基于现有技术国内地面沉降监测手段综述

肖敏慧

河海大学地球科学与工程学院

基于现有技术国内地面沉降监测手段综述

肖敏慧

河海大学地球科学与工程学院

由于人类活动，地面沉降问题愈发严重，严重影响人类的正常生活。我国加大了对地面沉降的研究力度，采用不同的监测手段，主要有：水准测量方法、三角高程测量方法、GPS技术、数字摄影测量方法、InSAR方法、光纤监测技术。监测手段从单一化向多元化发展，成本低，精度、自动化程度、监测连续性、效益越高，受外界条件影响越小等。

地面沉降 监测手段 国内技术

1 引言

目前，资源型缺水、水质型缺水、工程型缺水问题已成为国内大部分地区急需解决的问题。为保证经济的发展和人类生产生活的需求，地下水的开采量急剧增加，地下水的入渗小于其开采量。超采地下水已引起全国多地出现地下水降落漏斗，造成不同程度的地面沉降。

地面沉降作为一种缓变形地质灾害，对水利工程、工农业生产、交通运输、城市建设、生态环境、等产生极大不良影响，地面沉降监测手段的发展显得极其重要。基于现有的技术，国内监测地面沉降的手段主要有：水准测量方法、三角高程测量方法、GPS技术、数字摄影测量方法、InSAR方法、光纤监测技术等。

2 地面沉降机理

地面沉降的原因主要有：过度汲取地下水、矿产资源等开采、地下洞室开挖、溶洞开发、上层建筑荷载等。其中，我国由于超采地下水引起地面沉降最为严重。

根据Terzaghi在1925年提出的有效应力原理，即：

σ=σ’+p （1）

其中：σ为上覆荷载总应力；σ’为有效应力；p为孔隙水压力。

结合牛顿第三定律，即作用力与反作用力。承压含水层被抽水后，水头下降△H，上覆荷载不变，则有：

σ=(σ'+γ△H)+(p-γ△H)（2）

根据上述分析，在上覆荷载应力σ不变的条件下，过度开采地下水，引起孔隙水压力p减小，必然会使有效应力增大，从而引起土颗粒的压缩固结，造成地面沉降。

3 地面沉降监测手段及其应用

3.1 水准测量

由于地壳的垂直运动，传统的水准测量方法测量高程精度较高，仍适用于地面沉降的监测。水准测量原理为：利用水平视线来求得两点之间的高差，为保证测量的准确性及可靠性，需设立基准原点进行监测。

如图1所示，在A-B两端各竖立一根水准标尺，在A、B中间位置安置水准仪，当视线水平时，分别读取A、B两点的水准标尺读数为a、b，A、B两处高差即：

假设已知A点海拔高程为，则可得B的海拔高程：

图1 水准测量原理

当B点所在区域出现地面沉降，其海拔高程HB将会发生变化。经过反复监测与周期监测，可得B点的沉降量。根据一系列点位的海拔高程变化量，便可大致估算出该地区的沉降中心。

但传统的水准测量具有工作周期长、工作量大、经费高、受地形限制等缺点。

3.2 三角高程测量方法

三角高程测量原理为：根据两点之间的水平距离或者斜距和竖直角，计算两点之间的角度差，从而求得待测点的高程。

如图2所示，在A处竖直放置经纬仪，B处直立水准标尺，读取A、B两点的角度差及水准标尺读数。已知A点高程为HA，求B点的高程HB,则：

图2 三角高程测量

假设基准点为A点，在基准点海拔高程不变的条件下，待测点B所在的区域出现地面沉降，周期测量与来回测量的海拔高程不同，可得到B点所在区域的沉降量。

当A、B两点距离较远（>300m）时，需考虑大气折光和地球曲率等影响。

3.3 数字摄影测量与GPS监测技术

3.3.1 数字摄影测量

数字摄影测量的原理是，应用计算机技术、数字影像处理、影响匹配、模式识别等多种方法，对所摄取对象进行计算机分析和处理。具有自动化程度高、成果多样化、成本低、效率高等特点。数字摄影测量应用广泛，由于其的高精度，可摄影近似在数值平面的目标，即倾角ω比较小，满足自动匹配影响的要求，监测出较小变形量的地面沉降。

3.3.2 GPS监测技术

GPS（Global Positioning System），即全球定位系统，随着科技的进步和发展，GPS技术应用愈加广泛。GPS类似于传统的后方交会法进行定位，至少需要三颗GPS卫星，利用其发射的数据，通过GPS电文解译出卫星的三维坐标（Xi,Yi,Zi），i=1,2,3。根据距离交会的方法求出目标点P的坐标（X,Y,Z），可得：

其中：ρi（i=1,2,3）分别为P点到三颗卫星的距离。

通过GPS的连续监测，则可得到目标P的坐标位置变化，计算出P点所在地面的沉降。

GPS作为20世纪的一项高新技术，具有以下优点：①全球全天候定位；②定位精度高；③观测时间短；④测站间无需通视；⑤可提供全球统一的三维地心坐标等。

3.4 InSAR方法

GPS（Global Positioning System），即全球定位系统，随着科技的进步和发展，GPS技术应用愈加广泛。合成孔径雷达干涉测量技术，简称InSAR，以同一地区的两张SAR图像作为基础数据，利用雷达回波的相位信息，求取这两张图像的相位差，得到干涉图像，经过相位解缠，从而获得定高程数据。

如图3所示,A1和A2分别是两次观测位置，两点距离（基线距）为L，基线与水平线之间的夹角为α，A1和A2到地面目标P的距离分别为R和R+△R,A1的轨道高度为H，地面目标P的高度是h。

图3 干涉测量成像示意图

地面目标P可用以下公式计算：

根据余弦定理：

可得：

整理可得：

根据A1和A2的回波相位差与轨道重复，可得：

将公式（9）和（10）分别代入公式（7）中，可以得出：

InSAR技术可全天候，全天时监测地面沉降，垂向精度高，可进行大面积的控制测量。易受自然条件的影响，比如天气、温度、大气等的影响。

3.5 光纤监测

分布式光纤监测技术是光在光纤媒介上感知和传输外界信号的新型传感器，表现为光纤温度和光纤应变与频率漂移之间的关系。其关系式为：

其中：νB(ε,T)为温度为T，应变为ε时的布里渊频率漂移量；为光纤类型与有关应变之间的比例系数；为光纤类型与有关温度之间的比例系数。

光纤监测可根据光纤的应变和温度的变化，分析其受力情况，计算出地面沉降。

目前，分布式光纤监测技术应用广其主要特点有信息量大、结构单、可靠安全、使用方便、成本低、敏感性高、测距长、外界干扰少等。

4 结论

①总结我国地面沉降的主要监测手段，分析其使用原理。

②对比各监测手段的特点，得出地面沉降的监测手段趋向于信息化、自动化，监测效果明显、可靠，成本低、效率高等。

[1]周志芳,王锦国.地下水动力学[M]北京：科学出版社,2013.9-9

[2]欧志坚,江卉.数字摄影测量在道路选线中的应用[J]重庆交通大学学报(自然科学版),2007,26：95-98

[3]河海大学 测量学 编写组.测量学[M]北京：国防工业出版社,2013.10-11

[4]李天子,郭辉.多基线近景摄影测量的平面地表变形监测[J]辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2013,32（8）：1098-1102

[5]王晓华,胡友建,肖鸾.GPS技术应用于变形监测的综述[J]淮阴工程学院学报,2005,13（3）：36-37

[6]刘曦霞.合成孔径雷达干涉测量（INSAR）技术原理及应用发展[J]科技创新与应用,2015,20：36-36

[7]卢毅,施斌,于军,龚绪龙,魏广庆,刘瑾.地面变形分布式光纤监测模型实验研究[J]工程地质学报,201523（50）:896-8