黄河三角洲区域地表形变监测研究

韩红花

(山东省国土测绘院，山东 济南 250013)

摘要：由于地壳运动、地下水使用及矿床开采等因素的影响，会造成地表的形变，特别是垂直(高程)方向影响更大。为了维持高程基准的现势性，本文提出了一种以InSAR地表形变监测和水准测量相结合的方法，实现地表形变区高程基准动态维持。并以黄河三角洲区域为例，对2种成果精度进行了对比验证，水准测量和InSAR监测结果基本相符，可实现2种技术手段融合以获取点、面综合的高程变化信息。

0 引言

地表形变是在自然或人为因素作用下，地表产生的升降、倾斜、错动等现象。近年来地表形变已成为较为突出和重点防治的地质灾害类型之一，存在发展空间大、发展趋势强、地下流体采源深和影响因素复杂等特点，对工农业生产、城市建设、高速公路建设和运行等造成了一定的影响[1-2]。另外地表形变会造成测绘基准成果的可靠性变差，影响测绘基准的应用服务。

地表形变监测早期主要以水准测量为主，通过布设水准点获取整体区域的地表形变情况，这种方法虽然精度较高，但是工作量较大，效率较低。近年来，随着合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)的发展，可以快速获取大范围的地表形变信息，该技术已得到广泛的应用。为满足经济社会发展的需要，维持测绘基准体系的现势性，本文提出了一种基于InSAR和水准测量2种手段实现地表形变监测的方法。

1 研究思路和技术方法

本文以黄河三角洲典型区域为研究区，探讨了基于InSAR和水准测量2种手段实现地表形变区域的高程基准动态维持[3-4]，对比分析2种手段的差异，测量完成后，对比已有水准测量成果，分析获取地表形变情况。同时，参考同期获取的InSAR地表形变量成果，验证两期水准数据获取的地表形变情况的可靠性，展望建立水准测量和InSAR结合的地表形变监测方法，以进一步推进地表形变区高程参考框架的动态维持工作，将InSAR和水准测量多源信息应用到高程基准维持中[5-6]，具体技术路线见图1。

图1 技术路线图

2 InSAR地表形变监测

本文采用基于相干目标的时序InSAR技术，利用InSAR形变监测软件系统SARProZ对各数据集进行时间序列差分干涉分析[7-9]，根据数据情况，采用相应算法及模型精确拆分干涉相位中的形变、高程和大气等分量，进而转换为地面形变量，最后进行数据融合，生成研究区域的地表形变监测图。本文采用哨兵1号数据，以升轨数据为主，降轨数据为补充。PS-InSAR技术优势为可以消除地形、基线与大气等误差因素的影响，使得形变监测的结果更加精确(毫米级)，实际上就是通过不断的迭代反演和不同的滤波手段，逐步消除误差，逼近真值的过程[10]。PS-InSAR的技术流程如图2所示。

图2 PS-InSAR数据处理流程

3 二等水准测量

3.1 水准路线布设情况

水准测量基于1985国家高程基准，使用数字水准仪进行观测，水准路线布设在地表形变区，同时包含非形变区一等基岩水准点和CORS基岩站，与水准施测路线一起闭合成环。其中，当旧水准点存在过于靠近永久性建筑物、遮挡、不稳固等不能观测和使用时，在原点位附近布设临时水准点[11-13]。具体路线见图3。

图3 水准路线及水准点分布情况示意图

3.2 水准观测要求

(1)在水准观测前先进行仪器自检。水准观测过程中，每天开测前进行i角测定，保存于仪器及观测手簿中，保证新测定i角与原有i角值比较，相差在±3.0s内，每天检校标尺上圆水准器的居中情况，并采用纸质表格记录[14-15]。

(2)每一测站的观测方式以及技术指标均严格按照水准测量规范中相关规定执行，保证每一测站经检核合格后方进行迁站。观测过程中，按照水准测量规范要求，实时依据测站当前实际情况记录仪器成像、云量、太阳方向、风速、风向、道路、土质等信息。为保证成果质量，观测自然条件较差时当天不进行观测[16-18]。

(3)水准观测需要间歇时，优先选择在固定点上做间歇。

(4)每日观测结束后下载导出水准观测成果，检查数据的完整性，如图4所示。

图4 测段文件编辑处理

(5)每个水准区段测量结束后，立即检查区段测量成果的往返测高差闭合差是否在限差要求范围内。

3.3 水准数据处理

外业实测结束后，先进行水准观测数据的正确性与一致性检验：

(1)检查水准数据的完整性。

(2)检查按路线累计往返观测高差、测站数、距离等关键数据。

(3)检查二等水准路线的往返高差不符值及每千米水准测量的偶然中误差：

(1)

式中：Δ为毫米为单位的测段往返测高差不符值；R为以千米为单位的测段长；n为测段数。

水准数据经过数据正确性与一致性检核后进行数据处理，加入正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮改正和环闭合差改正，完成最终的水准数据解算，每千米高差全中误差为±1.3472mm，平差后最弱点高程中误差为19.07mm，符合二等水准规范的限差要求。

4 二等水准测量成果与InSAR监测成果的对比分析

根据上述处理过程，获取研究区域内的二等水准成果和InSAR地表形变监测成果，对比2015年水准成果，发现测区地表发生了不同程度的形变，地表形变以地表沉降为主，部分发生了地表抬升。本文利用两期水准高差结果去验证InSAR地表形变结果[19-20]，具体如下：

(1)首先选取均匀分布于研究区域的水准点，本文共选择499个点作为后续精度验证。

(2)在InSAR监测成果基础上，以上述选择点位为中心，在基于InSAR形成的地表形变等值线区域中内插获取当前点位的InSAR形变值。

(3)计算水准成果和InSAR成果的差值，统计结果见表1。

表1 水准与InSAR获取的地表形变量差值

通过表1可得，大部分标志点形变量的不符值在3cm之内，绝大多数标志点形变量的不符值在10cm之内，不符值大的主要原因是2种方法的标志点非严格意义的同名点(即不在同一位置)，2种技术方法获取的地表形变量成果相符性较好。

5 结语

由于地壳运动、地下水使用及矿物开采等因素的影响，会造成地表的形变，特别是垂直(高程)方向影响更大，破坏测绘基准的稳定性。本文提出一种地表形变区域高程基准动态维持的思路，通过对研究区域内二等水准测量成果和InSAR成果的精度对比分析，得出2种成果的相符性较好，差别在厘米级精度，可实现基于水准和InSAR监测技术结合的点、面综合的高程基准动态维持。