上海地面沉降監測技術應用實踐

許 言，楊天亮，焦 珣，吳建中

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072））

上海地面沉降監測技術應用實踐

許 言1,2,3，楊天亮1,2,3，焦 珣1,2,3，吳建中1,2,3

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072））

地面沉降是全世界平原地區最主要和最突出的地質災害之一，直接威脅著城市生態環境和重大基礎設施安全，而沉降監測是地面沉降災害防治中非常重要的一個環節。上海經過五十多年的探索與實踐，已形成了較為系統的地面沉降監測網絡。本文分析了國際地面沉降監測技術的應用現狀，總結了上海市地面沉降監測網絡建設概況與新技術的應用，分析了地面沉降監測技術的發展趨勢，可為國內外地面沉降監測網絡建設的發展提供借鑒與指導。

地面沉降；監測技術；應用實踐；發展趨勢

上海地面沉降是在重復水準測量中發現的。據統計，1966～2000年間上海市區累計平均地面沉降量為218.1mm，年平均地面沉降量為6.2mm。地面沉降導致地面標高損失，使城市防、泄洪能力下降，地下管線扭曲斷裂，深井井管上升，供水、排水系統失效，影響軌道交通安全，給城市安全造成巨大威脅[1]。

上海的地面沉降現象盡管發現較早，但直到1952～1960年期間，隨著上海城市建設的迅速發展，逐步建立了全市統一高程控制網，并定期與佘山國家水準基點進行聯測，才比較準確的掌握了市區地面高程的變化。通過各種監測技術的應用，掌握地面沉降時空分布規律，進一步查明地面沉降的原因，掌握沉降規律，提出控制沉降的措施意見，保障規模不斷擴大、數量不斷增加的重大基礎設施的運營安全[2]。

本文分析國際地面沉降監測技術的應用現狀，總結上海市地面沉降監測網絡建設概況與新技術應用的實踐與探索，分析地面沉降監測技術的發展趨勢，可為國內外地面沉降監測網絡建設的發展提供借鑒與指導。

1 國際地面沉降監測技術應用概況

1.1 傳統監測技術的應用

據統計，上世紀90年代以來世界上有超過150個主要城市出現了嚴重的地面沉降問題，而精密水準測量以及分層標組測量是較為普遍使用的傳統地面沉降監測方法[3]。然而隨著城市的發展，地面沉降監測區域的不斷擴大，傳統測量技術面臨著穩定性與經濟性的問題，其推廣與發展受到了一定的限制。

1.2 GPS技術的應用

美國是最早將GPS（Global Positioning System）技術應用于地面沉降監測的國家。德克薩斯州從1982年開始使用GPS技術，至2014年已運行了近200個永久的GPS站點，組建了可連續觀測的GPS監測網絡。而休斯敦地區在80個動態GPS站點[4]的基礎上，也運行了若干固定站點，從而提高測量精度，其地面沉降的監測精度可達毫米級，并能實現實時連續觀測[5]。

GPS定位技術在1980年代后期逐漸在歐洲得到應用[6]。捷克斯洛伐克運用GPS監測了地質構造運移[7]。西班牙建立了局部穩定性GPS控制網，由微型大地測量控制網絡實現[8]。

威尼斯是世界上受地面沉降影響最早與最嚴重的城市之一。為了控制地面沉降，威尼斯于2004年建立了約480km長擁有527個基準點的水準測量線網，并適配了45個GPS測量站點[9]。

GPS目前的不足之處主要為精度較低（相對于分層標自動化、小區域精密水準測量）、監測點周圍環境要求高。為使GPS測量技術在變形測量達到毫米級精度，需要一些特殊的預防措施，比如使用強迫定心設備，應用特殊的測量技術的快速短基線或靜態方法為精確設計專用設備天線高度讀數[10]。甚至在某些情況下，這些特殊預防措施仍不足，因此需要結合GPS與其他測量技術來提高其準確性。

1.3 InSAR技術的應用

InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術是一種有效的遠程檢測和測量表面位移的技術，在城市地區具備厘米至毫米級的精度。PS（Permanent Scatterers）-InSAR技術是在Different-InSAR技術上發展起來的，該技術有效地解決了D-InSAR技術中時間、空間去相關和大氣效應等限制測量精度的問題，達到了獲得毫米級地表形變信息的能力，從而極大地推動了InSAR技術的發展和應用。

英國利用多年的格林威治地區SAR影像對該地區的地面沉降進行研究[11]，根據大量SAR影像的平均振幅選取的PS參考點。美國SanFrancisco的加州海灣地區，利用1999～2002的49幅該地球ERS雷達圖像中115487個PS點，經PS-In-SAR處理獲得了該海灣不同地區的年沉降(抬升)速率[12]。羅馬市通過SBAS-DInSAR技術，定量估計的地面沉降持續沉降過程，以及空間分布地圖，劃分出重點防治地區。希臘結合使用三個不同的InSAR技術，在時空上準確監測希臘中部地區的地面變形[13]。葡萄牙里斯本將In-SAR與有限元模型相結合，進行了地面沉降的評價與預測[14]。

InSAR技術進行地面形變監測的數據來源于星載雷達，用該方法進行地面變形監測的范圍可以覆蓋全球，這與其它變形監測方法（如GPS僅僅局限于某點或一定區域）是完全不同的，隨著航天技術、星載SAR技術水平、精度和性能的提高，其應用領域將更加廣闊。

1.4 地面沉降監測技術發展趨勢

在近20年里，GPS以及InSAR技術以其低成本、高時效和高精度，逐漸在全世界地面沉降監測中得到了廣泛應用。而精密水準測量等傳統監測技術以其高精度和普適性仍然是地面沉降監測網絡中不可替代的一環。從地面沉降監測技術在國際上的應用進展來看，地面沉降監測技術的發展趨勢主要有3個方面：一是高精度的測量；二是多方法聯合測量；三是監測服務體系的整合。

PS-InSAR與GPS在精密探測地表形變方面具有優勢互補性，開展兩者協同測量研究，將更好地發揮出InSAR測量的潛力。歐洲于21世紀初，開始實現GPS與InSAR數據的綜合應用。在不久的將來，歐洲伽利略系統的實現，可以跟蹤更多的衛星，使用混合GPS-GALILEO接收器，從而更好的衛星配置，在精度與穩定性方面效果更加突出歐洲空間局（ESA）創造性的推動了一個為期10年的Terrafirma項目，旨在提供基于PS-InSAR技術的毫米級精度的地面沉降監測等方面的服務，覆蓋了歐盟25個成員國，通過整合InSAR和傳統地理信息系統（GIS）下的現場測量方法，由地質與地理學家進行解譯，從而產生高附加值和高層次的技術服務[16]。在Terrafirma項目框架下，不同國家的政府決策者、不同InSAR服務供應商、眾多的專家與學者可以協同工作，從而可以連續、準確、一致的推動地面沉降監測與災害防治工作。

2 上海市地面沉降監測網絡建設概況

上海經過五十多年的地面沉降監測網絡建設，已形成了較為系統的地面沉降監測網絡，建立了由地面沉降監測站重點控制、地面水準測量面狀監測、GPS監測網絡全區控制并兼顧地下水監測的綜合性地面沉降監測網絡，為地面沉降研究與防治提供了重要的基礎資料和技術支持。

結合城市發展規劃和監測網絡整體布局，目前上海已形成由38座監測站組成的覆蓋全市的地面沉降監測站系統，且大部分采用自動化監測技術進行監測。最近十五年建設的地面沉降監測站主要分布在上海郊區，一方面遵循“填白補空”的原則，一方面也是郊區新城等發展的需要。隨著地面沉降調查與監測范圍的不斷擴大，地面沉降水準監測網逐步向近郊區擴展，目前地面沉降水準監測網已覆蓋全部中心城范圍及大虹橋、浦東周浦、臨港新城等重點區域。

上海逐步構建了生命線工程骨干監測網，在工程沿線部署了大量水準監測點及分層沉降監測標組，建立了重大基礎設施沿線周邊地區地面沉降骨干監測網，在詳細了解工程沉降與區域地面沉降關系的基礎上，對引起工程沉降的主要土層開展分層監測。上海現已擁有17座基巖標、86組分層標，重大基礎設施沿線周邊地區地面沉降骨干監測網的建設與完善，為重大基礎設施沉降與周邊地區區域地面沉降對比分析，并提出針對性防治對策奠定了基礎。

上海地面沉降監測網絡體系由地下水動態監測網絡、地面沉降監測網絡、數據處理和控制中心組成。地面沉降監測網由基巖標、分層標監測網、水準監測網、GPS監測網、InSAR監測網組成，通過區分各種監測技術的優缺點，進而根據各種監測技術的適用條件進行綜合應用。

3 上海地面沉降監測技術的應用實踐與探索

3.1 傳統監測技術的應用

（1）水準測量

上海市的地面沉降現象最初是由租界1921～1938年重復水準測量反映出的[17]。目前上海市水準監測網已覆蓋整個中心城區，監測頻率為每年1次。監測方法以人工監測為主，兼顧自動化監測手段。

隨著城市的發展，中心城的范圍逐步擴大，地面沉降水準監測網控制范圍也隨之擴大，測區面積約900km2，水準點間距基本確保500m/點，進一步加強了區域控制能力。水準監測網絡優化、完善，加強了區域控制能力，提高了網形強度。

（2）基巖標、分層標測量

基巖標作為高程控制測量的基準，其建設與應用，提高了上海地面沉降測量精度。基巖標是埋設在地下完整基巖上的特殊觀測點，可以作為地面沉降測量的高程控制點。

分層標是上海掌握不同深度土層變形信息最主要的手段，其根據土層的性質，埋設在地下不同深度土層和含砂層中，是世界上公認的測量松散土層變形量的設施。目前上海市已建成38座由一個基巖標和若干個分層標組成的監測站，形成對上海全市地面沉降的全覆蓋監控。

上海已研發了綜合采集系統，以實現地面沉降分層標數據的自動、連續采集，和對各類監測點的網絡控制管理。該綜合采集系統可以對分層沉降實現遠程監控，實現定時和即時測量并自動將監測數據并入數據管理系統。

3.2 新監測技術的發展應用

（1）自動化監測

上海地區自2000年開展自動化監測工作以來，自動化監測以其效率和高精度的優點，在地面沉降監測中發揮了重要作用。在不斷進行技術更新、強化的同時，自動化監測規模也在陸續擴大。目前上海主要應用4種自動化監測技術：靜力水準自動化監測技術、地下水位自動化監測技術、全站儀自動化監測技術和電子水平尺自動化監測技術。其中應用于地面沉降監測站的主要為靜力水準自動化監測技術和地下水位自動化監測技術。

（2）GPS測量

上海市于1998年開始應用GPS技術，先后進行了可行性論證、基準網建設、數據處理和平差方法探索等一系列研究工作，并布設了由34點組成的覆蓋整個上海市的地面沉降監測基準網（GPS一級網，控制面積約5000km2），后又在全市范圍內布設了由110個GPS監測點組成的GPS二級網。2004年設立了4個GPS固定站（CORS站），開始對上海地面沉降實施連續監測。目前上海地面沉降GPS監測網分級布設基本形成，建成由6座GPS永久觀測站、65個GPS一級網監測點和218個GPS二級網監測點組成的GPS地面沉降監測網絡。

在應用GPS監測技術過程中，GPS監測外符精度在不斷提高，從2004年的9mm提高至現在5mm。通過觀測綱要的不斷優化、時段長度的優化、數據處理軟件的選取優化等，GPS一級網點與水準測量比較的標準偏差不斷減小，也即GPS測量的外符精度不斷提高。

（3）InSAR測量

上海從2004年便開始進行InSAR地面沉降監測研究，前期的研究主要利用中等分辨率SAR影像（如歐洲空間局衛星ERS-1/2和ENVISAT的C波段SAR影像）進行形變提取，并根據上海市沉降監測業務化工作的實際需要，應用短時間序列SAR影像地表形變檢測的新方法進一步開展了工程化試驗和成果驗證。后期采用了高分辨率SAR影像數據和L波段的長波長數據進行了大量的對比分析研究。上海市采用的SAR影像數據分辨率不斷提高。目前使用具有更強識別能力且對短周期微小形變更為敏感的的德國衛星TerraSAR-X（X波段波長為3.1cm）高分辨率SAR影像數據為數據源。

上海目前采用了一種針對短時間序列小數據集相干點目標的提取方法，擴展了PS-InSAR技術的應用。上海目前PS-InSAR地面沉降監測達到了毫米級精度，其基于序列高分辨率SAR數據不僅可以監測地面沉降，還可對大型單體建筑物及地鐵等線狀地物進行形變監測[18]。

3.3 信息化新技術在地面沉降監測中的應用

（1）北斗衛星的應用

中國自主建立的“北斗”區域導航系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能。利用北斗的報文功能，通過自動數據采集系統，將采集的實時數據加密然后利用報文的形式通過用戶機發送到指揮機，再在數據指揮中心通過特殊軟件將接收到的報文數據解析、還原，并生成可用的監測成果。未來隨著“北斗”系統功能的完善和性能的提高，其在地面沉降監測領域的應用前景將更加廣闊。

（2）地面沉降測量APP

上海市目前應用的地面沉降測量APP采用無線網絡技術、WebService技術、藍牙通訊技術，結合電子水準儀，將數據采集、規范檢查、數據上傳發布一次性完成。減少了沉降監測監管的很多環節，保證了數據的準確性、及時性。節省了人力物力，提高了工作效率。地面沉降測量APP只采集標尺讀數，不計算高程和沉降量，高程和沉降量放在后臺進行，不存在泄密的問題。數據分外網和內網，外網負責數據的接收和計算，內網負責數據的存儲，保證了數據的安全。地面沉降測量移動端研究，在國內外的研究與應用并不多。

3.4 探索與發展

上海市的地面沉降監測是一個從無到有，從中心城區向全市，從單一水準測量到多方法綜合的發展過程。目前上海市已建成空間的、立體分布的、融合各種監測技術的、各種監測技術優勢互補的綜合性地面沉降監測網，基本建立了由區域地面沉降監測網（精密水準監測網、GPS地面沉降監測網、InSAR監測）—地面沉降動態監測網（基巖標、分層標組、自動化監測系統）—地下水動態監測網（水位、水質）構成的地面沉降監測網絡，基本滿足地面沉降研究中各個層次（不同控制區域、不同監測頻率、不同精度、不同深度土層、不同深度含水層）的研究需求。

地面沉降監測技術的發展趨勢主要有3個方面：一是高精度的測量；二是多方法聯合測量；三是監測服務體系的整合。上海目前擁有較為完善、覆蓋范圍廣、安全性高的地面沉降監測體系，上海在多技術融合，立體監測網絡方面的實踐與探索，可為國內外地面沉降監測網絡建設的發展提供借鑒與指導。未來上海可加強不同監測網絡系統的統一與整合，建立區域統一規劃及信息溝通，整體協調預警，并進一步提高監測精度，形成全天候、全方位、高精度的實時自動監測網絡。

4 結語

目前，上海地區地面沉降的主要監測技術有：水準測量、基巖標、分層標測量、自動化監測、GPS測量、InSAR測量等，各種監測技術的應用遵循各自的監測原理以及最佳應用范圍等技術要求。上海在多技術融合，立體監測網絡方面的實踐與探索，可為國內外地面沉降監測網絡建設的發展提供借鑒與指導。

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Application of land subsidence monitoring technology in Shanghai

XU Yan1,2,3, YANG Tian-Liang1,2,3, JIAO Xu1,2,3, WU Jian-Zhong1,2,3
(1. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Land subsidence is one of the most prominent geological disasters in the plains of Shanghai and all over the world, directly threatening the urban ecological environment and major infrastructure security. The monitoring of land subsidence is an important part of the prevention and control of the land subsidence hazard. After 50 years of practice and exploration of land subsidence monitoring techniques, a land subsidence monitoring network has been constructed in Shanghai. This paper explores the development trend of land subsidence monitoring technology, through the analysis of the present application of international land subsidence monitoring technology, and summarizes the status of land subsidence monitoring network construction and the application of new technology in Shanghai. The results are valuable for the development of land subsidence monitoring and the application of new technology at home and abroad.

land subsidence; monitoring technology; application practice; development trend

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0031-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.008

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

許言(1989-),男,博士,助理工程師,主要從事地面沉降與軟土工程地質研究.

電子郵箱: xuyan@sigs.com.cn

聯系電話: 021-56617671

中國地質調查局地質調查項目