張治宇（長安大學地質(zhì)工程與測繪學院 陜西西安 710061）

新技術在地面沉降監(jiān)測中的應用

張治宇（長安大學地質(zhì)工程與測繪學院 陜西西安 710061）

隨著地下水資源的過度開發(fā)、油氣資源的不合理開采、礦區(qū)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(zhèn)化建設與社會經(jīng)濟可持續(xù)型發(fā)展，已成為危害國民經(jīng)濟的一類主要地質(zhì)災害。如何合理利用多種手段獲得沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并高效準確的處理這些數(shù)據(jù)成為了一個重要的問題。本文簡要敘述了各類常用的監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)處理手段，并闡明其各自的優(yōu)勢和原理。

地面沉降；監(jiān)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(fā)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(fā)。同時，在礦區(qū)也時常會產(chǎn)生由于地下固體礦產(chǎn)的挖掘而引起的地面沉降現(xiàn)象，而城市地區(qū)中各類地下工程的進行也同樣會引發(fā)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(jīng)濟建設與可持續(xù)發(fā)展都造成了很大的影響，不僅會對已有的建筑物與生產(chǎn)設施造成損害，還會影響到地下資源的開發(fā)與地下建設的實施。同時，由于地面沉降多發(fā)區(qū)往往屬于地層結構不穩(wěn)定的地帶，因而，在這些地區(qū)進行資源開發(fā)與城市建設所需消耗的人力、物力遠高于地質(zhì)結構穩(wěn)定的地區(qū)，生產(chǎn)能力同樣收到其地質(zhì)條件的制約與影響?，F(xiàn)代沖擊三角洲平原與濱海平原由于其臨海的地理位置，當?shù)孛娉两抵梁Ｆ矫嬷禄蚪咏Ｆ矫鏁r，將會發(fā)生海水倒灌的現(xiàn)象，引發(fā)土地以及地下水的鹽堿化，對生產(chǎn)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(xiàn)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(qū)，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(xiàn)了地面的部分回彈，但是如何實現(xiàn)監(jiān)測盡早的得知地面沉降現(xiàn)狀，仍然是當前研究的重點問題。

二、GPS在地面沉降監(jiān)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(fā)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(xiàn)已廣泛地應用于工程測量、大地測量與變形監(jiān)測中。

1.GPS取代傳統(tǒng)水準測量所面臨的問題

用GPS取代傳統(tǒng)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(tǒng)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(guī)律復雜。

2.GPS在地面沉降監(jiān)測中的優(yōu)勢

近些年來隨著各國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的進一步完善、大地水準面研究工作的不斷發(fā)展、空間數(shù)據(jù)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(tǒng)水準測量的技術要求。同時，與傳統(tǒng)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(yōu)勢，使得在同等精度的要求下，成本與工作效率遠高于傳統(tǒng)水準測量，成為了地面沉降監(jiān)測的重要手段。

3.GPS應用于地面沉降監(jiān)測中的原理分析

三、InSAR技術在地面沉降監(jiān)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(fā)展?jié)摿Φ目臻g對地探測技術，結合了射電天文干涉技術與傳統(tǒng)SAR遙感技術的特性，通過主動遙感的方式，向目標區(qū)域發(fā)射微波信號，并接受反射信號，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jiān)測的優(yōu)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(jiān)測中，與傳統(tǒng)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(wèi)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(jīng)達到了mm級。[3]

2.InSAR技術應用于地面沉降監(jiān)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(fā)出的微波頻率應該是相同的，成像期間波動連續(xù)。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(chǎn)生干涉現(xiàn)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(jiān)測地區(qū)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(shù)據(jù)處理中的應用

地理信息系統(tǒng)（GIS）作為一種特殊的空間信息系統(tǒng)，其在采集、儲存、處理、顯示與空間有關的數(shù)據(jù)、圖形上面有著巨大的優(yōu)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(fā)展，GIS逐步完善，并在諸多領域中進行著新的運用。現(xiàn)如今，GIS在地面沉降的數(shù)據(jù)分析與數(shù)學建模中起到了越來越重要的作用。

利用GIS對地面沉降數(shù)據(jù)進行管理仍應按照GIS數(shù)據(jù)處理的一般流程進行。首先應進行數(shù)據(jù)的采集與分類；其次，建立數(shù)據(jù)之間的約束關系，構建數(shù)學模型；最后，利用數(shù)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(fā)展趨勢、沉降成因等諸多與地面沉降監(jiān)測有關的數(shù)據(jù)。其具體操作為：

（1）確定地面沉降監(jiān)測研究所需采集的相關數(shù)據(jù)，如：地質(zhì)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(tǒng)水準測量與GPS、InSAR觀測數(shù)據(jù)等等。

（2）對數(shù)據(jù)進行分類，設計并建立數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)按照屬性進行分類，如：水文庫、工程建設庫、地質(zhì)條件庫、水準觀測資料庫等等

（3）對已分庫數(shù)據(jù)進行管理，建立約束條件與數(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)，利用GIS對與空間信息相關數(shù)據(jù)強大的數(shù)據(jù)處理能力，完成沉降分析。

四、結語

科技發(fā)展的目的即是解放人力，與傳統(tǒng)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(jié)約大量的人力資源，更加的自動化，提高了生產(chǎn)效率降低了生產(chǎn)成本，是未來地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中有著巨大的潛力。應用新技術實現(xiàn)地面沉降監(jiān)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(jiān)測中的應用研究[J]．工程地質(zhì)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(jiān)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(jiān)測中的應用[J]． 地學前緣,2006,01:179-184．