壹、內容概述
地表形變監測是地質災害防治與預警的基礎工作。我國當前頻發的滑坡、地面沈降、地裂縫、地面塌陷等對人居環境的威脅逐步增大。傳統地面測量手段受制於監測範圍小、點位密度低和施測周期長等不足，對地質災害宏觀特征及時空演化過程的監測能力有限。自20世紀90年代末期開始，合成孔徑雷達幹涉測量（InSAR）技術在多類型地表形變監測中得到廣泛的研究和應用，具有快速、準確、精度高、覆蓋範圍廣等優點，改變了以往測量手段點位密度低、工作周期長、施測要求高的不足。
InSAR技術的核心是利用相位觀測值獲取目標的幾何特征及變化信息。由於幹涉相位對微小形變極其敏感，毫米級的形變在幹涉相位中都會有所反映，因而利用重復軌觀測獲取的幹涉相位，通過差分幹涉處理可獲得高精度的形變信息。
自2000年起，在國土資源部、科技部等部門的支持下，航遙中心依托國土資源大調查、國土資源部公益性行業基金、863計劃等項目，開展InSAR技術的理論、方法及應用研究，形成了趨於完善的多尺度、多類型的災害性地表形變InSAR調查與監測技術體系。通過InSAR關鍵技術研究、應用示範、結果驗證和工程化應用等環節的攻關研究，系統解決了低相幹、有限數據量條件下InSAR地面沈降信息提取和跨軌道、多圖幅大範圍地面沈降InSAR監測制圖等壹系列地表形變InSAR監測工程化應用的核心技術，建立了壹套解決大區域性地面沈降同步監測的InSAR方法技術體系。在我國首次系統利用InSAR技術開展了大範圍區域性地面沈降工程化監測，獲得了當前華北平原、長三角、汾渭谷地等地區全覆蓋、高精度的地面沈降監測數據，填補了地面沈降基礎調查數據的空白。工程化應用表明相幹目標InSAR時序技術測量成果的精度優於±3～5 mm，在區域性監測中整體方差優於±1 cm，滿足地面沈降監測的需要。InSAR技術的研究和應用提升了我國地表形變，特別是區域性地面沈降監測的工作能力和技術水平，取得了顯著的社會效益和經濟效益。
二、應用範圍及應用實例
研究成果先後應用於地面沈降、滑坡、高鐵沈降、油田地表變形和礦山開采沈陷等多類型地表形變監測。從2004年至今，先後開展了華北平原、長江三角洲地區、汾渭谷地全覆蓋InSAR工程化監測，突破了以往獨立行政區劃對地面沈降監測工作的局限，實現了區域地面沈降InSAR監測成果“壹張圖”，填補了我國地面沈降防治與風險管理工作基礎數據的空白。
同時，針對重大工程對地面穩定性的要求，開展了京津、京滬等高速鐵路，南水北調工程東線，西氣東輸工程長三角段等壹批重大工程區地面沈降InSAR調查和監測，為重大工程區的地質災害風險管理提供了有效的技術服務。先後開展了三峽庫區滑坡（新灘、樹坪等）、礦山開采沈陷（唐山、兗州等）、油田地表形變（大港、東營等）、城市地裂縫（西安）、地震形變場等多尺度、多類型地表形變監測應用，全面提升了InSAR技術的應用能力和水平。
圖1 華北平原地面沈降區InSAR監測沈降速率圖（2008～2010年）
1.實現我國三大地面沈降區監測全覆蓋
利用InSAR技術開展華北平原、長三角、汾渭谷地大範圍、區域性地面沈降調查與監測，累計範圍超過20×104 km2，首次實現了我國三大沈降區的InSAR監測全覆蓋。
（1）華北平原地面沈降InSAR監測成果
監測範圍14×104 km2，覆蓋北京、天津、石家莊、唐山、鄭州等城市以及黃河三角洲地區（圖1）。監測成果顯示：華北平原以往地面沈降嚴重的主要城市（天津、北京（圖2，圖3）、滄州等），自2004年開始市區沈降速率均有所減緩，普遍小於30mm；主要沈降中心多集中於這些城市的周邊，以各種開發區為主。沈降中心的年沈降速率普遍大於40～50mm，且有不斷擴大的趨勢；各省級行政區交界地帶沈降區呈現連片發展趨勢，沈降速率大、範圍廣；沈降中心與大型基礎設施（鐵路、公路）分布以及區域經濟發展密切相關。
圖2 北京地區2007～2010年累積沈降量
圖3 北京來廣營累積沈降量
（2）長江三角洲地區地面沈降InSAR監測成果
監測面積約6×104km2，覆蓋上海（圖4、圖5）、江蘇蘇錫常與揚泰通、浙江杭嘉湖地區，查明了各地區2006年至今地面沈降的分布狀況，獲取了上海、蘇錫常、杭嘉湖地區的連續監測數據，發現了上海市與浙江交界地帶金山 平湖等多個快速大範圍沈降區，年最大沈降速率達到40～50mm。監測表明：長三角地區整體沈降幅度和範圍小於華北平原地區，地面沈降速率總體趨緩，快速沈降區仍多集中在各地的主要開發區。
圖4 上海地區InSAR 監測累積地面沈降量圖（2003年9 月—2010年9 月）
圖5 華漕鎮累積沈降量圖（2003年9月—2010年9月）
（3）汾渭地區地面沈降InSAR監測成果
圖6 太原盆地地面沈降速率圖（2007～2010年）
以大同-太原-臨汾地區（圖6）、西安市為主要工作區，查明了覆蓋汾渭地區近4×104 km2 範圍的地面沈降發展分布狀況，新發現了榆次、清徐、臨汾等快速沈降區，最大年沈降速率達50～70mm。完成了太原市區（圖7）自2005年以來地面沈降變化過程的連續監測，詳細查明了各主要沈降中心的時空變化特征。
圖7 太原市主城區主要沈降中心分布圖
2.有效服務高速鐵路沿線等國家重大基礎設施建設
積極服務國家重大基礎設施建設，應用InSAR技術開展高速鐵路沿線地面沈降監測與調查。在國內首次應用歐空局ENVISAT衛星SAR數據（分辨率20m）開展了京津高速鐵路全線地面沈降狀況InSAR調查與監測，獲取了沿線5 km範圍內2004年至今各年度的地面沈降監測成果，發現了京津高鐵沿線位於北京和天津地區的2 處主要沈降漏鬥（圖8，圖9）。同時，首次利用德國TerraSAR-X高分辨率SAR數據（分辨率3m）開展了京津高鐵沿線重點沈降區精細監測，獲取了2009年2～10月間連續監測數據，有效服務於鐵道部門對京津高鐵基礎的穩定性評價和對策研究工作。
3.積極開展多類型地質災害監測與工程實踐
在實現區域性地面沈降InSAR監測的基礎上，開展了礦山開采沈陷調查、油田地表變形監測、滑坡活動監測、城市地裂縫探測、地震形變場提取等多尺度、多形式的災害性地表形變場探測與監測，取得了良好效果。以唐山開灤礦區為研究區（圖10 和圖11），開展了煤礦區開采沈陷和礦業城市地面穩定性InSAR監測，證實InSAR技術可及時發現礦山開采的範圍和強度，能夠滿足礦山開采沈陷動態監測需要。目前已廣泛應用於大同、兗州、淮南、徐州、皖北等主要煤礦區。連續監測三峽地區新灘滑坡、鏈子崖滑坡自2002年至今的活動變化，結果顯示新灘滑坡已趨於穩定。開展石油開采誘發地表變形的InSAR監測，查明了大慶、東營等油田地面沈降和擡升狀況。
圖8 京津高鐵全線地面沈降速率圖（2007～2009年）
圖9 京津高鐵沿線2007～2009年地面沈降剖面圖
圖10 開灤礦區開采沈陷InSAR幹涉圖（2009年10月07日至2009年10月31日）
InSAR技術在我國主要地面沈降區以及多類型地表形變災害監測工作中的應用實踐顯示了在地質災害監測領域的獨特優勢。“十二五”期間，InSAR技術將在全國地質災害易發區調查、重要經濟區（城市群）建設、主要礦產資源開發區監測、地下水主要開發利用區監測以及重大工程區等領域內緩慢地表形變監測工作中發揮重要作用。立足全國區域性地面沈降監測工作，重點圍繞國家重大基礎設施建設，依托InSAR技術開展大區域地表形變監測，提供地面穩定性監測與風險評價，服務於工程規劃、建設和運營。在礦山、石油、水利等領域的應用，特別是煤礦區開采沈陷和工礦城市地面沈降監測方面的應用需求明顯，將促進InSAR技術成為日常監測手段。
圖11 唐山市老采空區緩慢沈降速率圖（2004～2009）
高分辨雷達衛星及其相關技術的發展將進壹步推動地質災害InSAR精細化監測。新壹代高分辨雷達衛星，如TerraSAR-X、Cosmo-skymed等將為InSAR技術精細化應用提供豐富的數據源。應用高分辨SAR數據開展高速鐵路、公路、大壩以及大型單體建築等重大工程和基礎設施的精細監測將成為現實。將在國土資源、礦山、交通運輸、水利工程等諸多領域的地質災害調查與監測工作中發揮更為重要的作用。
三、推廣轉化方式
本項研究成果已先後在中國地質調查局開展的《華北平原地面沈降監測與防治》、《長三角地區地面沈降監測與風險管理》、《全國地面沈降監測與防治》等計劃項目中得以推廣應用，並於2011年啟動了《全國地表形變遙感地質調查》工作，旨在應用InSAR技術開展我國中東部的平原、盆地、三角洲地區和海岸帶地區地面沈降、礦山開采沈陷調查與監測，詳細查明目前我國地面沈降的發生狀況，為全國地下水管理、城市規劃、基礎設施建設布局等提供基礎資料。
華北平原和長三角地面沈降InSAR監測成果有效地指導了各地區地面監測網絡的布設和建設。通過與北京、天津、上海等各省市地質環境總站聯合，針對各地區關心的重點沈降區開展詳細調查和監測，直接服務於地方需要。此外，為鐵道部第三設計院、煤炭科學研究院唐山分院、山東省魯北工程勘查院、河北省水文地質工程地質4隊等單位和組織提供了技術資料和成果。
2010年6月，中國地質調查局以地質調查要情專報的形式刊發了“InSAR技術在我國地面沈降調查監測工作中應用效果顯著”的通報，介紹InSAR技術研發取得的成果和先進經驗。2011年初，由中國地質調查局主辦，航遙中心承辦，召開了迄今以來全國最大規模的“地表形變InSAR監測技術培訓及研討會”，全國各地質環境監測部門、高校、研究所等機構***計120余人參加了本次培訓，邀請了來自意大利、德國、加拿大等國家和機構專門從事InSAR技術研發的專家授課，全面介紹InSAR技術及其應用情況，取得了良好的社會效益。
主要推廣轉換方式包括會議交流、技術培訓與技術咨詢。
技術依托單位：中國國土資源航空物探遙感中心
聯系人：葛曉立
通訊地址：北京市海澱區學院路31號航遙中心遙感方法技術研究所
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