地面沉降监测技术及其在高速铁路中的应用

长期、连续地进行地面沉降监测是准确把握地面沉降生长趋势及时空分布规律的前提与根本。常规地面沉降监测主要依靠重复水准测量，同时设置基岩标、分层标以掌握不同深度地层的变形情况。常规方法测量精度高，且实施灵活，在范围较小（<8 km）的城市地面沉降监测中十分受用，但在进行大面积区域性地面沉降监测时，因作业周期长、实时性差、资源耗费大等固有缺陷而显得效率低下。

随着空间测量技术的发展，地面沉降监测手段日益先进，使得准确、迅速、大面积监测地面沉降成为可能。

1.全球定位系统（Global Positioning System，GPS）

GPS 测量技术具有高精度、全天候、自动化监测的优势。自20 世纪80 年代末开始，各国都相继开展了利用GPS 大地高程变化量反映地面沉降的研究，得克萨斯州休斯敦是1980 年代末开始采用高精度GPS 技术进行地面沉降监测的地区之一。目前，在休斯敦城区有超过170 个永久性GPS 站（图0.1-1），监测了过去10 年（2005—2014 年）平均地面沉降和地下水水平的变化。

美国于1992 年在加利福尼亚州莫哈韦沙漠的Antelope 山谷建立第一个地面沉降GPS 监测网，用以确定水准桩标的沉降变形。伊朗也于1998年开始运用GPS 技术对Rafsanjan 平原抽水引起的地面沉降状况进行评估。早期的地面沉降GPS 监测多用来快速、粗略地确定沉降地区，以方便后续精确的连续测量。

随着GPS 数据处理方法研究的加深以及相关软硬件的升级，GPS 高程分量精度已大幅度提升至毫米级。实验表明，在技术适当的条件下，GPS 测定的大地高程的精度可稳定在±2 mm 左右，对地面沉降的分辨率可以达到3 mm。这证明了GPS 监测地面沉降的可行性与可靠性。目前GPS 精密定位技术已经逐步取代区域性水准测量而得到普遍应用，是区域性地面沉降监测网络的重要组成部分，为世界各沉降区域（如墨西哥Aguascalientes、意大利Venice、印度尼西亚Jakarta 和中国上海、天津、西安等）的地面沉降研究工作积累了大量具有高精度高时间分辨力特征的基础数据资料。

图0.1-1　休斯敦城区内当前永久性GPS 监测站位置

2.合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）

InSAR 技术具有全天候、高精度和一定的对地穿透力等特性，且具有极高的空间分辨力，能获取连续地表位移的详尽空间信息。另外，InSAR作为一种空基遥感探测技术，无需布设地面观测站，是一种低成本、高效率的全新对地观测方法。InSAR 技术以传统监测手段无可比拟的优越性迅速获得各国地面沉降学者的广泛青睐。

基于 InSAR 而发展起来的差分干涉测量（Differential InSAR，D-InSAR）主要是利用发生地面沉降前后的两景（或多景）重复轨道SAR复数图像来提取仅与地面形变有关的差分相位信息，在消除干涉相位的地形因素影响后，理论上可以监测毫米量级的地面沉降。目前，基于D-InSAR 的地面沉降监测已取得许多成功应用：Jin Baek 等运用JERS-1卫星在1992—1998 年间获取的23 景干涉图像对韩国Samchuk 煤矿地面沉降进行了分析，显示该地区发生了显著地面沉降，最大沉降量为22 cm；V.Akbari 等对ENVISAT 卫星2004—2007 年间伊朗Mashhad 山谷的17景SAR 影像数据进行差分干涉测量处理，获取了该地区地面沉降的时间演化信息；此外，我国上海、苏州、天津、西安等地也都相继开展了地面沉降D-InSAR 监测技术的研究与应用。(www.xing528.com)

由于D-InSAR 方法受时间去相关和空间基线去相关导致的干涉相位噪声以及大气延迟等因素的干扰会造成干涉质量下降，为弥补其不足并提高精度，近几年又发展起来了一种高级D-InSAR 方法——基于永久散射体的雷达差分干涉测量（D-InSAR Based on Permanent Scatters，PS-InSAR）。其基本思想是在一组时间序列的SAR 图像上识别出在长时间间隔内仍保持高相关性的PS 点，这些离散的PS 点可构成一个“天然的GPS 监测网”，经过消除大气干扰和DEM 误差影响后可以在这些PS点上高精度地估算时间序列的地表形变量。

PS-InSAR 的发展与应用是大面积、高精度监测地面微弱变形的技术革命，在区域性地面沉降监测中具有广阔的应用前景和不可替代的优势。当前我国在这一方面的研究已取得一定的进展。

目前，地面沉降监测手段呈现多极化综合发展的趋势，各种监测方法相互补充、相互检核，保证监测成果丰富、可靠。

美国地质调查局通过InSAR、CGPS（Continuous Global Positioning System）及观测水井（图 0.1-2），对加利福尼亚圣约魁谷的地下水位和地面沉降同时进行了长期监测，较好地掌握了土地利用、地下水位、地面沉降及预防沉降处理措施之间的相互关系和规律，这些数据也为加州针对地下水开采造成地面沉降而引起损失等问题进行立法提供了有力的依据。

图0.1-2　基于INSAR、CGPS 及观测水井数据源的 加利福尼亚圣约魁谷区域沉降图（2008—2010）

1992—2013 年，我国台湾的赤水河冲积扇因抽取地下水，造成了大规模的地面沉降，下沉已危及台湾高速铁路的运行。台湾学者通过综合传感器监测系统，包括GPS（全球定位系统）、PSI（持续散射干涉仪）、平级和多层压实监测，研究了其在岩体中的沉降程度及其机理，这些传感器在空间和时间分辨率上相互补充。

我国长江三角洲以及华北平原等区域都已布设区域地面沉降监测网络，包括地面沉降监测水准网、地面沉降GPS 监测网以及地下水位（水量）动态监测网。当然InSAR 作为一种重要监测方法已经进入实用阶段。这些丰富的监测手段提供了大量的多源观测数据，为进一步研究和掌握区域地面沉降成因机理以及时空演化规律提供有力可靠的数据支持。GPS/InSAR 融合技术，由于综合了二者优良性能，前景诱人。

从 2005 年开始，葛大庆等人率先在华北平原开展大范围地面沉降InSAR（雷达干涉测量）监测技术研究与应用示范，至2008 年，完成了关键技术研发，建立了基本的工作流程，获得了北京、天津、沧州、德州等典型地面沉降区的监测成果，经过与地面精密水准测量数据的对比，取得了年沉降速率3～5 mm 的比较精度，奠定了InSAR 技术大规模应用的技术基础；至2010 年年底，经过多年的技术研究与应用实践，区域性地面沉降InSAR 监测技术基本成熟，工程化监测能力得到检验，监测应用效果显著，引领了InSAR 技术在地面沉降、矿区塌陷、高铁路基变形、油田地表下沉等领域的技术发展。