InSAR與水準(zhǔn)測(cè)量在區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

垢元培 高孝敏 王 宇 吳曉偉

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 唐山 063000)

本文以唐山南湖生態(tài)城區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，通過利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR。)、水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)的手段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的研究，通過兩種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以探索地面沉降趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 InSAR技術(shù)

InSAR是一種應(yīng)用于測(cè)繪和遙感的雷達(dá)技術(shù)，它是利用合成孔徑雷達(dá)對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)的兩幅復(fù)數(shù)值影像(既有幅值又有相位的影像)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，以獲取地表高程信息的技術(shù)。

20世紀(jì)90年代初，InSAR技術(shù)已經(jīng)開始在全球及區(qū)域性地形測(cè)圖、大尺度地表形變監(jiān)測(cè)中得到廣泛的研究和應(yīng)用。全球地形測(cè)圖中，地震、地面沉降、滑坡、火山移動(dòng)、冰川活動(dòng)等地表形變監(jiān)測(cè)是InSAR技術(shù)常見的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，尤以地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)最為廣泛。近年來，為了開展全歐洲的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)，ESA-GMES (Europe Space Agency，Global Monitoring for Environment and Security)使用了InSAR技術(shù)，有效的促進(jìn)了InSAR技術(shù)在災(zāi)害性地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。意大利于1992年至2000年間開展了覆蓋全國(guó)的地表形變遙感調(diào)查工作，目前已建立了InSAR數(shù)據(jù)庫，為開展大范圍區(qū)域性地表形變調(diào)查工作起到了很好的先導(dǎo)作用。

從20世紀(jì)90年代年起，我國(guó)研究人員開始涉足InSAR測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究。2005年起，我國(guó)國(guó)內(nèi)陸續(xù)開展了以區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)與調(diào)查為主的地質(zhì)災(zāi)害InSAR監(jiān)測(cè)工程化應(yīng)用工作。目前已完成了華北平原、長(zhǎng)江三角洲等地面沉降區(qū)20多萬平方千米范圍的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)與調(diào)查，連續(xù)獲取了2004年至今的地面沉降監(jiān)測(cè)成果，查明了主要地面沉降區(qū)的分布與發(fā)展過程，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)城市、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)帶、重大基礎(chǔ)設(shè)施周邊及沿線的地面沉降連續(xù)精細(xì)監(jiān)測(cè)。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各類地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與調(diào)查工作中。連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)源和區(qū)域性地表形變?yōu)暮ΡO(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的需要促使了InSAR技術(shù)的迅速發(fā)展。隨著人們對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、地面沉降和地震等方面災(zāi)害的重視，InSAR監(jiān)測(cè)手段越來越受到人們的重視，已成為地面沉降監(jiān)測(cè)的主要手段。

但其仍存在很多缺點(diǎn)與不足，如：受地表施工干擾大、植被隨季節(jié)變化對(duì)精度影響大、沉降速率過大引起的相位失相干以及大氣對(duì)相位的影響等，由于InSAR自身的局限性，大大制約了其監(jiān)測(cè)精度，輔助以傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量將更有利于區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)。

1.2 水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)

水準(zhǔn)測(cè)量始于十九世紀(jì)，是一種傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法，流傳性極廣，此方法工藝簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度卻很高。隨著水準(zhǔn)測(cè)量走向數(shù)字化，出現(xiàn)了數(shù)字水準(zhǔn)儀和計(jì)算機(jī)平差方法，既節(jié)約了大量的人工，又有效的避免了在測(cè)量過程中出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，使測(cè)量誤差得到有效控制，這樣既簡(jiǎn)化了測(cè)量過程，又保證了測(cè)量精度，精度可達(dá)到毫米級(jí)，甚至0.1毫米級(jí)。

在目前的地面沉降監(jiān)測(cè)工作中，它作為一種輔助監(jiān)測(cè)手段，一般只在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量(以北京為例，區(qū)域水準(zhǔn)測(cè)量工作以年為單位開展)，作為其他監(jiān)測(cè)手段的檢核和補(bǔ)充。因?yàn)檫@種方法的工作量巨大，完成一次地區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，且成本較高。面對(duì)現(xiàn)如今地面沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、區(qū)域大、周期短、頻率高等要求，單一使用水準(zhǔn)測(cè)量法進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)無法滿足工作需求，且不經(jīng)濟(jì)。

2 選取的兩種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)

InSAR干涉測(cè)量技術(shù)是基于雷達(dá)遙感的新型空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，其監(jiān)測(cè)地表形變不需要直接接觸地面目標(biāo)，即使發(fā)生各種災(zāi)害也可對(duì)地表進(jìn)行觀測(cè)；它可以高精度地監(jiān)測(cè)大范圍區(qū)域內(nèi)微小的地面形變。InSAR作為一個(gè)全新領(lǐng)域，很好的突破了傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)手段的束縛，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、精度高、連續(xù)性強(qiáng)、受天氣影響小、監(jiān)測(cè)實(shí)施方便容易、成本相對(duì)低和安全性高等優(yōu)勢(shì)。InSAR可以穿過各種大氣層，全天候、全天時(shí)獲取地球表面高程及形變信息，特別是其具有可達(dá)毫米級(jí)測(cè)量精度的潛能以及連續(xù)空間覆蓋的能力，可以進(jìn)行長(zhǎng)期的地表形變監(jiān)測(cè)，現(xiàn)已成為一種極具潛力的空對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，為地面沉降監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，也為地面沉降監(jiān)測(cè)提供了較大便利手段。

水準(zhǔn)測(cè)量雖為傳統(tǒng)方法，但其觀測(cè)的精度高，觀測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。目前，在我國(guó)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法中最常用的就是水準(zhǔn)測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)包括施工過程相對(duì)簡(jiǎn)單、前期投入小和人才儲(chǔ)備量少等，在施工過程中流程較簡(jiǎn)單，其觀測(cè)精度能夠滿足地面沉降監(jiān)測(cè)的要求。隨著電子水準(zhǔn)儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀的快速發(fā)展，水準(zhǔn)測(cè)量中人為造成的誤差越來越小，水準(zhǔn)測(cè)量精度越來越高，同時(shí)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(xiàng)目實(shí)證

3.1 項(xiàng)目概況

唐山南湖生態(tài)城區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的工作區(qū)位于河北省唐山市中心城區(qū)南部，為地下煤礦經(jīng)過長(zhǎng)期開采活動(dòng)形成，根據(jù)南湖生態(tài)城規(guī)劃區(qū)內(nèi)工程建設(shè)布局特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、采空區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及采空區(qū)開采規(guī)劃狀況，最終劃定本次地面沉降監(jiān)測(cè)工作區(qū)范圍為：北至南新道，東至復(fù)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(qū)，交通便利，地勢(shì)平坦開闊。整個(gè)工作區(qū)南北略長(zhǎng)，東西略短，總面積約為28 km2。

3.2 采用方法

本項(xiàng)目采用InSAR、GPS和水準(zhǔn)測(cè)量等多種技術(shù)手段，本文中主要闡述InSAR和水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方法進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

(1)InSAR數(shù)據(jù)的信息獲取

InSAR數(shù)據(jù)采用3 m分辨率的TerraSAR-X影像，監(jiān)測(cè)地面沉降的精度能夠達(dá)到mm級(jí)。南湖生態(tài)城區(qū)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(zhǎng)為50 km，單景影像能夠完全覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域。本項(xiàng)目共計(jì)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)24景，分兩次進(jìn)行，每次12景，采用小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)進(jìn)行SAR圖像的數(shù)據(jù)處理，由于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)植被覆蓋面積大、水域面積大，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域再采用差分技術(shù)(D-InSAR)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作為SBAS-InSAR的補(bǔ)充。

(2)水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)項(xiàng)目測(cè)區(qū)的實(shí)際的地質(zhì)條件、地下采空區(qū)分布和地下采空區(qū)開采及規(guī)劃開采情況，布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位，采用普通標(biāo)石水準(zhǔn)點(diǎn)，按照國(guó)家等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)并實(shí)施測(cè)量。首先選取已有基準(zhǔn)點(diǎn)，并在項(xiàng)目區(qū)周圍及內(nèi)部地質(zhì)條件穩(wěn)定區(qū)域引測(cè)四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，作為本項(xiàng)目的工作基準(zhǔn)點(diǎn)，之后在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)埋設(shè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)75個(gè)。在測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，以四個(gè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)，并定期與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，與測(cè)區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行閉合環(huán)線的水準(zhǔn)測(cè)量，最后做整體平差，得到水準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)成果。通過對(duì)多期水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，獲取沉降狀況。

3.3 數(shù)據(jù)分析過程

(1) 雷達(dá)數(shù)據(jù)的選取

項(xiàng)目分兩次選取雷達(dá)數(shù)據(jù)，每次12景，每景間隔大約1個(gè)月左右，由于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)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(diào)一致，并有較豐富的層次、能夠辨別與分辨率一致的細(xì)小地物影像，同時(shí)保證影像不模糊、不散焦。

(2) DEM數(shù)據(jù)收集。

DEM數(shù)據(jù)主要是用來去除地形對(duì)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(duì)干涉相位的影響越大，越不利于相位解纏。因此，要選用與項(xiàng)目要求相適應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)解譯

采用小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)進(jìn)行SAR圖像的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)解譯過程如圖1。SBAS-InSAR突破了InSAR觀測(cè)周期和空間、時(shí)間基線的限制，將D-InSAR單次離散的觀測(cè)連接起來，準(zhǔn)確地獲取唐山南湖生態(tài)區(qū)的沉降序列圖，在數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)沉降漏斗(由于數(shù)據(jù)的保密性不在附圖)，并對(duì)礦區(qū)沉降漏斗的時(shí)空發(fā)育狀況進(jìn)行詳盡的時(shí)序分析，揭示礦區(qū)沉降漏斗的發(fā)展和演化情況(圖2)。

圖1 唐山南湖生態(tài)城區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目SBAS-InSAR方法流程圖

(4) 分析解譯數(shù)據(jù)

分別獲取平均形變速率數(shù)據(jù)和形變量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，平均形變速率數(shù)據(jù)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(shí)間序列數(shù)據(jù)是每景影像獲取時(shí)期累積形變量，單位是mm。

(5) 水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

采用水準(zhǔn)測(cè)量手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其過程包括基準(zhǔn)點(diǎn)普查、基準(zhǔn)點(diǎn)制作(選點(diǎn)、埋石)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)制作(選點(diǎn)、埋石)和水準(zhǔn)測(cè)量等，通過多次觀測(cè)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的平均形變速率數(shù)據(jù)和形變量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

(6) InSAR解譯

InSAR解譯數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行對(duì)比分析，利用兩種數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。更好的了解、掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地面沉降的狀況。

圖2 唐山南湖生態(tài)城區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目某點(diǎn)沉降曲線圖

3.4 在地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的應(yīng)用效果

InSAR作為現(xiàn)代化的測(cè)繪地理信息手段，具有高分辨率和高精度的特點(diǎn)，為地面沉降監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。通過InSAR監(jiān)測(cè)可快速的獲取區(qū)域地面沉降數(shù)據(jù)，能更快、更好的了解區(qū)域地面沉降狀況，能更好的掌握全區(qū)域數(shù)據(jù)。水準(zhǔn)測(cè)量既可以驗(yàn)證InSAR數(shù)據(jù)的正確性，又可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和沉降嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)大量的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，可有效的彌補(bǔ)InSAR監(jiān)測(cè)的不足，也可保障整體監(jiān)測(cè)精度，兩種方法相結(jié)合可掌握全區(qū)域地面沉降狀況。經(jīng)監(jiān)測(cè)本項(xiàng)目區(qū)共劃分為四個(gè)漏斗區(qū)域，年下沉超過20 mm的區(qū)域達(dá)7 km2，為南湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

采用InSAR與水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以更加高效地反映區(qū)域性地面沉降狀況。

地面沉降監(jiān)測(cè)的目的在于防控與治理，充分利用已有沉降監(jiān)測(cè)與研究成果，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件和地表規(guī)劃布局狀況等，采用先進(jìn)的InSAR技術(shù)和精度較高的水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，可以更高效對(duì)區(qū)域地面沉降進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到健康診斷和預(yù)測(cè)預(yù)警的目的。

4 總結(jié)

本文描述了InSAR與水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方法進(jìn)行區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)例，詳細(xì)闡述了InSAR技術(shù)、水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的優(yōu)點(diǎn)，為沉降現(xiàn)象調(diào)查、沉降規(guī)律預(yù)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治和地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)高效了解區(qū)域性地面沉降現(xiàn)狀目的，為預(yù)測(cè)區(qū)域性地面沉降發(fā)展趨勢(shì)提供有力保障。

[1]黃燕.D-InSAR技術(shù)用于地表形變監(jiān)測(cè)研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué)碩士論文.2009.

[2]潘元.INSAR在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量,2009(5):42-45.

[3]肖勇.地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù),2009(5).