楊森林 高孝敏 于立民 朱凱丹

摘 要 本文研究了水準(zhǔn)測量、GPS監(jiān)測、InSAR監(jiān)測技術(shù)在地面沉降監(jiān)測應(yīng)用當(dāng)中的原理及技術(shù)手段，并以《唐山南湖生態(tài)城區(qū)域地面沉降監(jiān)測項(xiàng)目》為研究對象比較和分析了各種方法的優(yōu)勢，最終實(shí)現(xiàn)了三種手段優(yōu)勢互補(bǔ)，相互驗(yàn)證，最終獲得了點(diǎn)、面的綜合地面沉降信息，將收集到的信息分類匯總后，最終建成一套全面的、有效的、高精度的實(shí)時預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 地面沉降 GPS 水準(zhǔn)測量 InSAR

中圖分類號：P25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0067-03

地面沉降是指受自然因素或者人為因素導(dǎo)致地表高程發(fā)生較為緩慢的變化，隨著時間的推移，有可能造成地面變形、塌陷，更為嚴(yán)重的甚至?xí)鸬缆窋嗔眩叵鹿芫€損毀，建筑物變形等重大安全事故。

地面沉降常用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量法，通過水準(zhǔn)測量獲取大量的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，定期比較點(diǎn)位變化量。傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量精度較高，但投入量大且指能通過單點(diǎn)分析變化趨勢。近些年來，GPS監(jiān)測技術(shù)、InSAR技術(shù)迅速發(fā)展，相比而言GPS技術(shù)具有時效性、全天候等監(jiān)測特點(diǎn)，而InSAR技術(shù)具有大范圍、高效率等監(jiān)測特點(diǎn)。

1 研究區(qū)域地面沉降形成的機(jī)理及項(xiàng)目概況

本文以《唐山市南湖生態(tài)城地面沉降監(jiān)測項(xiàng)目》為研究對象，項(xiàng)目區(qū)位于唐山市中心城區(qū)南部，為開灤唐山礦和增盛礦、劉莊? 礦兩個地方煤礦經(jīng)過長期地下采煤活動形成地下采空區(qū)，地下煤炭等資源經(jīng)過長期的大量的開采，地層下多處已被采空，巖體應(yīng)力后重新開始分布，以尋求新平衡。地下水開采利用以及礦坑排水疏干從而使地下水位大幅度地下降，從而削弱地下水對上部采空區(qū)巖層托浮力;雨季，大量的雨水以及表層水下滲后進(jìn)入到上覆的巖土體中，增加了巖土體的自重;另外，地震及開采放炮的振動等多方面因素共同作用之下，促使下部采空區(qū)受力集中的部位巖體發(fā)生彎曲、塌落、變形，這種方式的破壞再以一定擴(kuò)散角度逐漸地向地面上發(fā)展，造成地面沉降、變形甚至塌陷。隨著時間不斷推移，采空區(qū)的周圍巖土塌落，甚至變形范圍不斷增大，地面沉降變形的范圍也不斷地向外擴(kuò)散，直到整個巖土體最終達(dá)到新平衡，最終形成了大范圍的沉降塌陷、變形。根據(jù)變形程度確定項(xiàng)目范圍東西長約5.0km，南北長約7.4km，總面積達(dá)28.73km2。

2 研究技術(shù)路線及方法

本文研究方法主要是結(jié)合高精度水準(zhǔn)測量方法、GPS監(jiān)測方法和InSAR監(jiān)測方法，研究各種方法的監(jiān)測原理，充分地利用各種方法的優(yōu)勢，以水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)作為基礎(chǔ)，將其它監(jiān)測手段相互聯(lián)系，在同一地點(diǎn)布設(shè)多種不同類型的監(jiān)測點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目區(qū)沉降觀測全覆蓋，又可以在保證垂直精度的同時滿足水平監(jiān)測的要求。并且通過測縫儀、測斜儀等傳感器突出對重點(diǎn)建（構(gòu)）筑物和重點(diǎn)區(qū)域的沉降變形監(jiān)測，通過GPS和傳感器可以實(shí)時地將數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)測平臺上，達(dá)到及時預(yù)警，從而形成一套全面、有效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。具體技術(shù)路線如下：

2.1 基于InSAR監(jiān)測原理及方法

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthe tic Aperture Radar，InSAR）是以合成孔徑雷達(dá)的復(fù)數(shù)據(jù)提取出的相位信息作為取出的信息源從而獲取地表變化的信息以及三維信息。InSAR技術(shù)是通過兩副天線同時觀測進(jìn)行的（單軌模式），或者是兩次將近平行觀測（重復(fù)的軌道模式），用來獲取同一物體復(fù)圖像對信息。由于監(jiān)測目標(biāo)與兩天線的位置關(guān)系，會在復(fù)圖像上產(chǎn)生，之后，根據(jù)監(jiān)測相位差及傳感器高度、波束視向、雷達(dá)波長以及天線的基線距離間的關(guān)系，精確地測量到圖像上的每一點(diǎn)微小變化量和三維位置。InSAR干涉測量是基于雷達(dá)遙感的新型對地觀測技術(shù)，它能高精度監(jiān)測較大面積的微小的地面形變，可以實(shí)現(xiàn)地表的形變毫米級精度幾何測量。

InSAR相對于傳統(tǒng)水準(zhǔn)監(jiān)測來說精度略有不足，但是有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如：監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測連續(xù)性強(qiáng)、受天氣影響小、監(jiān)測實(shí)施方便容易、成本相對較低、安全性高等特點(diǎn)。

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)具體情況，圍繞項(xiàng)目區(qū)地面沉降InSAR監(jiān)測要求，獲取到覆蓋項(xiàng)目區(qū)的長時間序列Sentinel-1A/1B中分辨率的雷達(dá)數(shù)據(jù);后利用PS-InSAR技術(shù)對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取到項(xiàng)目區(qū)域地面沉降信息，包括年平均沉降速率、累積沉降量等信息，確定項(xiàng)目區(qū)地下礦區(qū)開采誘發(fā)地面沉降影響范圍及監(jiān)測區(qū)域的穩(wěn)定性。

2.2 GPS監(jiān)測點(diǎn)布置及原理

全球定位系統(tǒng)簡稱GPS，其中RTK（Real-timekine matic）實(shí)時動態(tài)差分方法是GPS應(yīng)用中的重大里程碑。GPS的RTK 定位技術(shù)基于載波相位的觀測值實(shí)時的動態(tài)定位技術(shù)，它能夠進(jìn)行實(shí)時提供觀測站在坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并且能精確到厘米級的精度。在RTK 的工作模式下，基準(zhǔn)站是利用數(shù)據(jù)鏈將得到的觀測值和觀測站的測量信息傳送到流動站。從而流動基站不僅要接收來自基準(zhǔn)站中數(shù)據(jù)，而且同時采集GPS中的數(shù)據(jù)，并且同時處理分析后解算出最終高精度結(jié)果。流動站可以處在靜止的狀態(tài)， 也可以處于運(yùn)動的狀態(tài);可以在固定點(diǎn)進(jìn)行初始化后再進(jìn)入到動態(tài)作業(yè)，也可以動態(tài)條件直接開機(jī)測量，并在動態(tài)環(huán)境中完成模糊度整周的搜索求解（OTF）。在整周未知數(shù)解固定之后，可進(jìn)行單個歷元實(shí)時的處理，只要能保持在4 顆及以上衛(wèi)星觀測值跟蹤以及必要幾何圖形，流動站便能夠隨時地給出厘米級的定位結(jié)果。

在GPS沉降監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)中，基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)和監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)最為重要。在布設(shè)觀測點(diǎn)中需要注意在一定范圍內(nèi)避免存在電臺、電視臺、微波中轉(zhuǎn)站等具有信號源強(qiáng)的設(shè)施;避免存在高壓線、變電器等強(qiáng)干擾源的設(shè)施。這樣能最大程度地避免受到多路徑效應(yīng)干擾，從而提高數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量。本項(xiàng)目利用天寶R7GNSS系統(tǒng)，與系統(tǒng)軟件相結(jié)合，對地表沉降實(shí)施連續(xù)的、實(shí)時的、動態(tài)的全方位監(jiān)測，及時得到全面的高精度數(shù)據(jù)，滿足自動化要求。在沉降監(jiān)測區(qū)域內(nèi)間隔布設(shè)11座監(jiān)測點(diǎn)，在相對穩(wěn)定地區(qū)布設(shè)2座監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)。要求水平精度優(yōu)于3mm，垂直精度優(yōu)于5mm。GPS數(shù)據(jù)處理采用Trimble公司Trimble-4D軟件進(jìn)行了GPS網(wǎng)統(tǒng)一的平差解算，監(jiān)測點(diǎn)長期全天候監(jiān)測，自動采集數(shù)據(jù)每4小時解譯一次。

基于本項(xiàng)目通過在地面基準(zhǔn)點(diǎn)位和監(jiān)測點(diǎn)位架設(shè)多臺高精度GPS接收機(jī)，實(shí)時接收觀測數(shù)據(jù)文件后通過南湖在線沉降監(jiān)測系統(tǒng)自動剔除異常值，利用Trimble-4D平差解算軟件數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果軟件給出最終GPS測站三維坐標(biāo)和精度、速率等評定。最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋4D平臺上繪成各個點(diǎn)位的沉降變化。

2.3 水準(zhǔn)測量的技術(shù)理論和測量原理

水準(zhǔn)測量的方法又名為“幾何水準(zhǔn)測量”，是傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測的方法，是用電子水準(zhǔn)儀或者光學(xué)水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺等設(shè)備測定兩點(diǎn)之間高差的一種方法。在地面上兩點(diǎn)之間安置水準(zhǔn)儀，觀測兩點(diǎn)上樹立的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按尺上的讀數(shù)推算出兩點(diǎn)之間的高差。通常從水準(zhǔn)原點(diǎn)或者是任一已知的高程點(diǎn)出發(fā)，之后沿著選定好的水準(zhǔn)路線測定各個點(diǎn)的高程。在高程測量中水準(zhǔn)監(jiān)測是最為經(jīng)典、常用的一種方法，早在20世紀(jì)初期這種方法就應(yīng)用在東京及其周邊的一些區(qū)域檢測，隨著社會的不斷發(fā)展，水準(zhǔn)測量為地面沉降監(jiān)測中提供了可靠的、高精度的高程變化量信息。

在本文研究項(xiàng)目區(qū)域共建設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)4處，監(jiān)測點(diǎn)75處;布設(shè)一條閉合水準(zhǔn)路線作為基準(zhǔn)網(wǎng);7條符合水準(zhǔn)路線和1條之水準(zhǔn)路線為監(jiān)測網(wǎng)。對基準(zhǔn)網(wǎng)以二等水準(zhǔn)測量的精度進(jìn)行觀測;對監(jiān)測路線以三等水準(zhǔn)測量的精度進(jìn)行觀測，得到所有監(jiān)測點(diǎn)的高程，通過多次測量，對獲取的高程成果進(jìn)行對比，得到所有監(jiān)測點(diǎn)的變化量。因此，我單位研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水準(zhǔn)測量平差軟件，并將新軟件集成到移動終端，成功實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化，大大提高了工作效率。對高精度智能化水準(zhǔn)測量工作有重要的指導(dǎo)意義?！端疁?zhǔn)大師》軟件在windows10系統(tǒng)下開發(fā)，完成了“一次開發(fā)，跨平臺運(yùn)行”的目標(biāo)，可以同時在具有windows10的電腦端和移動端使用。移動端可以有效地記錄水準(zhǔn)測量的野外觀測數(shù)據(jù)，電腦端可以高效地處理水準(zhǔn)測量的內(nèi)業(yè)工作，適用于國家各等級水準(zhǔn)、精密水準(zhǔn)及普通工程水準(zhǔn)測量。軟件的基本功能由項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)字典、施工日志、水準(zhǔn)儀校驗(yàn)、水準(zhǔn)尺校驗(yàn)、基準(zhǔn)點(diǎn)管理、待測點(diǎn)管理、區(qū)段管理、路段管理、路段外業(yè)測量、溫度記錄和成果管理等模塊組成。為實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測量的高精度智能化提供了強(qiáng)有力的支撐。

3 監(jiān)測結(jié)果比較與分析

本文研究項(xiàng)目對唐山南湖生態(tài)城區(qū)域沉降監(jiān)測中的InSAR監(jiān)測、GPS監(jiān)測和水準(zhǔn)監(jiān)測等多種技術(shù)進(jìn)行比較分析，三種測量手段產(chǎn)生的成果在反映真實(shí)的沉降規(guī)律時具有高度的一致性，就目前得到的監(jiān)測結(jié)果而言，三種監(jiān)測結(jié)果均能體現(xiàn)出唐山南湖生態(tài)城區(qū)域西南部沉降速率較快，其他區(qū)域沉降較緩。該結(jié)果正好符合開灤開采生產(chǎn)情況，西南部為2010年后規(guī)劃新開采區(qū)域，沉降劇烈，速率較快，其它范圍為老開采范圍，目前已基本進(jìn)入穩(wěn)沉狀態(tài)。但在個別區(qū)域單點(diǎn)沉降值存在偏差，且差距較大。主要集中在水域邊緣、植被茂盛且季節(jié)性變化較大的地區(qū)，分析其原因，主要由于受大氣水汽、地表覆蓋和SBAS-InSAR監(jiān)測范圍能力等因素影響而且水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)成果精度較高，同時也驗(yàn)證了其它兩種手段測量精度完全可以滿足區(qū)域性地面沉降的監(jiān)測應(yīng)用需求。

本文所研究項(xiàng)目采用SBAS-InSAR與D-InSAR進(jìn)行綜合分析，獲取特定時段內(nèi)特定區(qū)域內(nèi)的地表形變信息，提高InSAR監(jiān)測精度。同時InSAR與GPS數(shù)據(jù)融合的結(jié)果能夠很好地解決掉單純使用GPS 測量不能解決的采空區(qū)地表微小的形變弊端。但是InSAR技術(shù)存在眾多的誤差源在一定程度上影響到了其觀測的精度，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)不僅能夠獲取到高精度大地測量的控制點(diǎn)坐標(biāo)，而且還能夠在站點(diǎn)以及時域間差分、校正 InSAR 產(chǎn)生的大氣誤差，利用其空間的定位優(yōu)勢來校正 InSAR 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，最終進(jìn)行精確幾何的定位。水準(zhǔn)點(diǎn)與GPS點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測同時作為GPS點(diǎn)參與InSAR解算，是三種技術(shù)融合的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，水準(zhǔn)測量作為傳統(tǒng)測量手段，測量精度高，其可信度已得到普遍認(rèn)可。三種技術(shù)手段相互融合對地下采空區(qū)監(jiān)測是一種全新的嘗試和挑戰(zhàn)，不僅能夠削弱各種誤差等因素影響，而且大大地提高了形變監(jiān)測精度。展望在未來將要實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)完全的融合仍然有許多問題需要進(jìn)一步地研究，其問題主要包括相位解纏法、區(qū)域內(nèi)水汽模型以及大氣層內(nèi)延遲誤差的改正模型、時間域和空間域融合模型的算法等許多方面。

4 結(jié)語

本文研究了水準(zhǔn)、InSAR、GPS三種方法監(jiān)測的技術(shù)原理和應(yīng)用，充分利用各種監(jiān)測手段的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了三種手段優(yōu)勢互補(bǔ)，相互驗(yàn)證，獲得了點(diǎn)、面的綜合地面沉降信息。以水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)為基礎(chǔ)，將其它監(jiān)測手段與其相聯(lián)系，即在相同地點(diǎn)布設(shè)不同類型的監(jiān)測點(diǎn)，這樣既可實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目區(qū)沉降觀測的全覆蓋，又可在保證垂直監(jiān)測精度的同時達(dá)到滿足水平監(jiān)測的要求，并且突出了對重點(diǎn)建筑物和重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)測，形成全面有效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。利用多種技術(shù)融合進(jìn)行地面沉降監(jiān)測的領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。