接收终端设备、数据传输网络、数据处理分析软件系统、数据管理系统等软硬件已经非常成熟，产业化程度高，成本低效益高，适合大范围推广应用。以试验区监测体系的成功经验，建立基于BDS的地面沉降自动化监测，以精密水准测量、InSAR监测为辅的高时空分辨率监测体系，能够充分发挥3种监测技术和方法的作用，达到效益最大化，实现了良好的社会效益和经济效益，具有较高的研究和推广价值。

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Research and Realization of High Spatiotemporal Resolution Ground Subsidence Monitoring System

ZHANG Xingqing，XIE Rongan，DAI Wujiao，ZHOU Yuanhua，KUANG Cuilin

张杏清，谢荣安，戴吾蛟，等.高时空分辨率地面沉降监测体系研究与实现[J].测绘通报，2015(7)：68-71.