许 言，杨天亮，焦 珣，吴建中

（1. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072））

上海地面沉降监测技术应用实践

许 言1,2,3，杨天亮1,2,3，焦 珣1,2,3，吴建中1,2,3

（1. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072））

地面沉降是全世界平原地区最主要和最突出的地质灾害之一，直接威胁着城市生态环境和重大基础设施安全，而沉降监测是地面沉降灾害防治中非常重要的一个环节。上海经过五十多年的探索与实践，已形成了较为系统的地面沉降监测网络。本文分析了国际地面沉降监测技术的应用现状，总结了上海市地面沉降监测网络建设概况与新技术的应用，分析了地面沉降监测技术的发展趋势，可为国内外地面沉降监测网络建设的发展提供借鉴与指导。

地面沉降；监测技术；应用实践；发展趋势

上海地面沉降是在重复水准测量中发现的。据统计，1966～2000年间上海市区累计平均地面沉降量为218.1mm，年平均地面沉降量为6.2mm。地面沉降导致地面标高损失，使城市防、泄洪能力下降，地下管线扭曲断裂，深井井管上升，供水、排水系统失效，影响轨道交通安全，给城市安全造成巨大威胁[1]。

上海的地面沉降现象尽管发现较早，但直到1952～1960年期间，随着上海城市建设的迅速发展，逐步建立了全市统一高程控制网，并定期与佘山国家水准基点进行联测，才比较准确的掌握了市区地面高程的变化。通过各种监测技术的应用，掌握地面沉降时空分布规律，进一步查明地面沉降的原因，掌握沉降规律，提出控制沉降的措施意见，保障规模不断扩大、数量不断增加的重大基础设施的运营安全[2]。

本文分析国际地面沉降监测技术的应用现状，总结上海市地面沉降监测网络建设概况与新技术应用的实践与探索，分析地面沉降监测技术的发展趋势，可为国内外地面沉降监测网络建设的发展提供借鉴与指导。

1 国际地面沉降监测技术应用概况

1.1 传统监测技术的应用

据统计，上世纪90年代以来世界上有超过150个主要城市出现了严重的地面沉降问题，而精密水准测量以及分层标组测量是较为普遍使用的传统地面沉降监测方法[3]。然而随着城市的发展，地面沉降监测区域的不断扩大，传统测量技术面临着稳定性与经济性的问题，其推广与发展受到了一定的限制。

1.2 GPS技术的应用

美国是最早将GPS（Global Positioning System）技术应用于地面沉降监测的国家。德克萨斯州从1982年开始使用GPS技术，至2014年已运行了近200个永久的GPS站点，组建了可连续观测的GPS监测网络。而休斯敦地区在80个动态GPS站点[4]的基础上，也运行了若干固定站点，从而提高测量精度，其地面沉降的监测精度可达毫米级，并能实现实时连续观测[5]。

GPS定位技术在1980年代后期逐渐在欧洲得到应用[6]。捷克斯洛伐克运用GPS监测了地质构造运移[7]。西班牙建立了局部稳定性GPS控制网，由微型大地测量控制网络实现[8]。

威尼斯是世界上受地面沉降影响最早与最严重的城市之一。为了控制地面沉降，威尼斯于2004年建立了约480km长拥有527个基准点的水准测量线网，并适配了45个GPS测量站点[9]。

GPS目前的不足之处主要为精度较低（相对于分层标自动化、小区域精密水准测量）、监测点周围环境要求高。为使GPS测量技术在变形测量达到毫米级精度，需要一些特殊的预防措施，比如使用强迫定心设备，应用特殊的测量技术的快速短基线或静态方法为精确设计专用设备天线高度读数[10]。甚至在某些情况下，这些特殊预防措施仍不足，因此需要结合GPS与其他测量技术来提高其准确性。

1.3 InSAR技术的应用

InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技术是一种有效的远程检测和测量表面位移的技术，在城市地区具备厘米至毫米级的精度。PS（Permanent Scatterers）-InSAR技术是在Different-InSAR技术上发展起来的，该技术有效地解决了D-InSAR技术中时间、空间去相关和大气效应等限制测量精度的问题，达到了获得毫米级地表形变信息的能力，从而极大地推动了InSAR技术的发展和应用。

英国利用多年的格林威治地区SAR影像对该地区的地面沉降进行研究[11]，根据大量SAR影像的平均振幅选取的PS参考点。美国SanFrancisco的加州海湾地区，利用1999～2002的49幅该地球ERS雷达图像中115487个PS点，经PS-In-SAR处理获得了该海湾不同地区的年沉降(抬升)速率[12]。罗马市通过SBAS-DInSAR技术，定量估计的地面沉降持续沉降过程，以及空间分布地图，划分出重点防治地区。希腊结合使用三个不同的InSAR技术，在时空上准确监测希腊中部地区的地面变形[13]。葡萄牙里斯本将In-SAR与有限元模型相结合，进行了地面沉降的评价与预测[14]。

InSAR技术进行地面形变监测的数据来源于星载雷达，用该方法进行地面变形监测的范围可以覆盖全球，这与其它变形监测方法（如GPS仅仅局限于某点或一定区域）是完全不同的，随着航天技术、星载SAR技术水平、精度和性能的提高，其应用领域将更加广阔。

1.4 地面沉降监测技术发展趋势

在近20年里，GPS以及InSAR技术以其低成本、高时效和高精度，逐渐在全世界地面沉降监测中得到了广泛应用。而精密水准测量等传统监测技术以其高精度和普适性仍然是地面沉降监测网络中不可替代的一环。从地面沉降监测技术在国际上的应用进展来看，地面沉降监测技术的发展趋势主要有3个方面：一是高精度的测量；二是多方法联合测量；三是监测服务体系的整合。

PS-InSAR与GPS在精密探测地表形变方面具有优势互补性，开展两者协同测量研究，将更好地发挥出InSAR测量的潜力。欧洲于21世纪初，开始实现GPS与InSAR数据的综合应用。在不久的将来，欧洲伽利略系统的实现，可以跟踪更多的卫星，使用混合GPS-GALILEO接收器，从而更好的卫星配置，在精度与稳定性方面效果更加突出欧洲空间局（ESA）创造性的推动了一个为期10年的Terrafirma项目，旨在提供基于PS-InSAR技术的毫米级精度的地面沉降监测等方面的服务，覆盖了欧盟25个成员国，通过整合InSAR和传统地理信息系统（GIS）下的现场测量方法，由地质与地理学家进行解译，从而产生高附加值和高层次的技术服务[16]。在Terrafirma项目框架下，不同国家的政府决策者、不同InSAR服务供应商、众多的专家与学者可以协同工作，从而可以连续、准确、一致的推动地面沉降监测与灾害防治工作。

2 上海市地面沉降监测网络建设概况

上海经过五十多年的地面沉降监测网络建设，已形成了较为系统的地面沉降监测网络，建立了由地面沉降监测站重点控制、地面水准测量面状监测、GPS监测网络全区控制并兼顾地下水监测的综合性地面沉降监测网络，为地面沉降研究与防治提供了重要的基础资料和技术支持。

结合城市发展规划和监测网络整体布局，目前上海已形成由38座监测站组成的覆盖全市的地面沉降监测站系统，且大部分采用自动化监测技术进行监测。最近十五年建设的地面沉降监测站主要分布在上海郊区，一方面遵循“填白补空”的原则，一方面也是郊区新城等发展的需要。随着地面沉降调查与监测范围的不断扩大，地面沉降水准监测网逐步向近郊区扩展，目前地面沉降水准监测网已覆盖全部中心城范围及大虹桥、浦东周浦、临港新城等重点区域。

上海逐步构建了生命线工程骨干监测网，在工程沿线部署了大量水准监测点及分层沉降监测标组，建立了重大基础设施沿线周边地区地面沉降骨干监测网，在详细了解工程沉降与区域地面沉降关系的基础上，对引起工程沉降的主要土层开展分层监测。上海现已拥有17座基岩标、86组分层标，重大基础设施沿线周边地区地面沉降骨干监测网的建设与完善，为重大基础设施沉降与周边地区区域地面沉降对比分析，并提出针对性防治对策奠定了基础。

上海地面沉降监测网络体系由地下水动态监测网络、地面沉降监测网络、数据处理和控制中心组成。地面沉降监测网由基岩标、分层标监测网、水准监测网、GPS监测网、InSAR监测网组成，通过区分各种监测技术的优缺点，进而根据各种监测技术的适用条件进行综合应用。

3 上海地面沉降监测技术的应用实践与探索

3.1 传统监测技术的应用

（1）水准测量

上海市的地面沉降现象最初是由租界1921～1938年重复水准测量反映出的[17]。目前上海市水准监测网已覆盖整个中心城区，监测频率为每年1次。监测方法以人工监测为主，兼顾自动化监测手段。

随着城市的发展，中心城的范围逐步扩大，地面沉降水准监测网控制范围也随之扩大，测区面积约900km2，水准点间距基本确保500m/点，进一步加强了区域控制能力。水准监测网络优化、完善，加强了区域控制能力，提高了网形强度。

（2）基岩标、分层标测量

基岩标作为高程控制测量的基准，其建设与应用，提高了上海地面沉降测量精度。基岩标是埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可以作为地面沉降测量的高程控制点。

分层标是上海掌握不同深度土层变形信息最主要的手段，其根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中，是世界上公认的测量松散土层变形量的设施。目前上海市已建成38座由一个基岩标和若干个分层标组成的监测站，形成对上海全市地面沉降的全覆盖监控。

上海已研发了综合采集系统，以实现地面沉降分层标数据的自动、连续采集，和对各类监测点的网络控制管理。该综合采集系统可以对分层沉降实现远程监控，实现定时和即时测量并自动将监测数据并入数据管理系统。

3.2 新监测技术的发展应用

（1）自动化监测

上海地区自2000年开展自动化监测工作以来，自动化监测以其效率和高精度的优点，在地面沉降监测中发挥了重要作用。在不断进行技术更新、强化的同时，自动化监测规模也在陆续扩大。目前上海主要应用4种自动化监测技术：静力水准自动化监测技术、地下水位自动化监测技术、全站仪自动化监测技术和电子水平尺自动化监测技术。其中应用于地面沉降监测站的主要为静力水准自动化监测技术和地下水位自动化监测技术。

（2）GPS测量

上海市于1998年开始应用GPS技术，先后进行了可行性论证、基准网建设、数据处理和平差方法探索等一系列研究工作，并布设了由34点组成的覆盖整个上海市的地面沉降监测基准网（GPS一级网，控制面积约5000km2），后又在全市范围内布设了由110个GPS监测点组成的GPS二级网。2004年设立了4个GPS固定站（CORS站），开始对上海地面沉降实施连续监测。目前上海地面沉降GPS监测网分级布设基本形成，建成由6座GPS永久观测站、65个GPS一级网监测点和218个GPS二级网监测点组成的GPS地面沉降监测网络。

在应用GPS监测技术过程中，GPS监测外符精度在不断提高，从2004年的9mm提高至现在5mm。通过观测纲要的不断优化、时段长度的优化、数据处理软件的选取优化等，GPS一级网点与水准测量比较的标准偏差不断减小，也即GPS测量的外符精度不断提高。

（3）InSAR测量

上海从2004年便开始进行InSAR地面沉降监测研究，前期的研究主要利用中等分辨率SAR影像（如欧洲空间局卫星ERS-1/2和ENVISAT的C波段SAR影像）进行形变提取，并根据上海市沉降监测业务化工作的实际需要，应用短时间序列SAR影像地表形变检测的新方法进一步开展了工程化试验和成果验证。后期采用了高分辨率SAR影像数据和L波段的长波长数据进行了大量的对比分析研究。上海市采用的SAR影像数据分辨率不断提高。目前使用具有更强识别能力且对短周期微小形变更为敏感的的德国卫星TerraSAR-X（X波段波长为3.1cm）高分辨率SAR影像数据为数据源。

上海目前采用了一种针对短时间序列小数据集相干点目标的提取方法，扩展了PS-InSAR技术的应用。上海目前PS-InSAR地面沉降监测达到了毫米级精度，其基于序列高分辨率SAR数据不仅可以监测地面沉降，还可对大型单体建筑物及地铁等线状地物进行形变监测[18]。

3.3 信息化新技术在地面沉降监测中的应用

（1）北斗卫星的应用

中国自主建立的“北斗”区域导航系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能。利用北斗的报文功能，通过自动数据采集系统，将采集的实时数据加密然后利用报文的形式通过用户机发送到指挥机，再在数据指挥中心通过特殊软件将接收到的报文数据解析、还原，并生成可用的监测成果。未来随着“北斗”系统功能的完善和性能的提高，其在地面沉降监测领域的应用前景将更加广阔。

（2）地面沉降测量APP

上海市目前应用的地面沉降测量APP采用无线网络技术、WebService技术、蓝牙通讯技术，结合电子水准仪，将数据采集、规范检查、数据上传发布一次性完成。减少了沉降监测监管的很多环节，保证了数据的准确性、及时性。节省了人力物力，提高了工作效率。地面沉降测量APP只采集标尺读数，不计算高程和沉降量，高程和沉降量放在后台进行，不存在泄密的问题。数据分外网和内网，外网负责数据的接收和计算，内网负责数据的存储，保证了数据的安全。地面沉降测量移动端研究，在国内外的研究与应用并不多。

3.4 探索与发展

上海市的地面沉降监测是一个从无到有，从中心城区向全市，从单一水准测量到多方法综合的发展过程。目前上海市已建成空间的、立体分布的、融合各种监测技术的、各种监测技术优势互补的综合性地面沉降监测网，基本建立了由区域地面沉降监测网（精密水准监测网、GPS地面沉降监测网、InSAR监测）—地面沉降动态监测网（基岩标、分层标组、自动化监测系统）—地下水动态监测网（水位、水质）构成的地面沉降监测网络，基本满足地面沉降研究中各个层次（不同控制区域、不同监测频率、不同精度、不同深度土层、不同深度含水层）的研究需求。

地面沉降监测技术的发展趋势主要有3个方面：一是高精度的测量；二是多方法联合测量；三是监测服务体系的整合。上海目前拥有较为完善、覆盖范围广、安全性高的地面沉降监测体系，上海在多技术融合，立体监测网络方面的实践与探索，可为国内外地面沉降监测网络建设的发展提供借鉴与指导。未来上海可加强不同监测网络系统的统一与整合，建立区域统一规划及信息沟通，整体协调预警，并进一步提高监测精度，形成全天候、全方位、高精度的实时自动监测网络。

4 结语

目前，上海地区地面沉降的主要监测技术有：水准测量、基岩标、分层标测量、自动化监测、GPS测量、InSAR测量等，各种监测技术的应用遵循各自的监测原理以及最佳应用范围等技术要求。上海在多技术融合，立体监测网络方面的实践与探索，可为国内外地面沉降监测网络建设的发展提供借鉴与指导。

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Application of land subsidence monitoring technology in Shanghai

XU Yan1,2,3, YANG Tian-Liang1,2,3, JIAO Xu1,2,3, WU Jian-Zhong1,2,3
(1. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Land subsidence is one of the most prominent geological disasters in the plains of Shanghai and all over the world, directly threatening the urban ecological environment and major infrastructure security. The monitoring of land subsidence is an important part of the prevention and control of the land subsidence hazard. After 50 years of practice and exploration of land subsidence monitoring techniques, a land subsidence monitoring network has been constructed in Shanghai. This paper explores the development trend of land subsidence monitoring technology, through the analysis of the present application of international land subsidence monitoring technology, and summarizes the status of land subsidence monitoring network construction and the application of new technology in Shanghai. The results are valuable for the development of land subsidence monitoring and the application of new technology at home and abroad.

land subsidence; monitoring technology; application practice; development trend

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0031-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.008

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

许言(1989-),男,博士,助理工程师,主要从事地面沉降与软土工程地质研究.

电子邮箱: xuyan@sigs.com.cn

联系电话: 021-56617671

中国地质调查局地质调查项目