⑴ 地表形变InSAR调查与监测技术
一、内容概述
地表形变监测是地质灾害防治与预警的基础工作。我国当前频发的滑坡、地面沉降、地裂缝、地面塌陷等对人居环境的威胁逐步增大。传统地面测量手段受制于监测范围小、点位密度低和施测周期长等不足，对地质灾害宏观特征及时空演化过程的监测能力有限。自20世纪90年代末期开始，合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术在多类型地表形变监测中得到广泛的研究和应用，具有快速、准确、精度高、覆盖范围广等优点，改变了以往测量手段点位密度低、工作周期长、施测要求高的不足。
InSAR技术的核心是利用相位观测值获取目标的几何特征及变化信息。由于干涉相位对微小形变极其敏感，毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映，因而利用重复轨观测获取的干涉相位，通过差分干涉处理可获得高精度的形变信息。
自2000年起，在国土资源部、科技部等部门的支持下，航遥中心依托国土资源大调查、国土资源部公益性行业基金、863计划等项目，开展InSAR技术的理论、方法及应用研究，形成了趋于完善的多尺度、多类型的灾害性地表形变InSAR调查与监测技术体系。通过InSAR关键技术研究、应用示范、结果验证和工程化应用等环节的攻关研究，系统解决了低相干、有限数据量条件下InSAR地面沉降信息提取和跨轨道、多图幅大范围地面沉降InSAR监测制图等一系列地表形变InSAR监测工程化应用的核心技术，建立了一套解决大区域性地面沉降同步监测的InSAR方法技术体系。在我国首次系统利用InSAR技术开展了大范围区域性地面沉降工程化监测，获得了当前华北平原、长三角、汾渭谷地等地区全覆盖、高精度的地面沉降监测数据，填补了地面沉降基础调查数据的空白。工程化应用表明相干目标InSAR时序技术测量成果的精度优于±3～5 mm，在区域性监测中整体方差优于±1 cm，满足地面沉降监测的需要。InSAR技术的研究和应用提升了我国地表形变，特别是区域性地面沉降监测的工作能力和技术水平，取得了显着的社会效益和经济效益。
二、应用范围及应用实例
研究成果先后应用于地面沉降、滑坡、高铁沉降、油田地表变形和矿山开采沉陷等多类型地表形变监测。从2004年至今，先后开展了华北平原、长江三角洲地区、汾渭谷地全覆盖InSAR工程化监测，突破了以往独立行政区划对地面沉降监测工作的局限，实现了区域地面沉降InSAR监测成果“一张图”，填补了我国地面沉降防治与风险管理工作基础数据的空白。
同时，针对重大工程对地面稳定性的要求，开展了京津、京沪等高速铁路，南水北调工程东线，西气东输工程长三角段等一批重大工程区地面沉降InSAR调查和监测，为重大工程区的地质灾害风险管理提供了有效的技术服务。先后开展了三峡库区滑坡（新滩、树坪等）、矿山开采沉陷（唐山、兖州等）、油田地表形变（大港、东营等）、城市地裂缝（西安）、地震形变场等多尺度、多类型地表形变监测应用，全面提升了InSAR技术的应用能力和水平。
图1 华北平原地面沉降区InSAR监测沉降速率图（2008～2010年）
1.实现我国三大地面沉降区监测全覆盖
利用InSAR技术开展华北平原、长三角、汾渭谷地大范围、区域性地面沉降调查与监测，累计范围超过20×104 km2，首次实现了我国三大沉降区的InSAR监测全覆盖。
（1）华北平原地面沉降InSAR监测成果
监测范围14×104 km2，覆盖北京、天津、石家庄、唐山、郑州等城市以及黄河三角洲地区（图1）。监测成果显示：华北平原以往地面沉降严重的主要城市（天津、北京（图2，图3）、沧州等），自2004年开始市区沉降速率均有所减缓，普遍小于30mm；主要沉降中心多集中于这些城市的周边，以各种开发区为主。沉降中心的年沉降速率普遍大于40～50mm，且有不断扩大的趋势；各省级行政区交界地带沉降区呈现连片发展趋势，沉降速率大、范围广；沉降中心与大型基础设施（铁路、公路）分布以及区域经济发展密切相关。
图2 北京地区2007～2010年累积沉降量
图3 北京来广营累积沉降量
（2）长江三角洲地区地面沉降InSAR监测成果
监测面积约6×104km2，覆盖上海（图4、图5）、江苏苏锡常与扬泰通、浙江杭嘉湖地区，查明了各地区2006年至今地面沉降的分布状况，获取了上海、苏锡常、杭嘉湖地区的连续监测数据，发现了上海市与浙江交界地带金山 平湖等多个快速大范围沉降区，年最大沉降速率达到40～50mm。监测表明：长三角地区整体沉降幅度和范围小于华北平原地区，地面沉降速率总体趋缓，快速沉降区仍多集中在各地的主要开发区。
图4 上海地区InSAR 监测累积地面沉降量图（2003年9 月—2010年9 月）
图5 华漕镇累积沉降量图（2003年9月—2010年9月）
（3）汾渭地区地面沉降InSAR监测成果
图6 太原盆地地面沉降速率图（2007～2010年）
以大同-太原-临汾地区（图6）、西安市为主要工作区，查明了覆盖汾渭地区近4×104 km2 范围的地面沉降发展分布状况，新发现了榆次、清徐、临汾等快速沉降区，最大年沉降速率达50～70mm。完成了太原市区（图7）自2005年以来地面沉降变化过程的连续监测，详细查明了各主要沉降中心的时空变化特征。
图7 太原市主城区主要沉降中心分布图
2.有效服务高速铁路沿线等国家重大基础设施建设
积极服务国家重大基础设施建设，应用InSAR技术开展高速铁路沿线地面沉降监测与调查。在国内首次应用欧空局ENVISAT卫星SAR数据（分辨率20m）开展了京津高速铁路全线地面沉降状况InSAR调查与监测，获取了沿线5 km范围内2004年至今各年度的地面沉降监测成果，发现了京津高铁沿线位于北京和天津地区的2 处主要沉降漏斗（图8，图9）。同时，首次利用德国TerraSAR-X高分辨率SAR数据（分辨率3m）开展了京津高铁沿线重点沉降区精细监测，获取了2009年2～10月间连续监测数据，有效服务于铁道部门对京津高铁基础的稳定性评价和对策研究工作。
3.积极开展多类型地质灾害监测与工程实践
在实现区域性地面沉降InSAR监测的基础上，开展了矿山开采沉陷调查、油田地表变形监测、滑坡活动监测、城市地裂缝探测、地震形变场提取等多尺度、多形式的灾害性地表形变场探测与监测，取得了良好效果。以唐山开滦矿区为研究区（图10 和图11），开展了煤矿区开采沉陷和矿业城市地面稳定性InSAR监测，证实InSAR技术可及时发现矿山开采的范围和强度，能够满足矿山开采沉陷动态监测需要。目前已广泛应用于大同、兖州、淮南、徐州、皖北等主要煤矿区。连续监测三峡地区新滩滑坡、链子崖滑坡自2002年至今的活动变化，结果显示新滩滑坡已趋于稳定。开展石油开采诱发地表变形的InSAR监测，查明了大庆、东营等油田地面沉降和抬升状况。
图8 京津高铁全线地面沉降速率图（2007～2009年）
图9 京津高铁沿线2007～2009年地面沉降剖面图
图10 开滦矿区开采沉陷InSAR干涉图（2009年10月07日至2009年10月31日）
InSAR技术在我国主要地面沉降区以及多类型地表形变灾害监测工作中的应用实践显示了在地质灾害监测领域的独特优势。“十二五”期间，InSAR技术将在全国地质灾害易发区调查、重要经济区（城市群）建设、主要矿产资源开发区监测、地下水主要开发利用区监测以及重大工程区等领域内缓慢地表形变监测工作中发挥重要作用。立足全国区域性地面沉降监测工作，重点围绕国家重大基础设施建设，依托InSAR技术开展大区域地表形变监测，提供地面稳定性监测与风险评价，服务于工程规划、建设和运营。在矿山、石油、水利等领域的应用，特别是煤矿区开采沉陷和工矿城市地面沉降监测方面的应用需求明显，将促进InSAR技术成为日常监测手段。
图11 唐山市老采空区缓慢沉降速率图（2004～2009）
高分辨雷达卫星及其相关技术的发展将进一步推动地质灾害InSAR精细化监测。新一代高分辨雷达卫星，如TerraSAR-X、Cosmo-skymed等将为InSAR技术精细化应用提供丰富的数据源。应用高分辨SAR数据开展高速铁路、公路、大坝以及大型单体建筑等重大工程和基础设施的精细监测将成为现实。将在国土资源、矿山、交通运输、水利工程等诸多领域的地质灾害调查与监测工作中发挥更为重要的作用。
三、推广转化方式
本项研究成果已先后在中国地质调查局开展的《华北平原地面沉降监测与防治》、《长三角地区地面沉降监测与风险管理》、《全国地面沉降监测与防治》等计划项目中得以推广应用，并于2011年启动了《全国地表形变遥感地质调查》工作，旨在应用InSAR技术开展我国中东部的平原、盆地、三角洲地区和海岸带地区地面沉降、矿山开采沉陷调查与监测，详细查明目前我国地面沉降的发生状况，为全国地下水管理、城市规划、基础设施建设布局等提供基础资料。
华北平原和长三角地面沉降InSAR监测成果有效地指导了各地区地面监测网络的布设和建设。通过与北京、天津、上海等各省市地质环境总站联合，针对各地区关心的重点沉降区开展详细调查和监测，直接服务于地方需要。此外，为铁道部第三设计院、煤炭科学研究院唐山分院、山东省鲁北工程勘查院、河北省水文地质工程地质4队等单位和组织提供了技术资料和成果。
2010年6月，中国地质调查局以地质调查要情专报的形式刊发了“InSAR技术在我国地面沉降调查监测工作中应用效果显着”的通报，介绍InSAR技术研发取得的成果和先进经验。2011年初，由中国地质调查局主办，航遥中心承办，召开了迄今以来全国最大规模的“地表形变InSAR监测技术培训及研讨会”，全国各地质环境监测部门、高校、研究所等机构共计120余人参加了本次培训，邀请了来自意大利、德国、加拿大等国家和机构专门从事InSAR技术研发的专家授课，全面介绍InSAR技术及其应用情况，取得了良好的社会效益。
主要推广转换方式包括会议交流、技术培训与技术咨询。
技术依托单位：中国国土资源航空物探遥感中心
联系人：葛晓立
通讯地址：北京市海淀区学院路31号航遥中心遥感方法技术研究所
邮政编码：100083
联系电话：010-62060051
电子邮件：[email protected]
⑵ 地裂缝调查与监测技术方法
一、内容概述
在国家自然科学基金委、国土资源部、中国地质调查局及地方政府的支持和资助下，长安大学地裂缝地面沉降课题组在地裂缝调查与监测技术方法方面，形成了一套包括地裂缝调查内容、调查方法与技术要求，地裂缝监测内容、监测方法与技术要求，地裂缝评价内容、评价方法与指标体系成果。
1.形成了一套系统的地裂缝调查方法
针对不同成因类型特点的地裂缝，提出了不同的调查内容和工作方法以及不同比例尺地裂缝调查的精度要求。
2.形成了一套完备的地裂缝场地勘察方法
1）根据地裂缝的出露情况及勘探标志层的不同，划分了地裂缝场地类型（一类、二类和三类），提出了不同地裂缝场地的具体勘探手段及技术要求。
2）研发了地裂缝的精细探测与高精度解译技术。利用多次覆盖反射法探测所采集的资料，拾取初至反射波信息，采用CT成像技术，反演浅表层地层速度场（图1）。开发的CT成像信息处理技术，能有效识别浅层地裂缝，解决了50m以浅地裂缝定位探测的技术难题。
图1 CT成像有效识别浅部裂缝信息解译剖面
3.提出了不同类型地裂缝的成因模式及机理研究方法
包括构造控缝（图2至图3）、应力导缝（图4）和抽水扩缝（图5至图7）的地裂缝耦合成因理论。
4.提出了地裂缝监测的方法、内容及技术标准，研发了地裂缝的高精度GPS监测、InSAR监测及其融合监测技术以及监测设备
研究的GPS监测数据精密处理方法（图8），实现了垂向精度高于3 mm的监测地面沉降地裂缝形变特征的能力；开展的对不同区域地裂缝监测的 InSAR 技术、小基线（SBAS）技术、人工角反射器（CR）技术、新型卫星和多卫星平台的InSAR处理以及In-SAR监测的后处理方法，实现了“毫米”量级的监测精度；建立的基于GPS监测点上移动人工角反射器的GPS与CR-InSAR融合技术和通过CR和GPS融合对InSAR误差的修正模型和方法，实现了1～2mm量级的地裂缝高精度监测。开发了地裂缝三维实时动态监测仪器，包括基于GPS移动的人工角反射器和地裂缝三向变形测量仪（图9）等。
图2 西安地区深部构造孕裂模型
图3 临潼 长安断裂派生地裂缝模式
图4 渭河盆地地裂缝与区域构造应力关系
5.建立了地裂缝评价的指标体系，提出了地裂缝的综合分类方案和综合评价方法
地裂缝评价内容包括地裂缝成因判定、活动性评价、趋势预测、致灾机理分析和危险性评价；评价指标包括松散地层沉积相及沉积厚度、含水层分布、地层结构、地形地貌、岩土体物理力学性质、地裂缝历史灾害程度、地下水位埋深、地下水开采强度和其他人类工程活动等；评价方法包括遗传算法（GA）、人工神经网络法（ANN）、灰色聚类分析法、模糊综合评判法、层次分析法、地理信息系统（GIS）等。地裂缝按规模分为巨型、特大型、大型、中型和小型；按力学性质分为剪切型、拉张型、张剪型和压剪型；按张开程度分为闭合、裂开、张开、宽、很宽和极宽型；按活动程度分为活动强烈、较强烈、中等和微弱；按主次关系分为主裂缝、分支裂缝和次级裂缝；按形成原因分为构造型（断层蠕滑、地震裂缝）、非构造型（湿陷、塌陷、沉降、胀缩和滑坡裂缝等）和复合型（沉降与构造耦合）。
图5 地裂缝与地面沉降中心关系
图6 黏土层差异沉降压缩扩缝模式
图7 含水层水平位移扩缝模式
图8 高精度HPGPSADJ软件和GPS后处理软件
图9 地裂缝三向变形测量仪
二、应用范围及应用实例
地裂缝调查与监测技术方法可应用于地质灾害调查、城市建设规划、工业民用建筑、公路、铁路和生命线等建设工程的不同阶段的勘察和设计。该技术方法已成功运用于汾渭盆地、华北平原、东北地区和华东地区的地裂缝调查与监测中（图10，图11），在西安地铁（图12）、大同-西安高速铁路（图13）和北京未来科技城（图14）等重大工程建设以及西安城市建设规划中得到应用，为重大城市和重大工程减灾防灾做出了贡献，并已在20余个省市推广，形成了地裂缝灾害调查、探测与监测技术的示范。
图10 渭河盆地西安地区地裂缝监测
图11 太原盆地清徐地裂缝监测图
图12 西安地铁四号线沿线地裂缝危险性评价
图13 大同-西安高铁沿线地裂缝的勘察成果
图14 北京未来科技城国网智能电网研究院地裂缝场地的勘察评价成果
三、推广转化方式
该项成果已获省部级科学技术一等奖3项，发表核心期刊论文247篇，其中SCI收录论文41篇、EI收录论文102篇，出版学术专着3部，获国家专利8项、软件着作权3项，在国内外产生了重大学术影响；在第三届全国岩土与工程学术大会、2009～2012年全国工程地质大会、第三届全国地面沉降防治学术研讨会以及“Prevention of Geo-Hazards in Western China and The Fifth International Symposium on Mitigation of Geo-hazards in Area around Japan Sea”等国际学术会议上进行了交流，获得国内外同行的广泛认可，尤其是国际工程地质与环境协会（IAEG）主席Carlos Delgado教授对该成果给予了高度评价。
该成果可通过宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询、现场服务等方式进一步推广和应用转化。
技术依托单位：长安大学
联系人：杨红斌 卢全中
通讯地址：陕西省西安市南二环路中段长安大学科技处
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