多技術融合在地面沉降監測中的應用

楊森林 高孝敏 于立民 朱凱丹

摘 要 本文研究了水準測量、GPS監測、InSAR監測技術在地面沉降監測應用當中的原理及技術手段，并以《唐山南湖生態城區域地面沉降監測項目》為研究對象比較和分析了各種方法的優勢，最終實現了三種手段優勢互補，相互驗證，最終獲得了點、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、高精度的實時預警監測系統。

關鍵詞 地面沉降 GPS 水準測量 InSAR

中圖分類號：P25 文獻標識碼：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致地表高程發生較為緩慢的變化，隨著時間的推移，有可能造成地面變形、塌陷，更為嚴重的甚至會引起道路斷裂，地下管線損毀，建筑物變形等重大安全事故。

地面沉降常用傳統的水準測量法，通過水準測量獲取大量的監測點數據，定期比較點位變化量。傳統水準測量精度較高，但投入量大且指能通過單點分析變化趨勢。近些年來，GPS監測技術、InSAR技術迅速發展，相比而言GPS技術具有時效性、全天候等監測特點，而InSAR技術具有大范圍、高效率等監測特點。

1 研究區域地面沉降形成的機理及項目概況

本文以《唐山市南湖生態城地面沉降監測項目》為研究對象，項目區位于唐山市中心城區南部，為開灤唐山礦和增盛礦、劉莊? 礦兩個地方煤礦經過長期地下采煤活動形成地下采空區，地下煤炭等資源經過長期的大量的開采，地層下多處已被采空，巖體應力后重新開始分布，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巖層托浮力;雨季，大量的雨水以及表層水下滲后進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，促使下部采空區受力集中的部位巖體發生彎曲、塌落、變形，這種方式的破壞再以一定擴散角度逐漸地向地面上發展，造成地面沉降、變形甚至塌陷。隨著時間不斷推移，采空區的周圍巖土塌落，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散，直到整個巖土體最終達到新平衡，最終形成了大范圍的沉降塌陷、變形。根據變形程度確定項目范圍東西長約5.0km，南北長約7.4km，總面積達28.73km2。

2 研究技術路線及方法

本文研究方法主要是結合高精度水準測量方法、GPS監測方法和InSAR監測方法，研究各種方法的監測原理，充分地利用各種方法的優勢，以水準監測點作為基礎，將其它監測手段相互聯系，在同一地點布設多種不同類型的監測點，既可以實現對項目區沉降觀測全覆蓋，又可以在保證垂直精度的同時滿足水平監測的要求。并且通過測縫儀、測斜儀等傳感器突出對重點建（構）筑物和重點區域的沉降變形監測，通過GPS和傳感器可以實時地將數據反饋到監測平臺上，達到及時預警，從而形成一套全面、有效的監測網絡。具體技術路線如下：

2.1 基于InSAR監測原理及方法

合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometric Synthe tic Aperture Radar，InSAR）是以合成孔徑雷達的復數據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技術是通過兩副天線同時觀測進行的（單軌模式），或者是兩次將近平行觀測（重復的軌道模式），用來獲取同一物體復圖像對信息。由于監測目標與兩天線的位置關系，會在復圖像上產生，之后，根據監測相位差及傳感器高度、波束視向、雷達波長以及天線的基線距離間的關系，精確地測量到圖像上的每一點微小變化量和三維位置。InSAR干涉測量是基于雷達遙感的新型對地觀測技術，它能高精度監測較大面積的微小的地面形變，可以實現地表的形變毫米級精度幾何測量。

InSAR相對于傳統水準監測來說精度略有不足，但是有諸多優點，比如：監測范圍廣、監測連續性強、受天氣影響小、監測實施方便容易、成本相對較低、安全性高等特點。

結合項目區具體情況，圍繞項目區地面沉降InSAR監測要求，獲取到覆蓋項目區的長時間序列Sentinel-1A/1B中分辨率的雷達數據;后利用PS-InSAR技術對雷達數據進行處理，提取到項目區域地面沉降信息，包括年平均沉降速率、累積沉降量等信息，確定項目區地下礦區開采誘發地面沉降影響范圍及監測區域的穩定性。

2.2 GPS監測點布置及原理

全球定位系統簡稱GPS，其中RTK（Real-timekine matic）實時動態差分方法是GPS應用中的重大里程碑。GPS的RTK 定位技術基于載波相位的觀測值實時的動態定位技術，它能夠進行實時提供觀測站在坐標系中的三維定位結果，并且能精確到厘米級的精度。在RTK 的工作模式下，基準站是利用數據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站中數據，而且同時采集GPS中的數據，并且同時處理分析后解算出最終高精度結果。流動站可以處在靜止的狀態， 也可以處于運動的狀態;可以在固定點進行初始化后再進入到動態作業，也可以動態條件直接開機測量，并在動態環境中完成模糊度整周的搜索求解（OTF）。在整周未知數解固定之后，可進行單個歷元實時的處理，只要能保持在4 顆及以上衛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果。

在GPS沉降監測網布設中，基準點的布設和監測點的布設最為重要。在布設觀測點中需要注意在一定范圍內避免存在電臺、電視臺、微波中轉站等具有信號源強的設施;避免存在高壓線、變電器等強干擾源的設施。這樣能最大程度地避免受到多路徑效應干擾，從而提高數據獲取的質量。本項目利用天寶R7GNSS系統，與系統軟件相結合，對地表沉降實施連續的、實時的、動態的全方位監測，及時得到全面的高精度數據，滿足自動化要求。在沉降監測區域內間隔布設11座監測點，在相對穩定地區布設2座監測基準點。要求水平精度優于3mm，垂直精度優于5mm。GPS數據處理采用Trimble公司Trimble-4D軟件進行了GPS網統一的平差解算，監測點長期全天候監測，自動采集數據每4小時解譯一次。

基于本項目通過在地面基準點位和監測點位架設多臺高精度GPS接收機，實時接收觀測數據文件后通過南湖在線沉降監測系統自動剔除異常值，利用Trimble-4D平差解算軟件數據處理。處理結果軟件給出最終GPS測站三維坐標和精度、速率等評定。最后將數據傳輸到T4D平臺上繪成各個點位的沉降變化。

2.3 水準測量的技術理論和測量原理

水準測量的方法又名為“幾何水準測量”，是傳統的沉降監測的方法，是用電子水準儀或者光學水準儀、水準尺等設備測定兩點之間高差的一種方法。在地面上兩點之間安置水準儀，觀測兩點上樹立的水準標尺，按尺上的讀數推算出兩點之間的高差。通常從水準原點或者是任一已知的高程點出發，之后沿著選定好的水準路線測定各個點的高程。在高程測量中水準監測是最為經典、常用的一種方法，早在20世紀初期這種方法就應用在東京及其周邊的一些區域檢測，隨著社會的不斷發展，水準測量為地面沉降監測中提供了可靠的、高精度的高程變化量信息。

在本文研究項目區域共建設基準點4處，監測點75處;布設一條閉合水準路線作為基準網;7條符合水準路線和1條之水準路線為監測網。對基準網以二等水準測量的精度進行觀測;對監測路線以三等水準測量的精度進行觀測，得到所有監測點的高程，通過多次測量，對獲取的高程成果進行對比，得到所有監測點的變化量。因此，我單位研發了具有自主知識產權的水準測量平差軟件，并將新軟件集成到移動終端，成功實現內外業一體化，大大提高了工作效率。對高精度智能化水準測量工作有重要的指導意義?！端疁蚀髱煛奋浖趙indows10系統下開發，完成了“一次開發，跨平臺運行”的目標，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測量的野外觀測數據，電腦端可以高效地處理水準測量的內業工作，適用于國家各等級水準、精密水準及普通工程水準測量。軟件的基本功能由項目管理、數據字典、施工日志、水準儀校驗、水準尺校驗、基準點管理、待測點管理、區段管理、路段管理、路段外業測量、溫度記錄和成果管理等模塊組成。為實現水準測量的高精度智能化提供了強有力的支撐。

3 監測結果比較與分析

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

本文所研究項目采用SBAS-InSAR與D-InSAR進行綜合分析，獲取特定時段內特定區域內的地表形變信息，提高InSAR監測精度。同時InSAR與GPS數據融合的結果能夠很好地解決掉單純使用GPS 測量不能解決的采空區地表微小的形變弊端。但是InSAR技術存在眾多的誤差源在一定程度上影響到了其觀測的精度，結合GPS數據不僅能夠獲取到高精度大地測量的控制點坐標，而且還能夠在站點以及時域間差分、校正 InSAR 產生的大氣誤差，利用其空間的定位優勢來校正 InSAR 數據處理的結果，最終進行精確幾何的定位。水準點與GPS點進行聯測同時作為GPS點參與InSAR解算，是三種技術融合的關鍵節點，水準測量作為傳統測量手段，測量精度高，其可信度已得到普遍認可。三種技術手段相互融合對地下采空區監測是一種全新的嘗試和挑戰，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測精度。展望在未來將要實現多種技術完全的融合仍然有許多問題需要進一步地研究，其問題主要包括相位解纏法、區域內水汽模型以及大氣層內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 結語

本文研究了水準、InSAR、GPS三種方法監測的技術原理和應用，充分利用各種監測手段的優勢，實現了三種手段優勢互補，相互驗證，獲得了點、面的綜合地面沉降信息。以水準監測點為基礎，將其它監測手段與其相聯系，即在相同地點布設不同類型的監測點，這樣既可實現對項目區沉降觀測的全覆蓋，又可在保證垂直監測精度的同時達到滿足水平監測的要求，并且突出了對重點建筑物和重點區域的監測，形成全面有效的監測網絡。利用多種技術融合進行地面沉降監測的領域將具有更廣闊的應用前景。