InSAR与水准测量在区域性地面沉降监测中的应用

垢元培 高孝敏 王 宇 吴晓伟

(河北省地矿局第二地质大队 唐山 063000)

本文以唐山南湖生态城区域地面沉降监测项目为例，通过利用合成孔径雷达干涉测量监测技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR。)、水准测量监测技术相结的手段进行沉降监测的研究，通过两种方法的优势互补，对采集到的监测数据进行系统分析，以探索地面沉降趋势。

1 国内外研究现状

1.1 InSAR技术

InSAR是一种应用于测绘和遥感的雷达技术，它是利用合成孔径雷达对同一地区观测的两幅复数值影像(既有幅值又有相位的影像)数据进行相干处理，以获取地表高程信息的技术。

20世纪90年代初，InSAR技术已经开始在全球及区域性地形测图、大尺度地表形变监测中得到广泛的研究和应用。全球地形测图中，地震、地面沉降、滑坡、火山移动、冰川活动等地表形变监测是InSAR技术常见的应用领域。其中，尤以地质灾害监测最为广泛。近年来，为了开展全欧洲的地质灾害调查与监测，ESA-GMES (Europe Space Agency，Global Monitoring for Environment and Security)使用了InSAR技术，有效的促进了InSAR技术在灾害性地表形变监测中的应用。意大利于1992年至2000年间开展了覆盖全国的地表形变遥感调查工作，目前已建立了InSAR数据库，为开展大范围区域性地表形变调查工作起到了很好的先导作用。

从20世纪90年代年起，我国研究人员开始涉足InSAR测量技术的应用研究。2005年起，我国国内陆续开展了以区域性地面沉降监测与调查为主的地质灾害InSAR监测工程化应用工作。目前已完成了华北平原、长江三角洲等地面沉降区20多万平方千米范围的区域性地面沉降监测与调查，连续获取了2004年至今的地面沉降监测成果，查明了主要地面沉降区的分布与发展过程，实现了重点城市、重要经济区带、重大基础设施周边及沿线的地面沉降连续精细监测。

经过近20年的发展，该技术已被广泛应用于各类地质灾害的监测与调查工作中。连续可靠的数据源和区域性地表形变灾害监测与预报的需要促使了InSAR技术的迅速发展。随着人们对地质灾害、地面沉降和地震等方面灾害的重视，InSAR监测手段越来越受到人们的重视，已成为地面沉降监测的主要手段。

但其仍存在很多缺点与不足，如：受地表施工干扰大、植被随季节变化对精度影响大、沉降速率过大引起的相位失相干以及大气对相位的影响等，由于InSAR自身的局限性，大大制约了其监测精度，辅助以传统水准测量将更有利于区域性地面沉降监测。

1.2 水准测量技术

水准测量始于十九世纪，是一种传统的地面沉降监测方法，流传性极广，此方法工艺简单，但测量精度却很高。随着水准测量走向数字化，出现了数字水准仪和计算机平差方法，既节约了大量的人工，又有效的避免了在测量过程中出现的人为错误，使测量误差得到有效控制，这样既简化了测量过程，又保证了测量精度，精度可达到毫米级，甚至0.1毫米级。

在目前的地面沉降监测工作中，它作为一种辅助监测手段，一般只在较长的时期内进行一次水准测量(以北京为例，区域水准测量工作以年为单位开展)，作为其他监测手段的检核和补充。因为这种方法的工作量巨大，完成一次地区水准测量需要耗费很长时间，且成本较高。面对现如今地面沉降监测时间长、区域大、周期短、频率高等要求，单一使用水准测量法进行地面沉降监测无法满足工作需求，且不经济。

2 选取的两种测量方法的优点

InSAR干涉测量技术是基于雷达遥感的新型空间对地观测技术，其监测地表形变不需要直接接触地面目标，即使发生各种灾害也可对地表进行观测；它可以高精度地监测大范围区域内微小的地面形变。InSAR作为一个全新领域，很好的突破了传统地面沉降监测手段的束缚，具有监测范围广、精度高、连续性强、受天气影响小、监测实施方便容易、成本相对低和安全性高等优势。InSAR可以穿过各种大气层，全天候、全天时获取地球表面高程及形变信息，特别是其具有可达毫米级测量精度的潜能以及连续空间覆盖的能力，可以进行长期的地表形变监测，现已成为一种极具潜力的空对地观测技术，为地面沉降监测提供了强有力的技术保障，也为地面沉降监测提供了较大便利手段。

水准测量虽为传统方法，但其观测的精度高，观测数据更加准确可靠。目前，在我国的地面沉降监测方法中最常用的就是水准测量，其优点包括施工过程相对简单、前期投入小和人才储备量少等，在施工过程中流程较简单，其观测精度能够满足地面沉降监测的要求。随着电子水准仪和数字水准仪的快速发展，水准测量中人为造成的误差越来越小，水准测量精度越来越高，同时也可有效剔除由人为原因造成的地表变化的影响，可有效回避由自然植被等造成地表形变的影响。

3 项目实证

3.1 项目概况

唐山南湖生态城区域地面沉降监测项目的工作区位于河北省唐山市中心城区南部，为地下煤矿经过长期开采活动形成，根据南湖生态城规划区内工程建设布局特点，结合区域地质环境条件、采空区地面沉降现状及采空区开采规划状况，最终划定本次地面沉降监测工作区范围为：北至南新道，东至复兴路、唐柏路，南至津唐公路，西至沿胥各庄、新袁庄一线。其中京山铁路纵贯全区，交通便利，地势平坦开阔。整个工作区南北略长，东西略短，总面积约为28 km2。

3.2 采用方法

本项目采用InSAR、GPS和水准测量等多种技术手段，本文中主要阐述InSAR和水准测量相结合的方法进行沉降监测。

(1)InSAR数据的信息获取

InSAR数据采用3 m分辨率的TerraSAR-X影像，监测地面沉降的精度能够达到mm级。南湖生态城区域的面积约28 km2，3 m分辨率的TerraSAR-X影像的景幅宽为30 km，长为50 km，单景影像能够完全覆盖监测区域。本项目共计获取监测数据24景，分两次进行，每次12景，采用小基线集技术(SBAS-InSAR)进行SAR图像的数据处理，由于项目区内植被覆盖面积大、水域面积大，对重点监测区域再采用差分技术(D-InSAR)进行数据处理，作为SBAS-InSAR的补充。

(2)水准测量数据的获取

根据项目测区的实际的地质条件、地下采空区分布和地下采空区开采及规划开采情况，布设水准点点位，采用普通标石水准点，按照国家等级水准测量标准布设并实施测量。首先选取已有基准点，并在项目区周围及内部地质条件稳定区域引测四个基准点，作为本项目的工作基准点，之后在项目区内埋设水准监测点75个。在测区进行测量时，以四个工作基准点为基准，并定期与基准点进行联测，与测区内的水准测量监测点进行闭合环线的水准测量，最后做整体平差，得到水准测量的监测成果。通过对多期水准监测数据的对比，获取沉降状况。

3.3 数据分析过程

(1) 雷达数据的选取

项目分两次选取雷达数据，每次12景，每景间隔大约1个月左右，由于项目区内植被覆盖面积大、水域面积大，要求影像影像清晰、反差适中、颜色饱和、色调一致，并有较丰富的层次、能够辨别与分辨率一致的细小地物影像，同时保证影像不模糊、不散焦。

(2) DEM数据收集。

DEM数据主要是用来去除地形对干涉相位的影响，地形误差和DEM精度成正比，地形误差越大，对干涉相位的影响越大，越不利于相位解缠。因此，要选用与项目要求相适应的DEM数据。

(3) 数据解译

采用小基线集技术(SBAS-InSAR)进行SAR图像的数据处理，数据解译过程如图1。SBAS-InSAR突破了InSAR观测周期和空间、时间基线的限制，将D-InSAR单次离散的观测连接起来，准确地获取唐山南湖生态区的沉降序列图，在数据分析过程中发现了多个沉降漏斗(由于数据的保密性不在附图)，并对矿区沉降漏斗的时空发育状况进行详尽的时序分析，揭示矿区沉降漏斗的发展和演化情况(图2)。

图1 唐山南湖生态城区域地面沉降监测项目SBAS-InSAR方法流程图

(4) 分析解译数据

分别获取平均形变速率数据和形变量的时间序列数据，平均形变速率数据是从第一景影像获取到最后一景影像获取期间每一位置上的平均形变速率，单位是mm/year；形变量的时间序列数据是每景影像获取时期累积形变量，单位是mm。

(5) 水准测量数据获取

采用水准测量手段进行监测，其过程包括基准点普查、基准点制作(选点、埋石)、监测点制作(选点、埋石)和水准测量等，通过多次观测得到监测点点位的平均形变速率数据和形变量的时间序列数据。

(6) InSAR解译

InSAR解译数据与水准测量数据相结合，进行对比分析，利用两种数据各自的优势，取长补短，从而实现优势互补。更好的了解、掌握监测区域内地面沉降的状况。

图2 唐山南湖生态城区域地面沉降监测项目某点沉降曲线图

3.4 在地面沉降监测项目的应用效果

InSAR作为现代化的测绘地理信息手段，具有高分辨率和高精度的特点，为地面沉降监测提供了强有力的技术手段。通过InSAR监测可快速的获取区域地面沉降数据，能更快、更好的了解区域地面沉降状况，能更好的掌握全区域数据。水准测量既可以验证InSAR数据的正确性，又可以对重点区域和沉降严重区域进行重点监测，同时通过对项目区内大量的水准点进行重复测量，可有效的弥补InSAR监测的不足，也可保障整体监测精度，两种方法相结合可掌握全区域地面沉降状况。经监测本项目区共划分为四个漏斗区域，年下沉超过20 mm的区域达7 km2，为南湖地区经济建设提供了技术支撑。

采用InSAR与水准测量技术相结合的方法进行区域性地面沉降监测，实现优势互补，可以更加高效地反映区域性地面沉降状况。

地面沉降监测的目的在于防控与治理，充分利用已有沉降监测与研究成果，结合项目区水文地质条件、工程地质条件和地表规划布局状况等，采用先进的InSAR技术和精度较高的水准测量技术相结合，可以更高效对区域地面沉降进行有效监测，从而达到健康诊断和预测预警的目的。

4 总结

本文描述了InSAR与水准测量相结合的方法进行区域性地面沉降监测，结合具体项目实例，详细阐述了InSAR技术、水准测量技术在地面沉降监测项目中的优点，为沉降现象调查、沉降规律预测、基础设施建设、地质灾害防治和地震监测等领域提供强有力的数据支撑，从而实现高效了解区域性地面沉降现状目的，为预测区域性地面沉降发展趋势提供有力保障。

[1]黄燕.D-InSAR技术用于地表形变监测研究[D].郑州:解放军信息工程大学硕士论文.2009.

[2]潘元.INSAR在地质灾害中的应用[J].矿山测量,2009(5):42-45.

[3]肖勇.地面沉降监测技术方法的现状与发展趋势[J].地面沉降监测技术,2009(5).