新技術在地面沉降監測中的應用

張治宇（長安大學地質工程與測繪學院 陜西西安 710061）

新技術在地面沉降監測中的應用

張治宇（長安大學地質工程與測繪學院 陜西西安 710061）

隨著地下水資源的過度開發、油氣資源的不合理開采、礦區不合理開挖與人類各類地上與地下工程建設的實施，導致地下松散地層固結壓縮的速度加快，進而致使地面沉降的幅度與速度大幅加快。地面沉降嚴重影響到了城鎮化建設與社會經濟可持續型發展，已成為危害國民經濟的一類主要地質災害。如何合理利用多種手段獲得沉降監測數據，并高效準確的處理這些數據成為了一個重要的問題。本文簡要敘述了各類常用的監測方法與數據處理手段，并闡明其各自的優勢和原理。

地面沉降；監測；GPS；InSAR；GIS

【DOI】10．19312/j．cnki．61-1499/c．2016．07．096

一、地面沉降的原因與危害

地面沉降的成因是多方面的，大致可以分為自然因素引起的沉降以及人為因素引起的沉降。其中，自然因素引發沉降的主要成因為構造運動與土壤的自然壓實。人為因素的情況多種多樣，主要因素為地下水的過量開采、油氣資源不合理開發。同時，在礦區也時常會產生由于地下固體礦產的挖掘而引起的地面沉降現象，而城市地區中各類地下工程的進行也同樣會引發地面沉降，如地鐵的修建、地下管線的布設等。

地面沉降作為一種主要的地址災害，對國民經濟建設與可持續發展都造成了很大的影響，不僅會對已有的建筑物與生產設施造成損害，還會影響到地下資源的開發與地下建設的實施。同時，由于地面沉降多發區往往屬于地層結構不穩定的地帶，因而，在這些地區進行資源開發與城市建設所需消耗的人力、物力遠高于地質結構穩定的地區，生產能力同樣收到其地質條件的制約與影響。現代沖擊三角洲平原與濱海平原由于其臨海的地理位置，當地面沉降至海平面之下或接近海平面時，將會發生海水倒灌的現象，引發土地以及地下水的鹽堿化，對生產與生活造成很大的影響。如處于斷陷盆地的寧波以及處于現代沖擊三角洲平原的上海，均受到了地面沉降引起的海水倒灌的影響。雖然很多地區，如大慶、上海等地積極地采取人工回灌的方法，使得地下液體面回升，實現了地面的部分回彈，但是如何實現監測盡早的得知地面沉降現狀，仍然是當前研究的重點問題。

二、GPS在地面沉降監測中的應用

隨著空間技術、計算機技術等測繪相關領域的發展，GPS接收機價格的下降與性能的提升，GPS的定位精度與定位速度顯著提高，由于GPS具有全天候、高精度、操作簡單、自動化程度高、選點制約條件少等特點，現已廣泛地應用于工程測量、大地測量與變形監測中。

1.GPS取代傳統水準測量所面臨的問題

用GPS取代傳統水準測量所面臨的問題主要有兩個：其一是GPS雖然在平面定位上具有良好的精度，但其高程定位精度遠未達到平面定位的精度水平；其二是傳統水準測量方法所采用的大地水準面與GPS所采用的參考橢球面之間的差距規律復雜。

2.GPS在地面沉降監測中的優勢

近些年來隨著各國衛星定位系統的進一步完善、大地水準面研究工作的不斷發展、空間數據處理能力的提高、接收機精度與效率的提高，使得GPS定位速度與精度有了較為明顯的改善，從而滿足了GPS代替水準傳統水準測量的技術要求。同時，與傳統的水準測量相比，GPS選點具有不受通視條件、觀測距離、兩點高差等條件限制的優勢，使得在同等精度的要求下，成本與工作效率遠高于傳統水準測量，成為了地面沉降監測的重要手段。

3.GPS應用于地面沉降監測中的原理分析

三、InSAR技術在地面沉降監測中的應用

合成孔徑雷達干涉（InSAR）作為為一項先進的極具發展潛力的空間對地探測技術，結合了射電天文干涉技術與傳統SAR遙感技術的特性，通過主動遙感的方式，向目標區域發射微波信號，并接受反射信號，根據SAR復圖像對之間的干涉條件得到干涉圖，并計算得到兩次成像之間微波信號的路程之差，進而得到地形、地貌微小變化等重要的數據，與GIS及其他的相關技術相結合服務于地學研究。

1.InSAR技術應用于地面沉降監測的優勢

由于InSAR技術具有全天候、高分辨率、高精度、大范圍、高自動化、低成本等特征，在地學研究尤其是大范圍的地面沉降監測中，與傳統的水準測量以及GPS測量互相補充，具有極為廣闊的應用前景。近年來，隨著干涉測量研究的深入，雷達差分干涉測量利用遙感衛星多時相的復雷達圖像相干信息進行地表垂直形變量的提取,其精度已經達到了mm級。[3]

2.InSAR技術應用于地面沉降監測中的原理

InSAR技術通過主動遙感的方式，平行的對地面進行兩次觀測，得到2幅SAR復圖像。已知在前后兩次遙感的過程中，探測器主動發出的微波頻率應該是相同的，成像期間波動連續。可以推知，在相遇處它們的振動方向幾乎沿同一直線,則兩雷達波在相遇處產生干涉現象。[3]因此可以結合兩次遙感的天線位置，生成干涉圖像，進而得到所監測地區的高程信息，通過高程信息比較即可得到地面沉降情況。

3.GIS在地面沉降數據處理中的應用

地理信息系統（GIS）作為一種特殊的空間信息系統，其在采集、儲存、處理、顯示與空間有關的數據、圖形上面有著巨大的優勢，是管理與決策的有力工具。隨著地球科學、計算機科學、信息科學、測繪科學等學科的發展，GIS逐步完善，并在諸多領域中進行著新的運用。現如今，GIS在地面沉降的數據分析與數學建模中起到了越來越重要的作用。

利用GIS對地面沉降數據進行管理仍應按照GIS數據處理的一般流程進行。首先應進行數據的采集與分類；其次，建立數據之間的約束關系，構建數學模型；最后，利用數學模型對地面沉降結果進行處理，分析得到地面沉降的影響范圍、嚴重程度、發展趨勢、沉降成因等諸多與地面沉降監測有關的數據。其具體操作為：

（1）確定地面沉降監測研究所需采集的相關數據，如：地質構造、土層物理力學特性、地下水分布與開采狀況、地下工程建設情況、傳統水準測量與GPS、InSAR觀測數據等等。

（2）對數據進行分類，設計并建立數據庫，將數據按照屬性進行分類，如：水文庫、工程建設庫、地質條件庫、水準觀測資料庫等等

（3）對已分庫數據進行管理，建立約束條件與數學模型。同時，將研究的地理對象抽象成方便表達的基本圖元。

（4）通過已得到的數據，將地面沉降的相關情況以圖件的形式直觀的表示出來。

（5）結合處理后的數據以及原始數據，利用GIS對與空間信息相關數據強大的數據處理能力，完成沉降分析。

四、結語

科技發展的目的即是解放人力，與傳統的水準測量相比，采用GPS、InSAR技術在獲取大面積的地面沉降信息可有效的節約大量的人力資源，更加的自動化，提高了生產效率降低了生產成本，是未來地面沉降監測數據采集中的主力軍。而GIS技術則以其在處理與空間信息有關的數據中有著巨大的潛力。應用新技術實現地面沉降監測前景廣闊。

[1]張勤,黃觀文,王利,武曉忠,丁曉光．GPS在西安市地面沉降與地裂縫監測中的應用研究[J]．工程地質學報,2007,06:828-833．

[2]侯林山,王金龍,朱三妹,張勝,鐘世明．利用差分GPS進行地面沉降監測的研究[J]． 巖土力學,2006,05:811-815．

[3]何慶成,方志雷,李志明,劉文波． InSAR技術及其在滄州地面沉降監測中的應用[J]． 地學前緣,2006,01:179-184．