高時(shí)空分辨率地面沉降監(jiān)測(cè)體系研究與實(shí)現(xiàn)

張杏清，謝榮安，戴吾蛟，周元華，匡翠林

(1.廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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高時(shí)空分辨率地面沉降監(jiān)測(cè)體系研究與實(shí)現(xiàn)

張杏清1，謝榮安1，戴吾蛟2，周元華1，匡翠林2

(1.廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

珠江三角洲地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，受多種因素影響，平原區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，是我國(guó)四大重點(diǎn)沉降區(qū)之一。探索一種應(yīng)用InSAR、GPS、精密水準(zhǔn)高效協(xié)同監(jiān)測(cè)和相關(guān)監(jiān)測(cè)資料精密處理、高效融合的理論、技術(shù)與方法，建立高時(shí)空分辨率的地面沉降監(jiān)測(cè)體系成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對(duì)廣州南沙試驗(yàn)區(qū)開展的高時(shí)空分辨率沉降監(jiān)測(cè)體系的研究實(shí)踐，研究了融合的理論、技術(shù)和方法，并得到成功應(yīng)用，具有很強(qiáng)的推廣意義。

地面沉降；形變監(jiān)測(cè)；InSAR；GPS；水準(zhǔn)測(cè)量

一、引 言

地面沉降是一種緩變性、不可逆的地質(zhì)災(zāi)害,已經(jīng)成為影響珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，因此，開展區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)為政府和社會(huì)制定防控措施提供技術(shù)支撐顯得尤為迫切。長(zhǎng)期以來(lái)，地面沉降監(jiān)測(cè)一般依靠定期的水準(zhǔn)測(cè)量，受經(jīng)費(fèi)、人力和通視條件的限制，水準(zhǔn)測(cè)量通常布點(diǎn)少，水準(zhǔn)路線稀疏，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，時(shí)間和空間分辨率都很低，很難捕捉到沉降最嚴(yán)重的區(qū)域及劃定沉降發(fā)生的范圍，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代防災(zāi)減災(zāi)對(duì)地面沉降進(jìn)行快速和大面積監(jiān)測(cè)的需求。隨著GPS和InSAR等現(xiàn)代衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，GPS已可提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)高時(shí)間分辨率的三維地表形變序列，但空間分辨率低；InSAR可以提供高空間分辨率的地面沉降結(jié)果，但時(shí)間分辨率低。因此，單一的水準(zhǔn)、GPS或InSAR等地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)難以同時(shí)獲取珠江三角洲地區(qū)高時(shí)空分辨率的地面沉降信息，從而極大地影響了該地區(qū)地面沉降時(shí)空演化規(guī)律的分析和時(shí)空預(yù)報(bào)模型的建立。為此本文提出了應(yīng)用InSAR、GPS、精密水準(zhǔn)高效協(xié)同監(jiān)測(cè)和相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精密處理、高效融合的理論、技術(shù)與方法研究，為建立高時(shí)空分辨率的地面沉降監(jiān)測(cè)體系提供理論基礎(chǔ)。

二、監(jiān)測(cè)體系總體技術(shù)框架

針對(duì)單一地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)難以同時(shí)獲取高時(shí)間和高空間分辨率的地面沉降信息的缺點(diǎn)，研究InSAR、GPS、精密水準(zhǔn)等多種觀測(cè)手段協(xié)同監(jiān)測(cè)獲取地面沉降的理論、技術(shù)與方法。其總體思路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)體系總體技術(shù)框架

三、監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)研究突破復(fù)雜環(huán)境下高精度地面沉降信息獲取、分析、建模的關(guān)鍵技術(shù)，建立高時(shí)空分辨率的地面沉降監(jiān)測(cè)體系，提出地面沉降監(jiān)測(cè)的最優(yōu)化方法，為廣東省珠三角及周邊地區(qū)的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的分析、判別、預(yù)報(bào)、預(yù)警提供技術(shù)基礎(chǔ)，不僅能夠體現(xiàn)主動(dòng)防災(zāi)減災(zāi)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性，而且能夠發(fā)揮良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。主要內(nèi)容包括：①InSAR與水準(zhǔn)協(xié)同監(jiān)測(cè)提高地面沉降信息的空間分辨率；②InSAR與GPS協(xié)同監(jiān)測(cè)提高地面沉降信息的時(shí)間分辨率；③研究建立高分辨率地面沉降監(jiān)測(cè)體系示范區(qū)。

2.監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)的選取

通過(guò)調(diào)查和分析，廣州市南沙區(qū)萬(wàn)頃沙、新墾及鄰近中山浪網(wǎng)一帶，位于珠江口西北岸，地理位置獨(dú)特，區(qū)內(nèi)江環(huán)水繞，河網(wǎng)縱橫，地勢(shì)低平，地質(zhì)單元屬于海陸交互相沉積前緣，在河口周邊的平原區(qū)第四紀(jì)更新世至全新世沉積了厚達(dá)數(shù)米至數(shù)十米的松軟土層，淤泥和淤泥質(zhì)軟土層分布廣泛，且以萬(wàn)頃沙地區(qū)的松軟土層較具有典型性和代表性，加上這一地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，地面沉降非常明顯，特別是沿河區(qū)域的地表下沉較為嚴(yán)重，平均速率達(dá)到了20～30 mm/a，對(duì)房屋、交通、水利及地下管線等設(shè)施造成了較為嚴(yán)重的破壞。試驗(yàn)區(qū)域范圍地理位置東經(jīng)113°23′—113°39′，北緯22°34′—22°45′，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)位置

3.監(jiān)測(cè)體系的設(shè)計(jì)

根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求，在試驗(yàn)區(qū)范圍500 km2內(nèi)，按研究任務(wù)同時(shí)實(shí)施，其中水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)及GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)以已有的InSAR監(jiān)測(cè)成果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。首先分別建立GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并選取試驗(yàn)區(qū)InSAR數(shù)據(jù)及制定數(shù)據(jù)處理方法。InSAR監(jiān)測(cè)范圍包括整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域500 km2，水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)范圍為200 km2，設(shè)計(jì)為二等水準(zhǔn)測(cè)量精度。GPS監(jiān)測(cè)范圍為100 km2，采用單雙頻混合連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。采用德國(guó)TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為InSAR資料來(lái)源，共收集11期南沙地區(qū)TerraSAR-X數(shù)據(jù)。

4.監(jiān)測(cè)體系實(shí)現(xiàn)

在南沙試驗(yàn)區(qū)建立了3種方法的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置圖

其中二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)埋設(shè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)68個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均密度為2公里1個(gè)，點(diǎn)位埋設(shè)于地面下，分布于建筑區(qū)、道路、內(nèi)河堤岸、田間的塘基、田基等處，可以代表各種地形及地類情況，自2011年11月至2013年12月共完成三期二等水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)。GPS監(jiān)測(cè)范圍為100 km2，共布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)站(其中雙頻4個(gè)站，單頻7個(gè)站)，包含2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)標(biāo)志有2個(gè)設(shè)置于建筑物頂?shù)谋O(jiān)測(cè)墩，設(shè)備包括大理石底座、混凝土圓柱、GPS接收機(jī)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；9個(gè)設(shè)置為土層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)備包括混凝土底座、不銹鋼監(jiān)測(cè)桿、GPS接收機(jī)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。采用單雙頻混合連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)更新頻率為1 d，數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化監(jiān)測(cè)(如圖4所示)。

圖4 GPS及水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)標(biāo)志

InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)平均每月1期，共監(jiān)測(cè)24期。將GPS測(cè)量結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，除去2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和1個(gè)粗差點(diǎn)，計(jì)算其沉降速率差值最大為4 mm，并且與同期InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果比較基本一致。表1是本項(xiàng)目開展的幾種測(cè)量技術(shù)方法的比較。

表1 監(jiān)測(cè)工作方法對(duì)應(yīng)效益比較

從表中可以看出，水準(zhǔn)測(cè)量方法精度最高，但成本高，而且周期長(zhǎng)，難以及時(shí)反映地面沉降狀況；采用GPS單雙頻技術(shù)方法可以少量使用雙頻接收機(jī)，大部分使用單頻接收機(jī)，節(jié)約了設(shè)備的投入，而且能夠獲取較高精度的動(dòng)態(tài)變化情況；采用InSAR技術(shù)雖然無(wú)法達(dá)到前兩種方法的精度，但通過(guò)它們的觀測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)處理并加以改正可以較大地提高其精度，觀測(cè)周期也較靈活，能夠從宏觀上全面掌握地面沉降狀況，工作成本容易控制。如果融合它們各自的優(yōu)點(diǎn)，建立新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以GPS監(jiān)測(cè)方法為主體，布設(shè)密度2～3 km，實(shí)時(shí)觀測(cè)，以水準(zhǔn)測(cè)量為基礎(chǔ)，有可能的情況盡量選擇水準(zhǔn)和GPS點(diǎn)為同一個(gè)點(diǎn)，布設(shè)密度5～8 km，觀測(cè)周期3～5年；以InSAR監(jiān)測(cè)為輔，以一年1～2期全覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域。高分辨率監(jiān)測(cè)體系可以克服水準(zhǔn)路線稀疏、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、時(shí)間和空間分辨率低，以及很難捕捉到沉降最嚴(yán)重的區(qū)域及劃定沉降發(fā)生的范圍等問(wèn)題，利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)所提供的監(jiān)測(cè)點(diǎn)高時(shí)間分辨率的三維地表形變序列，同時(shí)利用InSAR可以提供高空間分辨率的地面沉降結(jié)果，彌補(bǔ)了其空間分辨率低的不足，監(jiān)測(cè)經(jīng)費(fèi)和人員投入會(huì)大幅減少，監(jiān)測(cè)的時(shí)效性更佳，為地面沉降長(zhǎng)期有效實(shí)施提供了條件，滿足現(xiàn)代防災(zāi)減災(zāi)對(duì)地面沉降進(jìn)行快速和大面積監(jiān)測(cè)的需求。

四、關(guān)鍵技術(shù)

1.利用單雙頻GPS混合方法進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

(1) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單雙頻GPS混合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理3大部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。即監(jiān)測(cè)站與參考站的硬件配置是相同的，由GPS天線、GPS傳感器、天線電纜、GPRS Modem、電源(采用太陽(yáng)能或UPS)組成。數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS可直接發(fā)送至已連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集、處理、管理及分析軟件自動(dòng)提供地面沉降信息。

圖5 單雙頻GPS混合地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程為：首先通過(guò)數(shù)據(jù)接收部分接收GPS數(shù)據(jù)；然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到已經(jīng)連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)處理中心，裝有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的全自動(dòng)化，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降信息；最后通過(guò)基于Web的數(shù)據(jù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果信息的遠(yuǎn)程查詢、數(shù)據(jù)下載等服務(wù)。

(2) 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理通過(guò)自主研發(fā)的地面沉降信息管理Web系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息、監(jiān)測(cè)結(jié)果及監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)等信息的Web管理，其數(shù)據(jù)處理流程為：首先將實(shí)時(shí)采集的GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，同時(shí)通過(guò)軟件自動(dòng)下載相應(yīng)的IGS站觀測(cè)數(shù)據(jù)和精密星歷等數(shù)據(jù)；然后通過(guò)專門開發(fā)的單雙頻地面沉降監(jiān)測(cè)基線解算軟件獲得基線結(jié)果，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后計(jì)算獲取沉降信息；最后將沉降信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)沉降序列進(jìn)行可視化。

(3) 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果來(lái)看，雙頻點(diǎn)的WRMS值都優(yōu)于以往全國(guó)GPS網(wǎng)處理中的重復(fù)性3.7～4.0 mm的結(jié)果，說(shuō)明解算精度已經(jīng)很高了，單頻點(diǎn)的WRMS均值4.0 mm，表明單頻點(diǎn)的解算精度整體要比雙頻精度低。

2.單雙頻組網(wǎng)的高精度變形監(jiān)測(cè)電離層改正技術(shù)

采用雙頻接收機(jī)可以通過(guò)電離層組合的方式消除電離層一階項(xiàng)的影響，殘余的高次項(xiàng)誤差可以忽略，而單頻接收機(jī)無(wú)法通過(guò)此方法直接消除電離層誤差。因此可以在變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的基準(zhǔn)站布設(shè)雙頻接收機(jī)，監(jiān)測(cè)站布設(shè)單頻接收機(jī)，采用雙頻基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)生成大氣延遲誤差改正項(xiàng)，用于改正監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的單頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，以此可以達(dá)到雙頻機(jī)的精度，節(jié)省監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用的投入。

3.基于GPS大氣延遲時(shí)空延拓的InSAR水汽改正技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)中大氣延遲誤差的去除，一直是InSAR研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前很難從SAR數(shù)據(jù)本身進(jìn)行改正，比較直接的方法是利用同步的外部水汽數(shù)據(jù)作差分去除。利用GPS水汽數(shù)據(jù)改正InSAR大氣延遲影響，GPS觀測(cè)網(wǎng)的低空間分辨率是改正效果的主要限制因素，本項(xiàng)目研究基于GPS大氣延遲時(shí)空延拓的InSAR大氣改正技術(shù)，基本解決了這一難題。

4.InSAR、水準(zhǔn)及GPS融合數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)融合方法是通過(guò)綜合InSAR手段高空間分辨率、水準(zhǔn)手段高精度及GPS手段高時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，獲取最優(yōu)的動(dòng)態(tài)沉降場(chǎng)模型，并估計(jì)沉降參數(shù)。該方法主要包括以下步驟：

(1) 利用PSI技術(shù)獲取高分辨率InSAR沉降序列場(chǎng)

考慮到研究區(qū)內(nèi)以覆蓋密集植被的農(nóng)業(yè)區(qū)為主，因此采用永久散射點(diǎn)技術(shù)對(duì)SAR干涉影像進(jìn)行處理，其基本思想是僅利用在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的散射特征的點(diǎn)目標(biāo)來(lái)估計(jì)其形變速率，以降低失相干所引起的誤差。

(2) 水準(zhǔn)資料、GPS成果與PSInSAR結(jié)果融合

經(jīng)過(guò)水準(zhǔn)資料校正后的PSInSAR形變場(chǎng)具有較高的空間分辨率，而GPS結(jié)果則具有較高的時(shí)間分辨率。為了同時(shí)獲取高時(shí)空分辨率的形變場(chǎng)，必須對(duì)GPS和PSInSAR結(jié)果進(jìn)行融合。在InSAR結(jié)果提供的監(jiān)測(cè)地區(qū)沉降范圍、趨勢(shì)和量級(jí)等先驗(yàn)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)高時(shí)間分辨率的GPS離散點(diǎn)形變結(jié)果進(jìn)行空間插值，同化GPS和PSInSAR的空間分辨率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Kalman濾波模型構(gòu)建高時(shí)空分辨率地表沉降序列場(chǎng)。

五、結(jié)束語(yǔ)

建立科學(xué)合理的沉降監(jiān)測(cè)體系，獲取珠江三角洲地區(qū)高時(shí)空分辨率的地面沉降信息，是政府及社會(huì)制定預(yù)防措施、防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐。在政府財(cái)力有限的情況下，大范圍的監(jiān)測(cè)必須滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，同時(shí)要求投入最少。隨著我國(guó)BDS的建設(shè)和完善，技術(shù)水平的提升，北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐正在加快，應(yīng)用于監(jiān)測(cè)型的接收終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等軟硬件已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)業(yè)化程度高，成本低效益高，適合大范圍推廣應(yīng)用。以試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)體系的成功經(jīng)驗(yàn)，建立基于BDS的地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以精密水準(zhǔn)測(cè)量、InSAR監(jiān)測(cè)為輔的高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)體系，能夠充分發(fā)揮3種監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法的作用，達(dá)到效益最大化，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的研究和推廣價(jià)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

張杏清，謝榮安，戴吾蛟，等.高時(shí)空分辨率地面沉降監(jiān)測(cè)體系研究與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(7)：68-71.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0214

2015-04-21

廣東省財(cái)政產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)資金(2011-9)

張杏清(1962—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)管理和新技術(shù)應(yīng)用研究工作。E-mail:zxq5508@126.com

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：0494-0911(2015)07-0068-04