⑴ 地表形變InSAR調查與監測技術
一、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、地面沉降、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范圍小、點位密度低和施測周期長等不足，對地質災害宏觀特徵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，合成孔徑雷達干涉測量（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、准確、精度高、覆蓋范圍廣等優點，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徵及變化信息。由於干涉相位對微小形變極其敏感，毫米級的形變在干涉相位中都會有所反映，因而利用重復軌觀測獲取的干涉相位，通過差分干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，航遙中心依託國土資源大調查、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，系統解決了低相干、有限數據量條件下InSAR地面沉降信息提取和跨軌道、多圖幅大范圍地面沉降InSAR監測制圖等一系列地表形變InSAR監測工程化應用的核心技術，建立了一套解決大區域性地面沉降同步監測的InSAR方法技術體系。在我國首次系統利用InSAR技術開展了大范圍區域性地面沉降工程化監測，獲得了當前華北平原、長三角、汾渭谷地等地區全覆蓋、高精度的地面沉降監測數據，填補了地面沉降基礎調查數據的空白。工程化應用表明相干目標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，滿足地面沉降監測的需要。InSAR技術的研究和應用提升了我國地表形變，特別是區域性地面沉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、應用范圍及應用實例
研究成果先後應用於地面沉降、滑坡、高鐵沉降、油田地表變形和礦山開采沉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沉降監測工作的局限，實現了區域地面沉降InSAR監測成果「一張圖」，填補了我國地面沉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一批重大工程區地面沉降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）、礦山開采沉陷（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 華北平原地面沉降區InSAR監測沉降速率圖（2008～2010年）
1.實現我國三大地面沉降區監測全覆蓋
利用InSAR技術開展華北平原、長三角、汾渭谷地大范圍、區域性地面沉降調查與監測，累計范圍超過20×104 km2，首次實現了我國三大沉降區的InSAR監測全覆蓋。
（1）華北平原地面沉降InSAR監測成果
監測范圍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：華北平原以往地面沉降嚴重的主要城市（天津、北京（圖2，圖3）、滄州等），自2004年開始市區沉降速率均有所減緩，普遍小於30mm；主要沉降中心多集中於這些城市的周邊，以各種開發區為主。沉降中心的年沉降速率普遍大於40～50mm，且有不斷擴大的趨勢；各省級行政區交界地帶沉降區呈現連片發展趨勢，沉降速率大、范圍廣；沉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年累積沉降量
圖3 北京來廣營累積沉降量
（2）長江三角洲地區地面沉降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年至今地面沉降的分布狀況，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 平湖等多個快速大范圍沉降區，年最大沉降速率達到40～50mm。監測表明：長三角地區整體沉降幅度和范圍小於華北平原地區，地面沉降速率總體趨緩，快速沉降區仍多集中在各地的主要開發區。
圖4 上海地區InSAR 監測累積地面沉降量圖（2003年9 月—2010年9 月）
圖5 華漕鎮累積沉降量圖（2003年9月—2010年9月）
（3）汾渭地區地面沉降InSAR監測成果
圖6 太原盆地地面沉降速率圖（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 范圍的地面沉降發展分布狀況，新發現了榆次、清徐、臨汾等快速沉降區，最大年沉降速率達50～70mm。完成了太原市區（圖7）自2005年以來地面沉降變化過程的連續監測，詳細查明了各主要沉降中心的時空變化特徵。
圖7 太原市主城區主要沉降中心分布圖
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沉降監測與調查。在國內首次應用歐空局ENVISAT衛星SAR數據（解析度20m）開展了京津高速鐵路全線地面沉降狀況InSAR調查與監測，獲取了沿線5 km范圍內2004年至今各年度的地面沉降監測成果，發現了京津高鐵沿線位於北京和天津地區的2 處主要沉降漏斗（圖8，圖9）。同時，首次利用德國TerraSAR-X高解析度SAR數據（解析度3m）開展了京津高鐵沿線重點沉降區精細監測，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
在實現區域性地面沉降InSAR監測的基礎上，開展了礦山開采沉陷調查、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），開展了煤礦區開采沉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採的范圍和強度，能夠滿足礦山開采沉陷動態監測需要。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、東營等油田地面沉降和抬升狀況。
圖8 京津高鐵全線地面沉降速率圖（2007～2009年）
圖9 京津高鐵沿線2007～2009年地面沉降剖面圖
圖10 開灤礦區開采沉陷InSAR干涉圖（2009年10月07日至2009年10月31日）
InSAR技術在我國主要地面沉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沉降監測工作，重點圍繞國家重大基礎設施建設，依託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，特別是煤礦區開采沉陷和工礦城市地面沉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沉降速率圖（2004～2009）
高分辨雷達衛星及其相關技術的發展將進一步推動地質災害InSAR精細化監測。新一代高分辨雷達衛星，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《華北平原地面沉降監測與防治》、《長三角地區地面沉降監測與風險管理》、《全國地面沉降監測與防治》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沉降、礦山開采沉陷調查與監測，詳細查明目前我國地面沉降的發生狀況，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沉降InSAR監測成果有效地指導了各地區地面監測網路的布設和建設。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沉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技術在我國地面沉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、研究所等機構共計120餘人參加了本次培訓，邀請了來自義大利、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。
技術依託單位：中國國土資源航空物探遙感中心
聯系人：葛曉立
通訊地址：北京市海淀區學院路31號航遙中心遙感方法技術研究所
郵政編碼：100083
聯系電話：010-62060051
電子郵件：[email protected]
⑵ 地裂縫調查與監測技術方法
一、內容概述
在國家自然科學基金委、國土資源部、中國地質調查局及地方政府的支持和資助下，長安大學地裂縫地面沉降課題組在地裂縫調查與監測技術方法方面，形成了一套包括地裂縫調查內容、調查方法與技術要求，地裂縫監測內容、監測方法與技術要求，地裂縫評價內容、評價方法與指標體系成果。
1.形成了一套系統的地裂縫調查方法
針對不同成因類型特點的地裂縫，提出了不同的調查內容和工作方法以及不同比例尺地裂縫調查的精度要求。
2.形成了一套完備的地裂縫場地勘察方法
1）根據地裂縫的出露情況及勘探標志層的不同，劃分了地裂縫場地類型（一類、二類和三類），提出了不同地裂縫場地的具體勘探手段及技術要求。
2）研發了地裂縫的精細探測與高精度解譯技術。利用多次覆蓋反射法探測所採集的資料，拾取初至反射波信息，採用CT成像技術，反演淺表層地層速度場（圖1）。開發的CT成像信息處理技術，能有效識別淺層地裂縫，解決了50m以淺地裂縫定位探測的技術難題。
圖1 CT成像有效識別淺部裂縫信息解譯剖面
3.提出了不同類型地裂縫的成因模式及機理研究方法
包括構造控縫（圖2至圖3）、應力導縫（圖4）和抽水擴縫（圖5至圖7）的地裂縫耦合成因理論。
4.提出了地裂縫監測的方法、內容及技術標准，研發了地裂縫的高精度GPS監測、InSAR監測及其融合監測技術以及監測設備
研究的GPS監測數據精密處理方法（圖8），實現了垂向精度高於3 mm的監測地面沉降地裂縫形變特徵的能力；開展的對不同區域地裂縫監測的 InSAR 技術、小基線（SBAS）技術、人工角反射器（CR）技術、新型衛星和多衛星平台的InSAR處理以及In-SAR監測的後處理方法，實現了「毫米」量級的監測精度；建立的基於GPS監測點上移動人工角反射器的GPS與CR-InSAR融合技術和通過CR和GPS融合對InSAR誤差的修正模型和方法，實現了1～2mm量級的地裂縫高精度監測。開發了地裂縫三維實時動態監測儀器，包括基於GPS移動的人工角反射器和地裂縫三向變形測量儀（圖9）等。
圖2 西安地區深部構造孕裂模型
圖3 臨潼 長安斷裂派生地裂縫模式
圖4 渭河盆地地裂縫與區域構造應力關系
5.建立了地裂縫評價的指標體系，提出了地裂縫的綜合分類方案和綜合評價方法
地裂縫評價內容包括地裂縫成因判定、活動性評價、趨勢預測、致災機理分析和危險性評價；評價指標包括鬆散地層沉積相及沉積厚度、含水層分布、地層結構、地形地貌、岩土體物理力學性質、地裂縫歷史災害程度、地下水位埋深、地下水開采強度和其他人類工程活動等；評價方法包括遺傳演算法（GA）、人工神經網路法（ANN）、灰色聚類分析法、模糊綜合評判法、層次分析法、地理信息系統（GIS）等。地裂縫按規模分為巨型、特大型、大型、中型和小型；按力學性質分為剪切型、拉張型、張剪型和壓剪型；按張開程度分為閉合、裂開、張開、寬、很寬和極寬型；按活動程度分為活動強烈、較強烈、中等和微弱；按主次關系分為主裂縫、分支裂縫和次級裂縫；按形成原因分為構造型（斷層蠕滑、地震裂縫）、非構造型（濕陷、塌陷、沉降、脹縮和滑坡裂縫等）和復合型（沉降與構造耦合）。
圖5 地裂縫與地面沉降中心關系
圖6 黏土層差異沉降壓縮擴縫模式
圖7 含水層水平位移擴縫模式
圖8 高精度HPGPSADJ軟體和GPS後處理軟體
圖9 地裂縫三向變形測量儀
二、應用范圍及應用實例
地裂縫調查與監測技術方法可應用於地質災害調查、城市建設規劃、工業民用建築、公路、鐵路和生命線等建設工程的不同階段的勘察和設計。該技術方法已成功運用於汾渭盆地、華北平原、東北地區和華東地區的地裂縫調查與監測中（圖10，圖11），在西安地鐵（圖12）、大同-西安高速鐵路（圖13）和北京未來科技城（圖14）等重大工程建設以及西安城市建設規劃中得到應用，為重大城市和重大工程減災防災做出了貢獻，並已在20餘個省市推廣，形成了地裂縫災害調查、探測與監測技術的示範。
圖10 渭河盆地西安地區地裂縫監測
圖11 太原盆地清徐地裂縫監測圖
圖12 西安地鐵四號線沿線地裂縫危險性評價
圖13 大同-西安高鐵沿線地裂縫的勘察成果
圖14 北京未來科技城國網智能電網研究院地裂縫場地的勘察評價成果
三、推廣轉化方式
該項成果已獲省部級科學技術一等獎3項，發表核心期刊論文247篇，其中SCI收錄論文41篇、EI收錄論文102篇，出版學術專著3部，獲國家專利8項、軟體著作權3項，在國內外產生了重大學術影響；在第三屆全國岩土與工程學術大會、2009～2012年全國工程地質大會、第三屆全國地面沉降防治學術研討會以及「Prevention of Geo-Hazards in Western China and The Fifth International Symposium on Mitigation of Geo-hazards in Area around Japan Sea」等國際學術會議上進行了交流，獲得國內外同行的廣泛認可，尤其是國際工程地質與環境協會（IAEG）主席Carlos Delgado教授對該成果給予了高度評價。
該成果可通過宣傳報道、會議交流、人員培訓、技術咨詢、現場服務等方式進一步推廣和應用轉化。
技術依託單位：長安大學
聯系人：楊紅斌 盧全中
通訊地址：陝西省西安市南二環路中段長安大學科技處
郵政編碼：710064
聯系電話：029-82334276，18049518981