新技术在地面沉降监测中的应用

张治宇（长安大学地质工程与测绘学院 陕西西安 710061）

新技术在地面沉降监测中的应用

张治宇（长安大学地质工程与测绘学院 陕西西安 710061）

随着地下水资源的过度开发、油气资源的不合理开采、矿区不合理开挖与人类各类地上与地下工程建设的实施，导致地下松散地层固结压缩的速度加快，进而致使地面沉降的幅度与速度大幅加快。地面沉降严重影响到了城镇化建设与社会经济可持续型发展，已成为危害国民经济的一类主要地质灾害。如何合理利用多种手段获得沉降监测数据，并高效准确的处理这些数据成为了一个重要的问题。本文简要叙述了各类常用的监测方法与数据处理手段，并阐明其各自的优势和原理。

地面沉降；监测；GPS；InSAR；GIS

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

一、地面沉降的原因与危害

地面沉降的成因是多方面的，大致可以分为自然因素引起的沉降以及人为因素引起的沉降。其中，自然因素引发沉降的主要成因为构造运动与土壤的自然压实。人为因素的情况多种多样，主要因素为地下水的过量开采、油气资源不合理开发。同时，在矿区也时常会产生由于地下固体矿产的挖掘而引起的地面沉降现象，而城市地区中各类地下工程的进行也同样会引发地面沉降，如地铁的修建、地下管线的布设等。

地面沉降作为一种主要的地址灾害，对国民经济建设与可持续发展都造成了很大的影响，不仅会对已有的建筑物与生产设施造成损害，还会影响到地下资源的开发与地下建设的实施。同时，由于地面沉降多发区往往属于地层结构不稳定的地带，因而，在这些地区进行资源开发与城市建设所需消耗的人力、物力远高于地质结构稳定的地区，生产能力同样收到其地质条件的制约与影响。现代冲击三角洲平原与滨海平原由于其临海的地理位置，当地面沉降至海平面之下或接近海平面时，将会发生海水倒灌的现象，引发土地以及地下水的盐碱化，对生产与生活造成很大的影响。如处于断陷盆地的宁波以及处于现代冲击三角洲平原的上海，均受到了地面沉降引起的海水倒灌的影响。虽然很多地区，如大庆、上海等地积极地采取人工回灌的方法，使得地下液体面回升，实现了地面的部分回弹，但是如何实现监测尽早的得知地面沉降现状，仍然是当前研究的重点问题。

二、GPS在地面沉降监测中的应用

随着空间技术、计算机技术等测绘相关领域的发展，GPS接收机价格的下降与性能的提升，GPS的定位精度与定位速度显著提高，由于GPS具有全天候、高精度、操作简单、自动化程度高、选点制约条件少等特点，现已广泛地应用于工程测量、大地测量与变形监测中。

1.GPS取代传统水准测量所面临的问题

用GPS取代传统水准测量所面临的问题主要有两个：其一是GPS虽然在平面定位上具有良好的精度，但其高程定位精度远未达到平面定位的精度水平；其二是传统水准测量方法所采用的大地水准面与GPS所采用的参考椭球面之间的差距规律复杂。

2.GPS在地面沉降监测中的优势

近些年来随着各国卫星定位系统的进一步完善、大地水准面研究工作的不断发展、空间数据处理能力的提高、接收机精度与效率的提高，使得GPS定位速度与精度有了较为明显的改善，从而满足了GPS代替水准传统水准测量的技术要求。同时，与传统的水准测量相比，GPS选点具有不受通视条件、观测距离、两点高差等条件限制的优势，使得在同等精度的要求下，成本与工作效率远高于传统水准测量，成为了地面沉降监测的重要手段。

3.GPS应用于地面沉降监测中的原理分析

三、InSAR技术在地面沉降监测中的应用

合成孔径雷达干涉（InSAR）作为为一项先进的极具发展潜力的空间对地探测技术，结合了射电天文干涉技术与传统SAR遥感技术的特性，通过主动遥感的方式，向目标区域发射微波信号，并接受反射信号，根据SAR复图像对之间的干涉条件得到干涉图，并计算得到两次成像之间微波信号的路程之差，进而得到地形、地貌微小变化等重要的数据，与GIS及其他的相关技术相结合服务于地学研究。

1.InSAR技术应用于地面沉降监测的优势

由于InSAR技术具有全天候、高分辨率、高精度、大范围、高自动化、低成本等特征，在地学研究尤其是大范围的地面沉降监测中，与传统的水准测量以及GPS测量互相补充，具有极为广阔的应用前景。近年来，随着干涉测量研究的深入，雷达差分干涉测量利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表垂直形变量的提取,其精度已经达到了mm级。[3]

2.InSAR技术应用于地面沉降监测中的原理

InSAR技术通过主动遥感的方式，平行的对地面进行两次观测，得到2幅SAR复图像。已知在前后两次遥感的过程中，探测器主动发出的微波频率应该是相同的，成像期间波动连续。可以推知，在相遇处它们的振动方向几乎沿同一直线,则两雷达波在相遇处产生干涉现象。[3]因此可以结合两次遥感的天线位置，生成干涉图像，进而得到所监测地区的高程信息，通过高程信息比较即可得到地面沉降情况。

3.GIS在地面沉降数据处理中的应用

地理信息系统（GIS）作为一种特殊的空间信息系统，其在采集、储存、处理、显示与空间有关的数据、图形上面有着巨大的优势，是管理与决策的有力工具。随着地球科学、计算机科学、信息科学、测绘科学等学科的发展，GIS逐步完善，并在诸多领域中进行着新的运用。现如今，GIS在地面沉降的数据分析与数学建模中起到了越来越重要的作用。

利用GIS对地面沉降数据进行管理仍应按照GIS数据处理的一般流程进行。首先应进行数据的采集与分类；其次，建立数据之间的约束关系，构建数学模型；最后，利用数学模型对地面沉降结果进行处理，分析得到地面沉降的影响范围、严重程度、发展趋势、沉降成因等诸多与地面沉降监测有关的数据。其具体操作为：

（1）确定地面沉降监测研究所需采集的相关数据，如：地质构造、土层物理力学特性、地下水分布与开采状况、地下工程建设情况、传统水准测量与GPS、InSAR观测数据等等。

（2）对数据进行分类，设计并建立数据库，将数据按照属性进行分类，如：水文库、工程建设库、地质条件库、水准观测资料库等等

（3）对已分库数据进行管理，建立约束条件与数学模型。同时，将研究的地理对象抽象成方便表达的基本图元。

（4）通过已得到的数据，将地面沉降的相关情况以图件的形式直观的表示出来。

（5）结合处理后的数据以及原始数据，利用GIS对与空间信息相关数据强大的数据处理能力，完成沉降分析。

四、结语

科技发展的目的即是解放人力，与传统的水准测量相比，采用GPS、InSAR技术在获取大面积的地面沉降信息可有效的节约大量的人力资源，更加的自动化，提高了生产效率降低了生产成本，是未来地面沉降监测数据采集中的主力军。而GIS技术则以其在处理与空间信息有关的数据中有着巨大的潜力。应用新技术实现地面沉降监测前景广阔。

[1]张勤,黄观文,王利,武晓忠,丁晓光．GPS在西安市地面沉降与地裂缝监测中的应用研究[J]．工程地质学报,2007,06:828-833．

[2]侯林山,王金龙,朱三妹,张胜,钟世明．利用差分GPS进行地面沉降监测的研究[J]． 岩土力学,2006,05:811-815．

[3]何庆成,方志雷,李志明,刘文波． InSAR技术及其在沧州地面沉降监测中的应用[J]． 地学前缘,2006,01:179-184．