高時空分辨率地面沉降監(jiān)測體系研究與實現(xiàn)

張杏清，謝榮安，戴吾蛟，周元華，匡翠林

(1.廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800； 2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

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高時空分辨率地面沉降監(jiān)測體系研究與實現(xiàn)

張杏清1，謝榮安1，戴吾蛟2，周元華1，匡翠林2

(1.廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800； 2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

珠江三角洲地質(zhì)環(huán)境條件復雜，受多種因素影響，平原區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生嚴重地面沉降地質(zhì)災害，是我國四大重點沉降區(qū)之一。探索一種應用InSAR、GPS、精密水準高效協(xié)同監(jiān)測和相關監(jiān)測資料精密處理、高效融合的理論、技術與方法，建立高時空分辨率的地面沉降監(jiān)測體系成為當務之急。本文針對廣州南沙試驗區(qū)開展的高時空分辨率沉降監(jiān)測體系的研究實踐，研究了融合的理論、技術和方法，并得到成功應用，具有很強的推廣意義。

地面沉降；形變監(jiān)測；InSAR；GPS；水準測量

一、引 言

地面沉降是一種緩變性、不可逆的地質(zhì)災害,已經(jīng)成為影響珠三角地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，因此，開展區(qū)域性地面沉降監(jiān)測為政府和社會制定防控措施提供技術支撐顯得尤為迫切。長期以來，地面沉降監(jiān)測一般依靠定期的水準測量，受經(jīng)費、人力和通視條件的限制，水準測量通常布點少，水準路線稀疏，監(jiān)測周期長，時間和空間分辨率都很低，很難捕捉到沉降最嚴重的區(qū)域及劃定沉降發(fā)生的范圍，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代防災減災對地面沉降進行快速和大面積監(jiān)測的需求。隨著GPS和InSAR等現(xiàn)代衛(wèi)星觀測技術的發(fā)展和進步，GPS已可提供監(jiān)測點高時間分辨率的三維地表形變序列，但空間分辨率低；InSAR可以提供高空間分辨率的地面沉降結(jié)果，但時間分辨率低。因此，單一的水準、GPS或InSAR等地面沉降監(jiān)測技術難以同時獲取珠江三角洲地區(qū)高時空分辨率的地面沉降信息，從而極大地影響了該地區(qū)地面沉降時空演化規(guī)律的分析和時空預報模型的建立。為此本文提出了應用InSAR、GPS、精密水準高效協(xié)同監(jiān)測和相關監(jiān)測數(shù)據(jù)精密處理、高效融合的理論、技術與方法研究，為建立高時空分辨率的地面沉降監(jiān)測體系提供理論基礎。

二、監(jiān)測體系總體技術框架

針對單一地面沉降監(jiān)測技術難以同時獲取高時間和高空間分辨率的地面沉降信息的缺點，研究InSAR、GPS、精密水準等多種觀測手段協(xié)同監(jiān)測獲取地面沉降的理論、技術與方法。其總體思路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測體系總體技術框架

三、監(jiān)測體系設計與實現(xiàn)

1.監(jiān)測體系設計目標

通過研究突破復雜環(huán)境下高精度地面沉降信息獲取、分析、建模的關鍵技術，建立高時空分辨率的地面沉降監(jiān)測體系，提出地面沉降監(jiān)測的最優(yōu)化方法，為廣東省珠三角及周邊地區(qū)的地面沉降地質(zhì)災害的分析、判別、預報、預警提供技術基礎，不僅能夠體現(xiàn)主動防災減災的時效性與準確性，而且能夠發(fā)揮良好的社會效益和經(jīng)濟效益。主要內(nèi)容包括：①InSAR與水準協(xié)同監(jiān)測提高地面沉降信息的空間分辨率；②InSAR與GPS協(xié)同監(jiān)測提高地面沉降信息的時間分辨率；③研究建立高分辨率地面沉降監(jiān)測體系示范區(qū)。

2.監(jiān)測試驗區(qū)的選取

通過調(diào)查和分析，廣州市南沙區(qū)萬頃沙、新墾及鄰近中山浪網(wǎng)一帶，位于珠江口西北岸，地理位置獨特，區(qū)內(nèi)江環(huán)水繞，河網(wǎng)縱橫，地勢低平，地質(zhì)單元屬于海陸交互相沉積前緣，在河口周邊的平原區(qū)第四紀更新世至全新世沉積了厚達數(shù)米至數(shù)十米的松軟土層，淤泥和淤泥質(zhì)軟土層分布廣泛，且以萬頃沙地區(qū)的松軟土層較具有典型性和代表性，加上這一地區(qū)經(jīng)濟高速發(fā)展，人類工程活動強烈、地面沉降地質(zhì)災害較發(fā)育，地面沉降非常明顯，特別是沿河區(qū)域的地表下沉較為嚴重，平均速率達到了20～30 mm/a，對房屋、交通、水利及地下管線等設施造成了較為嚴重的破壞。試驗區(qū)域范圍地理位置東經(jīng)113°23′—113°39′，北緯22°34′—22°45′，如圖2所示。

圖2 試驗區(qū)位置

3.監(jiān)測體系的設計

根據(jù)地面沉降監(jiān)測技術規(guī)范要求，在試驗區(qū)范圍500 km2內(nèi)，按研究任務同時實施，其中水準監(jiān)測網(wǎng)及GPS自動化監(jiān)測網(wǎng)的布設以已有的InSAR監(jiān)測成果作為優(yōu)化設計的參考。首先分別建立GPS監(jiān)測網(wǎng)、水準監(jiān)測網(wǎng)，并選取試驗區(qū)InSAR數(shù)據(jù)及制定數(shù)據(jù)處理方法。InSAR監(jiān)測范圍包括整個試驗區(qū)域500 km2，水準監(jiān)測范圍為200 km2，設計為二等水準測量精度。GPS監(jiān)測范圍為100 km2，采用單雙頻混合連續(xù)自動化監(jiān)測。采用德國TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為InSAR資料來源，共收集11期南沙地區(qū)TerraSAR-X數(shù)據(jù)。

4.監(jiān)測體系實現(xiàn)

在南沙試驗區(qū)建立了3種方法的監(jiān)測網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測網(wǎng)布置圖

其中二等水準監(jiān)測網(wǎng)埋設水準監(jiān)測點68個，監(jiān)測點平均密度為2公里1個，點位埋設于地面下，分布于建筑區(qū)、道路、內(nèi)河堤岸、田間的塘基、田基等處，可以代表各種地形及地類情況，自2011年11月至2013年12月共完成三期二等水準測量觀測。GPS監(jiān)測范圍為100 km2，共布設11個監(jiān)測站(其中雙頻4個站，單頻7個站)，包含2個基準點。監(jiān)測標志有2個設置于建筑物頂?shù)谋O(jiān)測墩，設備包括大理石底座、混凝土圓柱、GPS接收機、太陽能供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；9個設置為土層監(jiān)測點，設備包括混凝土底座、不銹鋼監(jiān)測桿、GPS接收機、太陽能供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。采用單雙頻混合連續(xù)自動化監(jiān)測，數(shù)據(jù)更新頻率為1 d，數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)無人值守自動化監(jiān)測(如圖4所示)。

圖4 GPS及水準點監(jiān)測標志

InSAR地面沉降監(jiān)測平均每月1期，共監(jiān)測24期。將GPS測量結(jié)果與水準測量結(jié)果進行分析比對，除去2個基準點和1個粗差點，計算其沉降速率差值最大為4 mm，并且與同期InSAR監(jiān)測結(jié)果比較基本一致。表1是本項目開展的幾種測量技術方法的比較。

表1 監(jiān)測工作方法對應效益比較

從表中可以看出，水準測量方法精度最高，但成本高，而且周期長，難以及時反映地面沉降狀況；采用GPS單雙頻技術方法可以少量使用雙頻接收機，大部分使用單頻接收機，節(jié)約了設備的投入，而且能夠獲取較高精度的動態(tài)變化情況；采用InSAR技術雖然無法達到前兩種方法的精度，但通過它們的觀測結(jié)果對數(shù)據(jù)處理并加以改正可以較大地提高其精度，觀測周期也較靈活，能夠從宏觀上全面掌握地面沉降狀況，工作成本容易控制。如果融合它們各自的優(yōu)點，建立新的監(jiān)測系統(tǒng)，以GPS監(jiān)測方法為主體，布設密度2～3 km，實時觀測，以水準測量為基礎，有可能的情況盡量選擇水準和GPS點為同一個點，布設密度5～8 km，觀測周期3～5年；以InSAR監(jiān)測為輔，以一年1～2期全覆蓋監(jiān)測區(qū)域。高分辨率監(jiān)測體系可以克服水準路線稀疏、監(jiān)測周期長、時間和空間分辨率低，以及很難捕捉到沉降最嚴重的區(qū)域及劃定沉降發(fā)生的范圍等問題，利用衛(wèi)星導航定位技術所提供的監(jiān)測點高時間分辨率的三維地表形變序列，同時利用InSAR可以提供高空間分辨率的地面沉降結(jié)果，彌補了其空間分辨率低的不足，監(jiān)測經(jīng)費和人員投入會大幅減少，監(jiān)測的時效性更佳，為地面沉降長期有效實施提供了條件，滿足現(xiàn)代防災減災對地面沉降進行快速和大面積監(jiān)測的需求。

四、關鍵技術

1.利用單雙頻GPS混合方法進行地面沉降監(jiān)測技術

(1) 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單雙頻GPS混合監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理3大部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。即監(jiān)測站與參考站的硬件配置是相同的，由GPS天線、GPS傳感器、天線電纜、GPRS Modem、電源(采用太陽能或UPS)組成。數(shù)據(jù)通過GPRS可直接發(fā)送至已連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機系統(tǒng)上，通過計算機上的數(shù)據(jù)采集、處理、管理及分析軟件自動提供地面沉降信息。

圖5 單雙頻GPS混合地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程為：首先通過數(shù)據(jù)接收部分接收GPS數(shù)據(jù)；然后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到已經(jīng)連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機系統(tǒng)上，該計算機系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)處理中心，裝有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)管理軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的全自動化，得到監(jiān)測點的地面沉降信息；最后通過基于Web的數(shù)據(jù)管理軟件，實現(xiàn)地面沉降監(jiān)測結(jié)果信息的遠程查詢、數(shù)據(jù)下載等服務。

(2) 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理通過自主研發(fā)的地面沉降信息管理Web系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測點信息、監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)測設備狀態(tài)等信息的Web管理，其數(shù)據(jù)處理流程為：首先將實時采集的GPS原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式觀測數(shù)據(jù)文件，同時通過軟件自動下載相應的IGS站觀測數(shù)據(jù)和精密星歷等數(shù)據(jù)；然后通過專門開發(fā)的單雙頻地面沉降監(jiān)測基線解算軟件獲得基線結(jié)果，經(jīng)過相應的坐標轉(zhuǎn)換后計算獲取沉降信息；最后將沉降信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并對沉降序列進行可視化。

(3) 監(jiān)測結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果來看，雙頻點的WRMS值都優(yōu)于以往全國GPS網(wǎng)處理中的重復性3.7～4.0 mm的結(jié)果，說明解算精度已經(jīng)很高了，單頻點的WRMS均值4.0 mm，表明單頻點的解算精度整體要比雙頻精度低。

2.單雙頻組網(wǎng)的高精度變形監(jiān)測電離層改正技術

采用雙頻接收機可以通過電離層組合的方式消除電離層一階項的影響，殘余的高次項誤差可以忽略，而單頻接收機無法通過此方法直接消除電離層誤差。因此可以在變形監(jiān)測網(wǎng)絡中的基準站布設雙頻接收機，監(jiān)測站布設單頻接收機，采用雙頻基準站觀測數(shù)據(jù)生成大氣延遲誤差改正項，用于改正監(jiān)測站點的單頻觀測數(shù)據(jù)，以此可以達到雙頻機的精度，節(jié)省監(jiān)測設備費用的投入。

3.基于GPS大氣延遲時空延拓的InSAR水汽改正技術

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)中大氣延遲誤差的去除，一直是InSAR研究的熱點和難點，目前很難從SAR數(shù)據(jù)本身進行改正，比較直接的方法是利用同步的外部水汽數(shù)據(jù)作差分去除。利用GPS水汽數(shù)據(jù)改正InSAR大氣延遲影響，GPS觀測網(wǎng)的低空間分辨率是改正效果的主要限制因素，本項目研究基于GPS大氣延遲時空延拓的InSAR大氣改正技術，基本解決了這一難題。

4.InSAR、水準及GPS融合數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)融合方法是通過綜合InSAR手段高空間分辨率、水準手段高精度及GPS手段高時間分辨率的優(yōu)點，獲取最優(yōu)的動態(tài)沉降場模型，并估計沉降參數(shù)。該方法主要包括以下步驟：

(1) 利用PSI技術獲取高分辨率InSAR沉降序列場

考慮到研究區(qū)內(nèi)以覆蓋密集植被的農(nóng)業(yè)區(qū)為主，因此采用永久散射點技術對SAR干涉影像進行處理，其基本思想是僅利用在整個觀測時段內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的散射特征的點目標來估計其形變速率，以降低失相干所引起的誤差。

(2) 水準資料、GPS成果與PSInSAR結(jié)果融合

經(jīng)過水準資料校正后的PSInSAR形變場具有較高的空間分辨率，而GPS結(jié)果則具有較高的時間分辨率。為了同時獲取高時空分辨率的形變場，必須對GPS和PSInSAR結(jié)果進行融合。在InSAR結(jié)果提供的監(jiān)測地區(qū)沉降范圍、趨勢和量級等先驗信息的基礎上，對高時間分辨率的GPS離散點形變結(jié)果進行空間插值，同化GPS和PSInSAR的空間分辨率。在此基礎上，通過Kalman濾波模型構(gòu)建高時空分辨率地表沉降序列場。

五、結(jié)束語

建立科學合理的沉降監(jiān)測體系，獲取珠江三角洲地區(qū)高時空分辨率的地面沉降信息，是政府及社會制定預防措施、防災減災的重要技術支撐。在政府財力有限的情況下，大范圍的監(jiān)測必須滿足相應的技術要求，同時要求投入最少。隨著我國BDS的建設和完善，技術水平的提升，北斗應用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐正在加快，應用于監(jiān)測型的接收終端設備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等軟硬件已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)業(yè)化程度高，成本低效益高，適合大范圍推廣應用。以試驗區(qū)監(jiān)測體系的成功經(jīng)驗，建立基于BDS的地面沉降自動化監(jiān)測，以精密水準測量、InSAR監(jiān)測為輔的高時空分辨率監(jiān)測體系，能夠充分發(fā)揮3種監(jiān)測技術和方法的作用，達到效益最大化，實現(xiàn)了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，具有較高的研究和推廣價值。

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Research and Realization of High Spatiotemporal Resolution Ground Subsidence Monitoring System

ZHANG Xingqing，XIE Rongan，DAI Wujiao，ZHOU Yuanhua，KUANG Cuilin

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10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0214

2015-04-21

廣東省財政產(chǎn)業(yè)技術研究與開發(fā)資金(2011-9)

張杏清(1962—)，男，碩士，高級工程師，主要從事測繪生產(chǎn)技術管理和新技術應用研究工作。E-mail:zxq5508@126.com

P237

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：0494-0911(2015)07-0068-04