毕业设计（论文）-西安地裂缝检测与分析.doc

装订线西安地裂缝检测与分析摘 要西安地裂缝自1976年唐山大地震后，随着整个华北地块区域地应力的调整，活动速率逐渐增长。当今高速运转的人类工程活动使其活动加剧，超常。其平面分布范围之广，活动强度之大，致灾程度之重，在国内外实属瞩目。这就迫切要求有关部门和城市灾害地质研究者调查分析其活动性特征，探讨其活动规律，提出切实可行的控制地裂缝活动，防治地裂缝灾害的对策。本文通过GPS精密定位和InSAR遥感差分技术对西安地裂缝进行监测和分析，得出了西安地裂缝整体变形现状。通过GPS监测网布设，GPS外业施测和内业数据处理获得的西安地裂缝近期活动与精密水准结果有较好的一致性。根据活动地裂缝造成的形变去相干特征，分析自适应滤波后的差分干涉图的伪相干图，从中提取了监测时间段的地裂缝的位置信息。关键词：地裂缝，GPS，InSAR，变形监测ABSTRACT Xian city,one of the famous historical cities in China,has been suffering ground fissure historically and even recently,Xian to crack since the 1976 tangshan earthquake, with the north China block area of stress adjustment, activity rate was increased. Todays high speed running the human engineering activities make its activity intensifies, exceed constant. Its plane distribution broad scope, the big, intensity activity of a hazard the extent of heavy at home and abroad, is outstanding. It is an urgent request that the relevant departments and the city hazard geology survey and analysis of the characteristics of the activity, this paper discusses the movement rule, and feasible to crack control activities, to crack the countermeasures of disaster prevention and control. This article through the GPS precision positioning and InSAR remote sensing technology to crack of xian difference for monitoring and analysis, it is concluded that the xian to crack deformation status. Through the GPS monitoring network layout, GPS measurement and in the industry with field data processing of xian to crack for recent activities and precision level results have good consistency. According to the activities of the deformation caused by ground fissures to coherent characteristics, analysis the adaptive filter the difference of interference patterns after false coherent figure, extract the monitoring of the time period to the position information of cracks. KEY WORDS： ground fissure，GPS，InSAR，deformation monitoring目录摘 要1引言2第一章 绪论11.1 地裂缝概述11.1.1 定义11.1.2 简介11.2 国内外发展状况11.3 地裂缝勘查研究方法2第二章 西安地裂缝简介42.1 地裂缝和地面沉降的关系42.2 地裂缝的分布，危害，成因分析，主要特点52.2.1 地裂缝的分布52.2.2 地裂缝的危害72.2.3 地裂缝的成因分析82.2.4 地裂缝的主要特点8第三章 利用GPS进行地裂缝监测与分析93.1 GPS监测原理93.1.1 相关基准和精度93.1.2 利用GPS进行地裂缝监测的步骤103.2.2 GPS监测与数据处理153.2.3 GPS监测初步结果163.3 对GPS监测结果的分析与结论18第四章 利用INSAR进行地裂缝监测与分析194.1 InSAR监测原理194.1.1 InSAR监测原理简介194.1.2 InSAR技术用于获取DEM的原理194.1.3 InSAR技术用于形变监测的原理214.1.4 差分干涉的主要流程234.1.5 差分干涉的误差254.2 西安地裂缝的INSAR形变监测254.2.1 西安市InSAR监测地裂缝概况254.2.2 差分InSAR的计算及地裂缝信息提取264.3 对INSAR监测结果的分析与结论28第五章 结论295.1 GPS和InSAR比较295.2 结论30致 谢32参考文献33共 页 第 IV 页装订线第一章 绪论第一章 绪论1.1 地裂缝概述地裂缝是地面裂缝的简称，是地表岩层，土体在自然因素（地壳活动，水的作用等）或人为因素（抽水，灌溉，开挖等）作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象。有时地裂缝活动同地震活动有关，或为地震前兆现象之一，或为地震在地面的残留形变。后者又称地震裂缝。地裂缝常常直接影响城乡经济建设和群众生活。1.1.1 定义何谓地裂缝？地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象，当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可称为一种地质灾害。地裂缝的形成是在强烈地震时因地下断层错动使岩层发生位移或错动，并在地面上形成断裂，其走向和地下断裂带一致，规模大，常呈带状分布。1.1.2 简介地裂缝是一种独特的城市地质灾害，自50年代后期发现，1976年唐山大地震以后活动明显加强，特别是进入80年代以来，由于过量抽汲承压水导致的地裂缝两侧不均匀地面沉降进一步加剧了地裂缝的活动，地裂缝所经之处，地面及地下各类建筑物开裂，破坏路面，错断地下供水，输气管道，危及一些著名文物古迹的安全，不但造成较大经济损失，也给居民生活带来不便。在中国发育的各类地裂缝中，除地震地裂缝和基底断裂活动裂缝外，其他各类均能认为地加以控制和防御，甚至避免和根除。而对地震地裂缝和基底断裂活动裂缝，目前的技术手段还难以抗御。改善人类活动和一些治理措施只能起到一定的减轻作用。在目前的技术水平和认识状况下，各类工程建筑绕、避这类裂缝区段，是一种最为有效的减灾措施。如地裂缝灾害严重的西安市，制定了“地裂区建筑场地勘察设计暂行条例”，规定各类建筑物按其类型和重要程度在地裂缝两侧各避让一定的距离，这对减弱西安的地裂缝灾害起了重要的作用。按地裂缝的成因，常将其分为地震裂缝，基底断裂活动裂缝，隐伏裂隙开启裂缝；松散土体潜蚀裂缝，黄土湿陷裂缝，胀缩裂缝，地面沉陷裂缝，滑坡裂缝。1.2 国内外发展状况从20世纪中期以来，地裂缝在我国发生的频率、规模逐年加剧，已成为一种区域性的主要地质灾害。国内外地裂缝发生特征规律大致相同，主要由超采地下水、地面沉降等问题引起。目前，全国地裂缝出现在陕西、河北、山东、广东、河南等17省(区、市)共434处，1073条以上，总长超过346.78km。在发达国家也因抽取地下水引发地裂缝，如美国的亚利桑那州、内华达州、德克萨斯州、加利福尼亚州地区从20世纪初就开始出现地裂缝灾害并逐年加剧发展。美国学者较早涉及地裂缝，在成因研究上有显著进展，但缺乏系统研究；其它国家，如土耳其、泰国、利比亚等国的安纳托利亚、曼谷 、萨里尔等处发现地裂缝，但对其研究程度不高。近年来国内科研院所对当地地裂缝属性、分布、活动特征、成因和成灾机制，灾害效应与对策进行了系统研究，经过大量物理勘查、理论分析、数值模拟，逐步发展充实了关于地裂缝的理论认知。 中美两国的地裂灾害有相同的构造形成机制。首先，现代地裂的位置受构造控制。这表现在地裂多发生在第四系沉积很厚的盆地，在西安和南加州都厚达800m。随着开采地下水，这些层逐渐固结变形引起地面沉降，地裂多发生在沉积盆地地层不整合的地方，特别是有先存断裂处。西安，休斯顿和拉斯维加斯的地裂都是典型的例子。 地裂缝不管是在哪个国家，对其的预测均分为三个步骤：地质调查：调查目前地裂缝的分布，先存断裂和地层形态监测地面形变：对于隐伏地裂灾害区域，可采用包括大地水准测量，跨断层形变测量和工程地质测量等方法监测地面不均匀沉降的变化，并寻找差异沉降曲线的最大梯度点，预测未来地裂灾害的确切位置预测裂缝附近抽水量的变化，地裂缝的主要位移是由不均匀沉降引起的。 仅中美两国的地裂减灾对策可以总结为：普及环境与资源的知识，加强对地面沉降和地裂缝的监测和早期识别，建立有关的法令法规以及工程规范等，限制开采地下水，引进地表水源则是解决地表沉降和地裂灾害的根本对策。 我国的地震，地矿，地理，勘察部门及高校对地裂减灾做了大量工作，完成了国家，省，部级的一系列课题及国际合作项目，出版了多本专著，发表了多篇论文，成果斐然。但遗憾的是，对国际上地裂减灾研究的状况极少谈及，难免会使工作囿于一时一地，并且彼此反复。实际上美国的地裂及减灾比我国约早半个世纪，他们得到的经验教训可供我们借鉴。相信随着时间的发展，各国对地裂缝的监测与分析也在不断的提高！1.3 地裂缝勘查研究方法、地质调查方法：调查地裂缝的分布、先存断裂、隐伏断裂和地层形态。第一，可采用航空照片解释法研究有关区域的地貌特征。航空照片判读对于指导野外调查、寻找地表高程梯度带是非常有帮助的；第二，进行有目的的实地考察。对潜在地裂缝灾害区域的实地调查会找到裂缝的一些迹象，因为处于向上扩展阶段的隐伏地裂缝在致灾前会使建筑物上出现一定规律的细缝；第三，采用地震勘探、重力勘测、电法测量以及氡测量等物探手段，查明地裂缝的地下形态特征，2000-2003年，在苏锡常地裂缝勘查使用了包括面波、三维地震、浅地震再结合钻探的多种方法，取得了含水层以上不同时期成因土层的分布厚度和地裂缝从地表向下切割含水层至基岩面的勘查成果。在调查中，探槽和钻孔数据是非常有用的，在西安地裂缝调查中，工作人员就曾利用开挖形式追踪到25米深地下，为了解地裂缝的空间分布提供了最直接的证据 、地面形变监测技术：主要有大地水准测量、跨断面形变测量、工程地质测量等，监测地面不均匀沉降的变化，并寻找差异沉降曲线的最大梯度点，预测未来地裂缝灾害的确切位置。美国亚利桑那州已采用GIS和GPS来监测地裂缝，我国也采用包括自动化三维形变监测、GPS监测、人工水准测量在内的多项技术，监测数据表明地裂缝处于5mm/a的差异沉降变化中。而 InSAR 技术作为一种新兴的监测地表形变的手段,相对于常规的GPS 测量和水准测量手段只能监测有限的、离散的控制点而言, InSAR 技术可以在大面积范围内监测地面的微小形变,其监测精度可达毫米级。共 33 页 第 35 页装订线第二章 西安地裂缝简介第二章 西安地裂缝简介2.1 地裂缝和地面沉降的关系西安市的地面沉降始于20世纪50年代末，7080年代加剧，90年代后期沉降趋缓。西安市的地裂缝发现于20世纪50年代末，70年代中期活动增强，90年代初期最强，1996年后活动减缓。（查现在的相关资料时间） 西安市地面沉降和地裂缝关系密切，主要表现在：（1） 地面沉降和地裂缝在空间分布上有明显的一致性。这些特征表现在以下三个方面：就整体而言，西安市的地面沉降，南郊和东郊比西郊和北郊严重，而地裂缝活动也是南郊，东郊强于西郊，北郊；几个地面沉降中心整体上多呈NEE向的椭圆形展布，与承压水降落漏斗相一致，也与地裂缝走向相吻合（图1）；沉降中心地裂缝活动速率大，边缘区地裂缝活动速率小（表1）；（2） 地面沉降和地裂缝活动强度在时间上有明显的同步性。近年来，地层压密量（地面沉降量）随承压水位下降而增大，地裂缝活动也随之增强；1996年后，承水位回升，地裂缝活动量和地层压密量也随之减弱和减小。另一方面，地层压密量和地裂缝活动量有明显的年周期变化，在每年的第2季度速率增大，第3季度达到最大（此期间的地面沉降量可占全年变化量的3050），第1,4季度变小。这种活动周期，与承压水位的年变化动态一致。（3） 表2.1 地面沉降区地裂缝活动速率（19931998年）统计表地面沉降中心区地裂缝活动速率 mm/a地面沉降边缘区地裂缝活动速率mm/a辛家庙31.58玉祥门0.205沙坡村22.47木塔寨2.14后村39.71射击场1.08图2.1西安市地面沉降等值线，地热水位等值线与地裂缝分布图（陕西省地质矿产厅）2.2 地裂缝的分布，危害，成因分析，主要特点2.2.1 地裂缝的分布西安地裂缝群分布范围西至唣河，东到纺织城，南起三爻村，北至井上村，面积约155平方千米。它发育在特殊的黄土梁洼地貌的基础上，成带状发育，准平行等间距，NNE向展布，主地裂缝均显示南倾南降特点。 如图2所示，西安市区根据地表出露形迹和多种勘察手段确定的地裂缝带有11条，由南往北依次为：D1：南三爻-射击场地裂缝带，位于吴家坟到南窑头黄土梁南侧，西起南三爻，途径瓦胡同、省射击场，东至黄渠头村。呈断续出露，出露总长度3.12km,总体走向NE70,倾向南，倾角80。发育带宽度可达5m。D2：陕西师范大学-陆家寨地裂缝带，西起潘家庄，途经长延堡、陕师大、西安植物园、岳家寨、东至陆家寨。出露总长度3.32 km，总体走向NE70，总体倾向南，倾角70-80，其西段潘家庄至长延堡地段地裂缝倾向北，发育带宽度可达140m。D3：大雁塔-北池头地裂缝带，西起唐家村，途经含光路、长安路、大雁塔，东至北池头村。整条地裂缝贯通较好，出露总长度5.12 km，总体走向NE85，倾向南，倾角80。发育带宽度可达30 m。D4：陕西宾馆-小寨地裂缝带，沿乐游塬黄土梁南侧发育，西起陕西宾馆，途径木塔寨、丁白村、小寨、后村、铁炉庙，东至纺织城国棉六厂。陕西宾馆至万寿路南段地裂缝连续出露，总长度为12.80 km，总体走向NE75。倾向南，倾角84 ，发育带宽度可达55 m，活动强烈，致灾严重。陕西钢厂至国棉六厂段为隐伏和推测地裂缝。D5：沙井村-秦川厂地裂缝带，沿交通大学黄土梁南侧发育，呈NE80展布。西起沙井村，经西斜七路过街天桥、南二环立交桥、冶金学院北院、铁路分局、微波厂、秦川厂，东到纺织城国棉四厂北。沙井村至秦川厂段，出露总长度11.38 km，地裂缝连贯性好，走向变化较大，局部走向NE45-SE65，主地裂缝南倾，倾角75-80，其西段次级地裂缝在含光路至西斜七路过街天桥段为北倾。发育带宽度35-70m，活动强烈，致灾严重。秦川厂至国棉四厂段为隐伏和推测地裂缝。 D6：黄雁村-和平门地裂缝带，沿南稍门、古迹岭、动物园一线的黄土梁南侧发育，走向大致为NE70。西起甘家寨、途径黄雁门、南稍门、西安煤矿设计院、兴庆公园、西光厂家属区、黄河纸箱厂，东至灞河热电厂。出露总长度10.40km，地裂缝倾向南，倾角72-80。发育带宽度55-110m。东段活动强烈，致灾严重。D7：西北大学-西光厂地裂缝带，沿槐芽岭黄土梁南侧发育。西起东桃园，经劳动南路、西北大学、甜水井、中山门、西京医院，东到西北光学仪器厂， 出露总长度5.38km，总体走向NE30，倾向南，倾角85。发育带宽度24-55m。活动中等，西北大学附近破坏较严重。D8：劳动公园-铁路材料总厂地裂缝带，沿劳动公园黄土梁南侧发育。西起兰空干休所，经劳动公园、无线电十一厂玉祥门南、莲湖公园、城墙东北角，东至铁路材料总厂。断续出露，总长度4.35km，总体走向NE75，发育带宽度15-45m。在城区东、西两段活动较强，致灾严重。 D9：红庙坡-八府庄地裂缝带，沿龙首塬黄土梁南侧发育。西起星火路，经红庙坡、西安味精厂、八府庄水泥制管厂，东到秦孟村。出露总长度9.90km。总体走向NE80，倾向南，倾角86。发育带宽度44-60m。由西往东活动逐渐加强，破坏程度严重。D10：大明宫-辛家庙地裂缝带，沿光大门黄土梁南侧发育。西起大明宫遗址，经西安耐火材料厂、陕西重型机械厂福利区、辛家庙北村、东至新房村。出露总长度4.00km。总体走向NE75，倾向南，倾角75。发育带宽度达15m。辛家店附近地裂缝活动强烈，致灾严重。D11：方新村-井上村地裂缝带，位于光大门黄土梁上，西起方新村，东至井上村，全长0.8km，总体走向NE80，发育带宽度达3m。地裂缝活动强度及致灾程度微弱。 上述11条地裂缝带出露总长度70.57km，延伸总长度114.87km。 图2.2 西安市地裂缝分布图2.2.2 地裂缝的危害地裂缝是西安的主要城市地质灾害, 上世纪60年代以来的长期活动造成了建(构)筑物及城市设施不同程度的破坏。如: 地表破裂, 管道错断或变形, 建筑物开裂等, 给城市建设带来了严重的危害。60年代建于地裂缝之上的许多房屋变形严重, 影响使用, 不得不拆除。许多已规划的建筑物因场地分布地裂缝不得不重新规划。由于地裂缝分布, 使其附近主要影响范围内的许多土地不能充分开发利用。据1998年前统计数据, 西安地裂缝所过之处楼房及厂房毁坏200多座, 道路70多处, 名胜古迹8处, 错断供水、供气管道40多次, 累计损失上亿元。据有关地面变形观测数据及勘察结果统计, 目前地裂缝两侧地表最大垂直断距22cm, 一般310cm; 下部古土壤标志层垂直错断最大达6m多, 一般23m, 最小0. 50. 6m。1）地裂缝对建(构)筑物的危害：西安地裂缝主要发育于建筑物密集的城区和近郊, 随着地裂缝活动的持续进行, 其形变不断累计增大, 使之跨地裂缝或位于变形区的建筑物逐渐开裂。例如: 图3西北大学留学生楼1959年建成使用, 1984年拆除, 其地面垂直位移达20cm图2.3：西北大学地面错断面形成台阶2）地裂缝对城市道路、市政设施的危害西安地裂缝整体走向北东向, 而城市道路及管道多为南北向或东西向, 因此, 这些道路及管道势必要跨越地裂缝。据调查, 每年有10多处供水管道被地裂缝错断破坏, 尤其在湿陷性黄土区, 管道断裂水下浸引起湿陷变形, 造成了附近建筑物的不均匀沉降和马路严重变形。例如: 西北大学西侧、植物园东侧、建东街等几十处马路由于地裂缝的长期活动使路面破裂, 马路呈台阶状。又如太白路城市供水主干线曾被切断, 造成当地大面积停水, 马路路基也浸水湿陷, 交通几乎中断。另外, 近年来纵横埋设的天然气管道, 若防范措施不及时, 有可能出现天然气外漏的恶性事故。2.2.3 地裂缝的成因分析西安市是中国最具代表性的伸展型断陷构造区域，受其大陆动力学背景控制。地裂缝带最典型，灾害也最严重。有学者研究表明西安市广泛发育的地裂缝明显受盆地构造格局及区域大陆变形控制。地裂缝的发育部位与活断层相对应或衔接。地裂缝的形成原因复杂多样。地壳活动，水的作用和部分人类活动是导致地面开裂的主要原因。按西安市构造地裂缝的构造基础有进一步分为以下是三类：（1）由于断层运动引起的速滑地裂缝和蠕滑地裂缝。断层速滑地裂缝主要是地震构造地裂缝，如水泥厂多条地裂缝等都属于地震构造地裂缝。（2）由于地壳应力增强使区域微破裂开启形成的地裂缝。活断层较为普遍的活动方式是蠕滑，浅部断层蠕滑或深部整体蠕滑都有可能在地表形成地裂缝，这种断层蠕滑地裂缝多具三向位移，较为典型的有西安地裂缝和受口镇-关山断裂影响形成的地裂缝。（3）开启的微破裂进一步受外营力侵蚀形成土层喀斯特在重力作用下陷落而成的地裂缝。西安地裂缝主要发育在黄土梁南侧的坡脚处，平面形态呈不等间距平行排列。2.2.4 地裂缝的主要特点20世纪以来,西安地裂缝的出现和发展具有以下特征：1）地裂缝活动具有迁移性,如南郊的地裂缝先开始活动,然后依次向北发展；2）活动时间具有周期性,20年代至30年代为第一活动高潮期,50年代末至60年代初期为第二活动高潮期,70年代中期为第三活动高潮期,1985年以来,北郊和东北郊的地裂缝又出现较强活动；3）活动性质为张裂并伴有垂直断落和水平扭动,在高潮期中,垂直滑动速率可达几毫米至20毫米/年,左旋走滑速率较垂直滑动速率小一个数量级；4）它们的活动对地面各类构筑物都有极大的破坏性。因此,早就引起有关部门和广大群众的严重关注。长期以来,地质、地震等部门和大专院校做过专题调研,陕西省地质矿产局水文地质大队等单位率先设立长期观测站,为深入研究取得了有价值的定量观测资料。研究认为,它们的活动和发展在构造上受深部断裂控制,又与地下水过量开采密切相关。类似的地裂缝现象在渭河盆地、山西断陷带、银川盆地西侧和河套盆地大青山前也有广泛分布,其规模、分布规律和形成机制也不尽相同。装订线第三章 利用GPS进行地裂缝监测与分析第三章 利用GPS进行地裂缝监测与分析3.1 GPS监测原理全球定位系统GPS作为一种高精度的定位技术为地质灾害监测提供了一种非常有效的技术手段。世界各国和地区先后都布设有许多用于地壳变形，地面沉降，跨断层，裂缝的GPS网（点），GPS技术用于地裂缝监测，与传统的水准测量技术相比，具有观测时间短，人工作业劳动强度低，观测作业简便，测站间无需通视，布点灵活，可以在任何地点，时间，天气进行全天候连续监测，定位精度高，（平面15mm，高程520mm）,以及较强的作业自动化等优点。但是，GPS的误差主要体现在高程上，如何采取有效的技术措施提高GPS监测精度是实现GPS监测地面沉降的关键。3.1.1 相关基准和精度1）坐标系统：当GPS测量采用广播星历时，其相应坐标系为世界大地坐标系WGS-84。当GPS测量采用精密星历时，其坐标系为相应历元的国际地球参考框架ITRF YYYY.在局部区域或城市地裂缝的高精度GPS监测中，宜采用某一参考历元得国际地球参考框架ITRF YYYY作为GPS监测的坐标系统。在高精度变形监测中，特别是地裂缝监测中，宜直接采用GPS大地高及其变化量来反映变形体的变形特征，而不宜将GPS大地高转换为水准正常高，以避免人为降低GPS大地高的精度。2）时间系统：GPS测量的时间宜采用协调世界时UTC记录。当采用北京标准时BST时，应与UTC进行换算，两者的关系为。3）参考基准：变形监测所采用的参考基准点应选在远离变形区域的稳定基岩上，高精度GPS监测一般采用静态定位技术，以三维基线向量作为观测值，以布设在相对稳定区域的监测基准点作为变形分析的基准。当测区内或测区附近有三个及三个以上的稳定点时，应采用这些稳定点作为固定的参考基准，同时在多期监测过程中注意对基准点的稳定性进行检验和分析。当测区内或测区附近没有足够稳定的基准点时，宜采用拟稳参考基准或重心参考基准。当测区范围较大时，宜采用全球框架基准，即利用稳定的ITRF框架点或IGS站点作为参考基准点。4）各级GPS网相关等级精度指标：表3.1：各级GPS网的观测时段数和监测时间等级观测时段数每时段连续观测时间框架网523h基准网322h监测网18h表3.2：各级GPS网相关等级精度指标级别相邻点基线分量中误差相对精度相邻点平均边长（km）水平分量（mm）垂直分量（mm）框架网2313050基准网3612030监测网51015205）大地高的精度： 区域或城市地裂缝GPS监测所获取的大地高平差后的精度应满足技术设计的要求，一般框架网和基准网的精度应在5mm以内，监测网的精度应在10mm以内。3.1.2 利用GPS进行地裂缝监测的步骤1）GPS布网：地裂缝GPS监测网一般采用三级布网的方式构网：（1）框架网（一般由若干卫星定位连续运动参考站CORS站和基岩标组成），用于基岩标和CORS参考站之间的联测，以确定所在区域的变形监测基准框架。（2）基准网（由相对稳定的GPS点组成）：主要用于为监测提供相对稳定的基准点及高程起算点，也是控制整个沉降区与地裂缝变形区的基本参考框架。（3）监测网（由布设在产生地裂缝变形区域的GPS监测点组成）：主要用于地裂缝的三维变形情况，以反映和控制西部特征。2）选点:选点人员根据选点原则进行详细踏勘，在实地选定基准点和变形监测点的点位，并在GPS网图上加以标定。点位选定后宜在选定的点位上进行GPS静态监测，选点完成后，绘制GPS网选点图。3）埋石：各级GPS点应埋设固定的标石，用于地裂缝GPS监测的框架网点，应埋设基岩观测墩与基岩标重合；基准网点应埋设基岩观测墩或土层观测墩；地裂缝监测网点应埋设观测墩或屋顶观测墩。各种观测墩必须富有强制对中装置，对中误差不应大于1mm。4）仪器监测：对GPS接收机全面检验即一般检视，通电检验，试测检验。5）野外观测：GPS监测宜采用不少于6台的双频GPS接收机同步观测，观测接收天线宜采用扼流圈的GPS高精度大地测量型天线（此类天线的相对中心足够稳定），且在迁站时宜有三台GPS接收机保持不动，每个GPS点上的重复设站次数不大于2次，即保证监测网中所有GPS点上有23个时段的8小时以上的连续观测时间。GPS观测技术标准为：有效观测卫星数5颗，观测卫星高度角15，数据采样率30秒，三维位置精度因子PDOP5，有效观测时间8小时，同时为了保证高精度的高程分量，每次观测前，应对天线进行北方向定向，再从三个互为120的方向测量天线高度，当各方向天线高度差均小于1mm时，取三次测量的平均值作为最终的天线高度，并每两个小时进行一次气压，温度测量。6）数据处理：分为基线处理和GPS网平差。（1）基线处理：分为软件处理和外业数据质量检核. 其中软件处理包括：高精度GPS观测数据处理包括基线向量的解算，GPS平差处理。地裂缝GPS监测网的基线可采用国际通用的高精度解算软件GAMIT计算，GAMIT软件不但精度高，而且免费开源，用户可以根据需要对源程序修改。区域或城市地裂缝GPS监测网的基线解算分为基准网基线解算和监测网基线解算两部分，基准网的解算采用基准站技术，即选取基准网周围各个方向上的58个全球IGS站为起算框架点，通过多天重复解，解算出基准网点在ITRF框架下的基线；监测网的解算为以基准网点位起算点，按时段解算出各个监测点的基线。 外业数据质量检核包括：同一时段观测值得数据剔除率宜小于10；各级GPS网基线处理，复测基线的长度ds，两两比较应满足下式的规定：，为相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。各级GPS网同步环坐标分量闭合差和环线全行闭合差分别不宜超过下式规定： （3.1）式中，n为闭合环的边数，为GPS网相应级别的观测精度（按实际平均边长计算）各级GPS网基线预处理结果，其独立闭合环或符合路线坐标分量闭合差及其环线全长闭合差分别满足下式规定：（3.2）式中，n为闭合环的边数，为GPS网相应级别规定的观测精度（按实际平均边长计算）。（2） GPS网平差：分为地面地裂缝GPS监测网平差的数据处理和GPS网平差基准模型的选取。图1为地面地裂缝GPS监测网平差的数据处理流程图：图2为GPS网平差基准模型的选取过程。7）平面变形信息的获取：利用已知基准模型，进行每期监测数据三维约束平差，得到各期监测点的空间坐标（XYZ）或大地坐标（BLH）。然后根据测区情况，选择统一或固定的中央子午线和投影面，将监测点坐标成果投影到国家坐标系或自定义的当地平面坐标系下，获得各监测点的平面坐标（x,y），进而利用各期间的平面坐标之差获得监测点的平面变形信息。如A点第i期平面坐标为（），第i+1期平面坐标为（），则A点两期的平面变形量（detx,dety）如下式所示： （3.3）8）变形信息的分析：GPS网平差工作完成后，就可以在此基础上提取出各期监测所得的各GPS监测点在某一时间段内的沉降量和水平变形量。 9）地裂缝活动特征分析：利用地裂缝两侧的GPS监测对点的沉降信息，获得相对沉降量和沉降速率，用于研究地裂缝的活动特征。10）未来地裂缝运动趋势的预报：地裂缝监测的目的一方面试揭示现今监测区域的活动特征，更重要的是对未来地质活动趋势进行准确预报。因此，需利用监测区域内多期监测点的沉降量和沉降速率信息，借助时间序列等相关数学模型，对监测区域未来的时空变形趋势进行预测预报。图3.1 三维约束平差流程图图3.2：GPS网平差基准模型的选取过程3.2 西安地裂缝的GPS形变监测3.2.1 西安市GPS网布设方案与施测针对西安市地质地貌的特殊性, 采用三级布网的方法布施监测网, 以高精度、准确地监测西安地面沉降、地裂缝变形以及其与汾渭盆地地质构造断裂的关系。(见图3所示)一级网为 GPS 监测基准网, 作为 GPS 监测地面沉降的基准, 该网由 6 个平均边长不大于 30km的相对稳定的 GPS 点组成, 并以西安南郊裴家硿的国家 GPS 网络中的永久性 GPS 连续跟踪站( XIAA) 和全球 IGS 站( XIAN ) 作为一级 GPS 基准网的两个起算点。二级 GPS 网为沉降监测的基本网, 分别在西安地面沉降的沉降漏斗中心分设6个 GPS 地面沉降变形点, 以监测西安地面的沉降情况, 该网附合在 GPS 监测基准网上。三级 GPS 网为地裂缝监测网, 针对西安地裂缝十分发育, 其变形特征有别于地面沉降, 但二者又有较强的相关性的特点, 选择3条地裂缝上布设8个(4 对) GPS 点, 其中在一条地裂缝上布设2对GPS 点, 另两条地裂缝上各布设1对 GPS 点, 进行地裂缝三维变形监测, 并且地裂缝上的3对 GPS点应尽量布设在一条纵断面上, 以便研究地裂缝剖面活动特征。对于已建成的西安地面沉降 GPS 监测网分别于2005年11月、2006年6月、2006年11月、2007年6月、2007年12月进行了5期监测, 其中XIAA点和XIAN点为GPS连续跟踪站点。施测时采用6台双频GPS接收机以静态相对定位模式同步观测, 并以网连式构网方式进行观测。GPS 外业观测时间为每天早8点到第二天7点左右, 保证每一时段(每天)的观测时间不少于23小时, 并以6个点构成同步观测图形。图3.3 西安地裂缝的GPS形变监测3.2.2 GPS监测与数据处理1）起算点的解算与精度分析：西安地面沉降 GPS 监测网的起算点( 已知点)为 XIAA 和 XIAN, 为了获得其高精度的点位坐标, 通过与中国及周边地区共六个 IGS 国际跟踪站进行连续五天的同步观测, 以每天24h 的连续观测数据为一个时段, 采用 GAMIT 软件和 IGS 精密星历一起进行解算, 通过固定北京、上海、武汉、昆明跟踪站的坐标平差后获得 XIAA 和 XIAN 在IT RF 00 坐标框架下的准确坐标, 对应的历元为2005. 901。其 ITRF00 坐标框架下的坐标精度优于 5mm, 可作为基准点的起算坐标。2） GPS 基线解算对于监测网的基线解算, 采用 GAMIT 软件和IGS 精密星历, 在基线解算过程中,基线解的精度是保证监测成果可靠性的基础, 因此在 GAMIT 精密求解软件进行基线解算时采取一些必要的技术措施, 其中, 卫星钟差的模型改正使用国际 IGS 站提供的卫星钟差参数; 卫星星历采用 IGS 提供的卫星精密星历; 根据伪距观测值计算出接收机钟差进行钟差的模型改正; 电离层折射延迟用 LC 观测值消除; 利用实测干湿温和气压数据作为依据, 改善对流层模型; 接收机天线相位中心改正采用GAMIT 软件中的设定值; 参考框架为ITRF2000框架, 惯性框架采用J2000; 解算模式为基线解。从结果来看, GPS 监测网的基线解算精度在毫米级,相对精度在 之间，达到了很高的解算精度。3）监测网平差 整个 GPS 监测网的数据处理过程中, 如果基线解算是基础, 那么高精度的网平差则是关键, 它直接决定监测点坐标的准确性和精确性。在实际工作中, 由于选择的平差方法, 约束条件, 基准模型等的不同, 往往使平差结果不能正确反映实际变形,根据文献高精度GPS基线网平差及软件研制, 并利用在此基础上编制的相应的网平差处理软件 HPGPSADJ 1. 0对监测网的数据进行处理。其中三维约束平差流程图4如下所示。 软件HPGPSADJ 1. 0 针对 GAMIT 基线解算得到的 O 文件, 提取合适的独立基线及其对应的相关协方差阵进行整体平差。其中, 利用抗差估计的方法消除少量存在粗差的基线向量; 对于子网间的系统性差异, 用附加系统参数的方法来消除函数模型的差异, 利用 Helmert 方差分量估计来消除随机模型的差异; 最后, 对于网平差的基准模型, HPG2PSADJ 1. 0 提供了三种模型, 分别为固定基准模型、拟稳基准模型、重心基准模型, 可针对基准点的情况, 选择合适的基准模型进行平差。3.2.3 GPS监测初步结果采用GAMIT软件解算基线向量，利用软件HPGPSADJ 1.0进行网平差处理，平差时选择XIAA和XIAN为基准点，选择拟稳基准为基准模型，平差后获得监测点在WGS84坐标系下的空间之间坐标及其精度信息。 为了验证 GPS 监测结果的准确性, 将位于地裂缝两边的GPS对点间的沉降差异与相应位置的水准对点的结果进行了对比。例如陕西省交警总队地裂缝 GPS 对点在平面变形和垂直变形上与跨地裂缝的水准监测资料及工程地质勘查结果有着较好的一致性。表3即为陕西省交警总队地裂缝 GPS对点 XJ02和 XJ03、污水处理场对点 XJ07 和 XJ08、长安立交对点 XJ10 和 XJ11、对点 XJ11 和 XJ12 的GPS 监测沉降量与精密水准监测沉降量的对比表,图 5和表 3 所示的即是陕西省交警总队地裂缝 GPS对点(XJ02 和XJ03)的平面变形情况。 表3.3 西安市交警总队地裂缝对点年水平位移量/(num/a)2005.112006.112006.62007.62006.112007.12XYXYXyXJ02-8.7-3.2-8.7-2.7-7.4-0.7XJ033.4-3.47.4-4.98.3-0.8表3.4 2006/62006/11GPS和水准对点观测获得的地裂缝垂直变形对比点名2006.62006.112006.112007.6GPS沉降差异/(cm)水准沉降差异/(cm)两者沉降差异的互差/(cm)GPS沉降差异/(cm)水准沉降差异/(cm)两者沉降差异的互差/(cm)交警总队地裂缝XJ021.31.00.31.41.30.1XJ03污水处理厂XJ070.60.00.60.10.00.1XJ08长安立交地裂缝XJ100.10.00.10.60.10.5XJ11长安立交地裂缝XJ110.00.00.01.00.10.9XJ12图3.4 三维约束平差流程图图3.5 交警总队地裂缝对点形变示意图从表4可以看出, GPS 监测结果与水准监测结果的互差均小于 1cm, 因此可以得出 GPS 监测结果与水准监测具有很好的一致性, 而且从监测结果与精度上也可以看出, GPS 测量是完全可以用于监测城市地面沉降与地裂缝变化的。3.3 对GPS监测结果的分析与结论1) 研究表明, 将 GPS 技术用于地面沉降与地裂缝监测需进行精心的监测网技术设计、制定严格的施测方案、特别是采用有效的数据处理理论方法和技术措施, 这样方能实现以足够的高程精度进行地面沉降与地裂缝监测；2) 采用本文研究的方法应用于西安地面沉降与地裂缝监测, 在高程方向上的精度均优于5mm; 比较GPS与高精度水准测量在地裂缝相同位置的监测结果, 表明二者具有很好的一致性；3) GPS 三期监测的初步结果表明: 现今西安地面沉降量级较 20 世纪九十年代初中期已大大减小, 由年最大沉降量级 200mm 减至约 40mm, 沉降趋势整体呈大为减缓态势; 但是个别地区尤其是开发区呈现出加速趋势, 而且地裂缝仍在发展, 影响范围仍在继续扩大； 从以上结论可以看出, 运用 GPS 卫星系统监测手段和信息技术对西安市地面沉降及地裂缝灾害进行系统监测, 建立地面沉降和地裂缝灾害的数据库与信息系统, 定期对这些灾害的发展变化及其可能引发的工程灾害做出预测预报, 将为西安市城市建设的科学、合理规划提供基础地质资料和科学依据, 为保障城市工程建设和人民生命财产安全提供地质灾害预警预报信息。装订线第四章 利用INSAR进行地裂缝监测与分析第四章 利用INSAR进行地裂缝监测与分析4.1 InSAR监测原理4.1.1 InSAR监测原理简介合成孔径雷达差分干涉测量( Differential-InSAR)技术是通过消除干涉相位中的地形相位从而获取地表的微小形变, 其理论上可达到毫米级精度,而且具有空间连续覆盖特征。目前普遍用于城市地面沉降、地震形变、火山和冰川移动等地表形变的监测研究 。4.1.2 InSAR技术用于获取DEM的原理InSAR 技术利用两副天线同时观测(单轨模式) , 或两次近平行的观测(重复轨道模式), 获取地面同一景观的复图像对。由目标与两天线位置的几何关系, 在复图像上产生了相位差, 形成干涉纹图。干涉相位中包含了斜距向上的点与两天线基线之间的几何关系, 可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息.图1为重复轨道SAR干涉的几何图。图4.1 重复轨道SAR干涉几何图图中，H为主影像获取时的卫星大地高（相对于WGS-84托球面），B为空间基线， 为卫星天线到托球面点的距离，P为地面上任意一点，其大地高为h，分别为基线B在P