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1、目录一、我国地面沉降现状及形成原因11.1、我国地面沉降现状11.2、地面沉降的类型21.3、沉降灾害的成因2二、传统地面沉降检测手段32.1、水准测量32.2、三角高程测量42.3、GPS测量4三、InSAR地面沉降监测43.1、DInSAR变形监测基本原理63.2、DInSAR数据处理流程73.3、DInSAR测量缺陷93.4、InSAR变形监测新技术10四、InSAR监测技术与传统方法的比较10I一、我国地面沉降现状及形成原因1.1、我国地面沉降现状一直以来，地质灾害给人类的经济生活带来了巨大损失，究其原因，绝大部分都是由于地球表面的形变引起的。其中不仅有地震形变、地面沉降、火山运动、冰
2、川漂移以及山体滑坡等自然灾害，还有由于工程开挖、地下水抽取、堆载、爆破、弃土等引发的人为地质灾害。这些不可逆的地表形变已经成为影响区域经济和社会可持续发展的重要因素。目前，中国在19个省份中超过50个城市发生了不同程度的地面沉降，累计沉降量超过200毫米的总面积超过7.9万平方公里。中国地质调查局公布的华北平原地面沉降调查与监测综合研究及中国地下水资源与环境调查显示：华北平原不同区域的沉降中心有连成一片的趋势；长江区最近30多年累计沉降超过200毫米的面积近1万平方公里，占区域总面积的1/3。其中，上海市、江苏省的苏锡常三市开始出现地裂缝等地质灾害。其中中国长江三角洲、珠江三角洲及黄河三角洲都
3、受到严重的地面沉陷的影响。仅上海地区，自1921年发生地面沉降以来，沉降总面积已超过1000平方公里，造成的经济损失高达2800亿元。我国最早发现地面沉降的是上海市，19221938年地面平均下沉26mm，至1965年沉降中心地面沉降最大值达2.63m，最大沉降速度每年达110mm；北京市区东部600km2，地面出现沉降，最大沉降累计达550 mm；天津市1959年开始出现地面沉降，1980年范围扩大到7300 km2，沉降量100mm以上的范围已达900 km2，沉降大于lm的范围达135 km2，最大累计沉降量为2.5米；西安市地面沉降发现于1959年，到1988年最大累计沉降量已达1.3
4、4米，年平均沉降量30-70mm的沉降中心有5处多，沉降量100mm的范围达200 km2；太原市沉降量大于200mm的面积有254 km2，大于1000毫米的沉降区面积达7.1 km2，最大累计沉降量达1380mm。此外，宁波、常州、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台北、沧州、唐山等地区也发现地面沉降，新开发的城市海口市也已出现地面沉降。我国地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散堆积物分布地区。图2 上海市地面沉降变化图1、大型河流三角洲及沿海平原区主要是长江、黄河、海河及辽河下游平原和河口三角洲地区。这些地区的第四纪沉积层厚度大，固结程度差，颗粒细，层次多，压缩比强；地下含水
5、层多，补给径流条件差，开采时间长、强度大；城镇密集、人口多，工农业生产发达。这些地区的地面沉降首先从城市地下水开采中心开始形成沉降漏斗，进而向外围扩展，形成以城镇为中心的大面积沉降区。2、小型河流三角洲区主要分布在东南沿海地区第四纪沉积厚度不大以海陆交互相的粘土和砂层为主，压缩性相对较小。地下水开采主要集中于局部的富水地段。地面沉降范围一般比较小，主要集中于地下水降落漏斗中心附近。 3、山前冲洪积扇及倾斜平原区主要分布在燕山和大行山山前倾斜平原区，以北京、保定、邯郸、郑州及安阳等大、中城市最为严重。该区第四纪沉积层以冲积、洪积形成的砂层为主；区内城市人口众多、城镇密集工农业生产集中；地下水开采
6、强度大，地下水位下降幅度大。地面沉降主要发生在地下水集中开采区，沉降范围由开采范围决定。 4、山间盆地和河流谷地区主要集中在陕西省的渭河盆地及山西省的汾河谷地以及一些小型山间盆地内，如西安、咸阳、太原、运城、临汾等城市。第四纪沉积物沿河流两侧呈条锯状分布，以冲积砂上、粘性土为主厚度变化；地下水补给、径流条件好；构造运动表现为强烈的持续断陷或下陷。地面沉降范围主要发生在地下水降落漏斗区。因此，国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）在公共安全重点领域设置了重大自然灾害监测与防御 优先主题，重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术；国家十二五科学和
7、技术发展规划的推进重点领域核心关键技术突破中，也把加强地震、滑坡、泥石流等重大自然灾害立体监测技术列为民生科技示范重点工程。1.2、地面沉降的类型地面沉降分构造沉降、抽水沉降和采空沉降三种类型。构造沉降，由地壳沉降运动引起的地面下沉现象；抽水沉降，由于过量抽汲地下水（或油、气）引起水位（或油、气压）下降，在欠固结或半固结土层分布区，土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象；采空沉降，因地下大面积采空引起顶板岩（土）体下沉而造成的地面碟状洼地现象。中国出现的地面沉降的城市较多。按发生地面沉降的地质环境可分为三种模式：1、现代冲积平原模式，如中国的几大平原。2、三角洲平原模式，尤其是在现代冲积三角洲
8、平原地区，如长江三角洲就属于这种类型。常州、无锡、苏州、嘉兴、肖山的地面沉降均发生在这种地质环境中。3、断陷盆地模式，它又可分为近海式和内陆式两类。近海式指滨海平原，如宁波；而内陆式则为湖冲积平原，如西安市、大同市的地面沉降可作为代表。图2 西安市地面沉降与地裂缝分布1.3、沉降灾害的成因1、诱发因素1)自然因素：新构造运动以及地震、火山活动引起的地面沉降；海平面上升导致地面的相对下降（沿海）；土层的天然固结（次固结土在自重压密下的固结作用）。自然因素所形成的地面沉降范围大，速率小。自然因素主要是构造升降运动以及地震、火山活动等。一般情况下，把自然因素引起的地面沉降归属于地壳形变或构造运动的范
9、畴，作为一种自然动力现象加以研究。2)、人为因素：抽汲地下气、液体引起的地面沉降。抽取地下水而引起的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类；大面积地面堆载引起的地面沉降；大范围密集建筑群天然地基或桩基持力层大面积整体性沉降工程性地面沉降。人为因素引起的地面沉降一般范围较小，但速率和幅度比较大。人为因素主要是开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。将人为因素引起的地面沉降归属于地质灾害现象进行研究和防治。2、成因机制：由于地面沉降的影响巨大，因此早就引起了各国政府和研究人员的密切注意。早期研究者曾提出一些不同的观点，如新构造运动说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性
10、海平面上升说等。大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。因而多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力（pw），它不能引起土层的压密，故称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力（ps）；二者之和等于总应力。假定抽水
11、过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在砂层和粘土层中是截然不同的。在砂层中，随着承压水头降低和多余水分的排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，所以砂粒压密是“瞬时”完成的。在粘性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间；因而直到应力转变过程最终完成之前，粘土层中始终存在有超孔隙水压力（或称剩余孔隙水压力）。它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性
12、、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的水久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的澎胀回弹则具有决定意义。此外，土层的压缩量还与丘层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响。二、传统地面沉降检测手段2.1、水准测量精密水准测量作为传统的地面沉降监测方法，具有前期投入小、施工过程简单，精度能够满足工程设。一般认为水准测量受经费和人力的限制，一般布点少，路线稀疏，监测周期长，时空分辨率都很低，已经难以满足现代防灾减灾对地表形变进
13、行快速和大范围监测的需求。水准网布设时需要遵循以下规范： 1.一、二等水准网不得选取新埋设的水准点或者临时转站点作为结点，而是应该选取深标、基岩标等稳定的点作为结点。 2.一、二等水准点应按照统一规范进行布设，一等水准路线在布设时要沿着道路，水准路线要闭合成环且构成网状，二等水准网要布设在一等环内。 3.如果水准点是用在工程建设活动密集区或者地下水开采区，则要在水准网的基础上按照远离监测区方向逐渐稀疏的原则适当进行加密。 4.如果是轨道交通、天然气、防汛墙等线性工程的地面沉降监测点，则要根据其走向来布设，布设间距为0.5km，重点监测区域可以按照0.2-0.3km的间距适当加密，如果所监测区域
14、地质条件变化较大，则要沿着垂直于线性工程的走向布置少量监测点。 5.如果水准点是用于局部区域高程控制，则布设间距应为0.5km，可根据工程所处环境情况进行适当调整。图3 上海地面沉降一等水准网示意图2.2、三角高程测量三角高程测量是一种间接测高法, 是通过观测两点间的水平距离和天顶距(或高度角)测定两点间高差的一种方法。该观测方法简单, 受地形条件限制小, 施测速度快, 是高程测量的基本方法。该法在测定天顶距时, 由于受大气折光的影响, 天顶距的测量精度将受到很大的影响, 从而使高程测量的精度也受到很大的影响。大气折光的影响复杂多变,目前还很难用数学模型进行精确的模拟和改正, 因此, 三角高程
15、测量的精度在很多场合受到限制, 同时也影响了其应用的范围。2.3、GPS测量GPS具有全天候、自动化观测的优点, 而且, 其测量精度高, 成果稳定可靠, 在控制测量、施工测量、变形监测等领域中取得了很好的成果, 并具有广阔的应用前景。但GPS由于设备比较昂贵, 一般难以进行大规模的布网监测。同时, GPS在高程测量方面的精度也低于平面测量的精度, 这在某种程度上影响了其在沉降监测方面的推广应用。目前, 由于GPS设备的大幅降价, 以及一机多天线技术的推广应用, GPS监测网的建立成本得到了很大的降低, 这对GPS在变形监测中的推广应用起到了很好的促进作用。目前世界上最密集的GPS监测网是美国南加州的SCIGN网和日本的GEONET网，空间分辨率最高也只有10 km。三、InSAR地面沉降监测星载合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是近四十年发展起来的一种新型空间大地形变测量手段。凭借其全天时、全天候、大范围（几十公里到几百公里）、高精度（毫米到厘米级）和高空间分辨率（几米到几十米）的优势，InSAR技术已经越来越得到专家学者的认可，并被广泛应用于监测地震、火山运动、山体滑坡、冰川漂移、板块运动、以及由地下水抽取、矿山开采和填海等引起的各种地表形变。然而，InSAR技术的应用和
