地面沉降监测技术现状与发展趋势

1.3.1 D-InSAR（重复轨道差分干涉测量技术）
D-InSAR（重复轨道差分干涉测量）技术是雷达干涉测量应用的一个拓展，雷达干涉图 的差分可用于监测雷达视线方向厘米级或更微小的地球表面形变。自从 20 世纪 90 年代以来， D-InSAR 技术得到了大地测量界的广泛关注和研究[13]。
雷达干涉图是由两幅单视复数影像对经过精确配准和共轭相乘得到的相位差影像图。雷 达干涉测量可以看作参数估计问题，差分干涉测量（D-InSAR）研究的基础是寻找干涉图上 相位值和其影响参数的关系，建立数学模型，根据一致的相位观测值对其影响参数进行估计。 D-InSAR 技术的数据处理流程如图 3。通过 D-InSAR 方法得到的地面沉降数据与水准测量的 得到的地面沉降数据具有较好的吻合性（这里以天津市区 1995-1996 年地面监测中 D-InSAR 数据和水准测量数据作对比,见图 4[15]）。
根据天津应用 GPS 监测地面沉降的经验，可重点考虑通过基线解算中的以下四个方面来 提高垂向精度：1）加入多个观测网，进行联合解算。比如天津加入了中国地壳运动观测网 络 HLAR、YANC、XIAA、WUHN、SHAO、CHAN 6 个 GPS 站和韩国 DAEJ 站进行联合解算[8]；2） 设置初始坐标及约束。每个参考站的初始坐标分别从中国地壳运动观测网络处理结果和 ITRF2000 公布的数据中获取，基准站初始坐标通过相对定位进行简单估算得出；3）在对流 层延迟最佳估计时选用 VMF1[9],同时采用分段线性模型对流层天顶延迟进行估计，并定期在 东西、南北方向上进行一次梯度估计；4）加入大气荷载模型[10]。通过以上处理，天津 GPS 监测站高程坐标重复性达 2．7mm，优于以往全国 GPS 网处理中重复性 3．7～4．0mm 的结果。 且监测站高程序列呈几乎完全线性的变化（如图 1），由时间序列算出的在 ITRF 下高程方向 的运动速度为(0．95±0．86)mm／a。
0 引言
从广义的地面沉降概念而言，地面沉降是自然因素或（和）人为因素作用下形成的地面 标高损失[1]。世界上绝大多数地方的地面沉降主要是由于人为因素引起的。随着社会的发展， 人类加大了对地下流体资源（油、气、水）、地下固体矿产（金属矿、煤、盐岩等）的开采， 当这些物质从地下储存地层采出后，地层就会产生压缩变形，变形传递到地表表面就形成了 人为的地面沉降。我国最早于 1921 年在上海市区发现地面沉降现象，目前我国共有 70 个城 市或地区（包括台湾）有地面沉降现象[2]，且地面沉降程度和范围还在进一步地加深和加大。 地面沉降一旦形成便难以恢复，其发展过程基本上是不可逆的，影响也是持久的。严重的地 面沉降及其造成的灾害对经济建设及其生态环境均造成很大影响。
上海、北京、天津等地的地面沉降监测及研究防止工作开展较早，目前其监测手段是国 内最成熟的，监测网建设也是最完善的。现今的监测手段主要有：水准测量方法、三角高程 测量方法、数字摄影测量方法、InSAR 方法、GPS 方法、监测标(基岩标和分层标组)、地下 水动态监测等，监测方式也逐渐由单一方法向多种方法融合转变。
图 1 GPS 站的高程时间序列
通过一定的观测网布设和数据处理策略，GPS 监测精度（水平和垂向）有所提高，并基 本能满足地面沉降监测工作的需求。GPS 技术的应用推动了地面沉降连续监测工作的发展， 为地面沉降研究提供连续、实时的数据，它也因此广泛地应用上世界各地的地面沉降监测工 作中。
1.3 InSAR(合成孔径雷达干涉技术)
1 地面沉降监测技术
1.1 水准测量
水准测量始于十九世纪，至今仍然广为使用。它是在地面两点间安置水准仪，观测竖 立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点 出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。通过水准测量得到测量时该地区的地面高程 数据，与前一次水准测量所测得的该地区地面高程数据对比，从中提出这两次测量期间的地 面沉降量。
InSAR 是 20 世纪 60 年代末出现的新兴交叉学科合成孔径雷达干涉技术，是合成孔径雷 达 SAR 与电天文学干涉测量技术的完美结合。目前，国内外一些城市已进行了一些实验研究 并取得了较好的成果，主要有意大利的 Bologna 城、墨西哥的墨西哥城等和中国的天津、苏 州和上海等地[11]。
InSAR 是利用卫星上的合成孔径雷达进行遥感测量，是一种主动式遥感。若雷达两次发 出的微波频率相等，在成像期间波动不中断，平台轨道近似，那么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，其干涉花样体现了参与相干叠加的微 波间相位差的空间分布[12]。InSAR 技术就是利用雷达波的这种干涉现象对同一观测区在略有 差异的视点上至少成像两次利用两景图像上各个像素点相位信息的差异来提取出地物的相 对高度。图 2 为 InSAR 数据处理流程。
但是，由于 GPS 定位精度受多方面因素的影响，特别是 GPS 高程定位测量，其精度往往 比平面要低 2～3 倍，不同的点位布设方案，相异的数据处理方法都会对监测结果产生不可 忽视的影响[6]。在目前的技术和方法下，通过一定的 GPS 高精度数据处理策略，得到的测站 水平位置及运动速率的精度可以达到 2mm 的水平[7]，故 GPS 在地面沉降监测应用中的主要问 题在于如何提高垂向精度。
但是 InSAR 的测量精度受到多种因素的影响，如时间去相关降低了干涉图相位的质量， 大气对流层延迟造成了干涉图形变的假象，卫星轨道误差在干涉图中引起附加条纹，这些因 素都严重限制着 InSAR 精度及其进一步的应用。在 InSAR 技术的推广中，逐渐出现了一些改 进的 InSAR 技术，其中具有较大影响力的有两个，即 D-InSAR 和 PS-InSAR 技术。
a. 南北向剖面
b. 东西向剖面
图 4 南北、东西剖面上 D-InSAR 与水准测量结果的比较
（实线：水准测量，虚线：D-InSAR）[15]
传统的差分干涉测量技术包括两轨差分、三轨差分、四轨差分，测量精度能够达到厘米 计，对于地震（火大的构造运动）引起的地壳形变监测非常有效[16-17]。这三种 D-InSAR 方法 在近年得到广泛的应用，但是也都存在一定的问题：一是时间去相关因素的影响，在植被覆 盖区或分辨单元内地表特性随时间变化剧烈的地区，时间去相关使得地形信息完全淹没在噪 声中，甚至无法得到能反映地形的干涉图；二是大气相位延迟的影响，这也是目前差分干涉 研究的热点问题。
在相当长时间内仍能保持稳定反射特性的散射体(即永久散射体)来减少数据的时间和空间
的去相干、纠正大气影响问题。D-InSAR 的一般处理流程如图 5。目前使用较多的 3 种探测 PS 的方法分别是相干系数阈值法、振幅离差阈值法、相位离差阈值法。
PS-InSAR 该技术在一定程度上能够克服 D-InSAR 技术的瓶颈问题——去相干，从而 大大拓展了 InSAR 技术的应用领域和广度。但是由于 PS 技术本身只是用线性模型近似模拟 大气的影响，在许多时候，其测量精度会有较大的误差。为解决这一问题，目前出现了一种 干涉雷达时间序列分析方法，它是将时间序列分析方法引入差分干涉测量技术中，和永久散 射体技术相结合，对一系列随时间基线连续变化的雷达图像进行分析,其流程如图 6。这种 时间序列分析方法和永久散射体技术相结合的方法，解决了雷达干涉处理中无法精确消除大 气延迟影响的难题。据姚国清等[20]将这种方法应用于天津地面沉降监测的研究结果，证明 该方法能够的得到比较精确的地面沉降监测结果，是一种可行并且有效的监测手段。
图 2 InSAR 数据处理流程[12]
图 3 D-InSAR 处理图[14]
InSAR 技术可近实时地以 mm 级精度(高程)、高分辨率(水平方向 m 级、十几 m 级)、大 范围(100×100 km2 以上)地探测雷达视线方向的地表形变。该技术最初被应用于地震形变、 火山活动等大范围地表形变领域的监测，其监测取得了巨大成功，后被逐渐应用于城市地面 沉降监测，并得到了大力发展。
水准测量，是一种传统的地面沉降监测方法，尽管这种方法很简单，但其精度却非常高 （表一）[3]。随着水准仪的发展，特别是数字化水准仪的出现，水准测量工作中人为错误得
到了有效的较少，人为误差也得到了控制，这使得水准测量精度得到了很多大保证。但这种 方法的工作量巨大，完成一次地区水准测量需要耗费很长时间，且成本较高。面对现如今地 面沉降监测时间长、区域大、周期短、频率高等要求，单一使用水准测量法进行地面沉降监 测无法满足工作需求，且不经济。在目前的地面沉降监测工作中，它作为一种辅助监测手段， 一般只在较长的时期内进行一次水准测量（以北京为例，区域水准测量工作以年为单位开 展） 技术
PS-InSAR 技术又称为永久散射体 InSAR 技术，由 Ferretti 等(2000，2001)首次提出[18]。 这种技术是在传统 D-InSAR 技术基础上发展起来的，它能很好地解决去相关问题，有助于提
高形变的时空分辨率及数据处理的精度。该技术在传统 D-InSAR 技术基础之上，利用那些
地面沉降监测技术方法的现状与发展趋势
肖勇 （中国地质大学 水资源与环境学院 10050932 班，北京 100083）
摘要：关于地面沉降的监测开始于 20 世纪中上叶，随着地面沉降的加大，危害的加深，各 有关国家都相应的加大对地面沉降的研究，监测手段也在这个过程中不断发展，现今对地面 沉降的监测手段主要有水准测量方法、三角高程测量方法、数字摄影测量方法、InSAR 方法、 GPS 方法、地面沉降监测站(基岩标和分层标组)、地下水动态监测等，同时监测方法也逐渐 由单一方法向多方法融合转变。 关键词：地面沉降；GPS 方法；InSAR；基岩标；分层标
图 5 永久散射体干涉技术处理流程图[19]
图 6 干涉雷达时间序列分析 方法地面沉降监测流程图[20]
1.3.3 人工角反射器（CR-InSAR)
永久散射体(PS-SAR)技术在选取稳定点作为 PS 点受到地理，环境的影响。为了建立相 位差变化模型，需要一定量均匀分布的稳定点的时间序列信息。因此，很多研究人员就提出 了人工角反射体(CR-InSAR)技术。顾名思义，CR-InSAR 是人工架设一些稳定的反射体，卫 星通过对这些人工的反射体进行观测，获得高精度的观测相位。对相位变化信息进行有效分 析，建立相位模型，从而获取地表形变信息，并且容易取得更高的精度。人工角反射器 (CR-InSAR)的数据处理是针对点进行的，因此相较于常规 InSAR，人工角反射器(CR—InSAR) 数据处理处理流程上还是相通的，但稍有区别，其处理流程如图 7。