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，取得了显著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著”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
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
电子邮件：gxiaoli@sohu.com
国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室
地质不稳定可能导致地面的差异运动，进而对各类基础设施（如城市道路、油气开采及储运设施、电力设施等）的安全带来影响。
大地量子的沉降与形变监测数据套件基于InSAR测量技术获取地表形变信息。与传统的测量技术相比，InSAR测量不需要现场安装或布设任何仪器，具有获取变形信息范围大、灵敏度高、可回溯、适应性强、不受不良天气影响等优势。能进行无接触式的精细化测量，识别早期地表变形风险。
EDRS就能够通过2颗卫星来消除上述盲区。配备最新激光技术的卫星将分别于2015年及2016年发射，它们能够在地面与空中以1.8Gb/秒的速率双向传送数据。
根据通常被接受的行业测量标准，这意味着如果将卫星每秒传送的数据打印装订成册，可以摆满长达1米的书架。EDRS会对某些安全传输提供加密措施，同时也能够让欧洲更少依赖那些位于海外的地面站来传输卫星数据。
空间数据公路系统的第一通信节点定位于东经9度，将能够与轨道观测卫星建立激光链路；无人机则定位在欧洲，非洲，拉丁美洲，北美洲的中东部和东海岸。第二颗卫星将于2017年发射，它将扩大该系统的覆盖范围、容量和冗余度。
空客防务与空间和欧空局正寻求合作伙伴关系，以进一步扩大空间数据公路计划，到2020年，三分之一的节点将定位在亚太地区。例如，太平洋沿岸地区见证了航空任务通信需求的急剧上升。
EDRS随后将通过耗资达数十亿欧元的哥白尼地球观测项目为海上浮冰、石油泄漏或者洪水提供中继数据，但是该服务同样对其他付费客户开放。
通过面监测的方式，能够获取到边坡不同位置的形变信息，进而发现形变异常区域，早期识别滑坡风险。同样，大地量子也希望能将空间大数据的应用延伸到社会生活的方方面面，成为物理世界的搜索引擎，打造出一个“关于地球的数据百科”。
（一）实验室简介
国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室于2007年9月30日得到国土资源部正式批复成立，其前身为中国地质科学院地壳变形与地质灾害重点实验室。重点实验室主要从事5个领域的科学研究：新构造运动及其引发的地质灾害与地质环境过程研究，地应力监测技术与地质灾害预测评价技术方法研究，中国大陆主要活动构造带地应力测量及其构造应力场研究，国家重大工程、重大城市和重要经济区带的地壳稳定性和地质环境安全研究。
图46 退化与废弃地遥感信息提取和监控信息系统开发及其应用研究技术流程
（二）2013年度重要科研成果
1. “汶川地震地质灾害调查评价”入选地质学会十大地质科技进展
入选地质学会十大地质科技进展的“汶川地震地质灾害调查评价”项目是由中国地质科学院地质力学研究所、中国地质环境监测院等单位共同承担完成的。殷跃平、张永双研究团队紧密围绕汶川地震地质灾害等重大科学问题和关键技术，在理论、方法和技术方面取得了多项创新性成果，特别是集成创新地面测绘、综合物探和InSAR技术，修正了强震区逆冲型工程活动断裂和地震破裂带安全避让公式；首次开展了斜坡地震动特征监测和地脉动特征测试，获得了山体斜坡地震动放大规律，提出了竖向地震力对峡谷区山体稳定性的放大效应；建立了基于天空地一体化应急调查技术的汶川地震灾后快速编图与评估方法，以及地震滑坡-碎屑流的成灾机理和震后高位泥石流早期识别的特征指标，为制定行业标准提供了理论支撑。项目成果集成出版了《汶川地震工程地质与地质灾害》一书，在“5·12”汶川地震发生5周年到来之际，由科学出版社出版发行。本书对汶川8.0级地震区的地震工程地质和地质灾害进行了系统研究，涉及汶川地震区域地质构造、地震工程地质、斜坡地震动监测与试验方法、地震地质灾害等关键科学问题（图47）。
图47 《汶川地震工程地质与地质灾害》
2.《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》出版
“泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线地质构造综合研究”项目组及时对计划项目成果进行了综合集成，编著完成了《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》专著并出版发行（图48）。
被誉为“钢铁丝绸之路”的云南大理-瑞丽铁路（简称“大瑞铁路”）全长约336km，是连接中国大陆与东南亚各国的泛亚铁路网中的咽喉工程。但由于铁路需要穿越水文网密度大，且山高谷深的横断山脉南段，因此，桥隧工程将占整个线路的70%左右，尤其是隧道工程的最大长度与埋深都大大超出了已有铁路工程，建设难度极大，亟须扎实可靠的高精度基础地质与工程地质资料支撑，并为铁路选线和设计提供科学决策依据。
图48 《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》
为主动配合和服务于国家重大工程建设，尽快打通我国西南地区中缅国际铁路通道。在中国地质调查局基础地质部的精心部署下，由地质力学研究所和成都地质调查中心共同组织实施的“云南大理至瑞丽基础地质综合调查”计划项目，及时完成了沿线22个图幅的1：5万基础地质调查工作和铁路优选线两侧各2k m廊带区的1：2.5万基础地质和工程综合调查任务。为更好地将基础地质工作服务于国家重大工程应用，专著综合了铁路沿线最新的1：2.5万综合地质调查资料，以及新构造和活动构造研究等成果，全面介绍了滇西横断山南段大理至瑞丽地区，包括：岩石地层与地质构造、主要岩土体与特殊岩性体、水文地质、地热活动、新构造运动与活动断层和地震活动等工程地质条件，并在此基础上，进一步梳理总结了铁路沿线各主要工程地段的工程地质环境及特征，全面剖析了在施工建设中主要面临的九大重要工程地质问题，包括：外动力地质灾害、岩溶作用导致的工程地质问题、特殊岩性体（主要包括二叠纪“破灰岩”和上新世“软岩”）的工程地质问题、顺层问题、活动断裂与强震活动、高温热害、岩爆与软岩大变形、隧道涌水突泥和弃渣环境问题等，确定了不同类型工程地质问题最易发生的地段，并提出了防范建议。另外，重点分析总结了影响该区地壳稳定性的主要区域活动断裂带的晚第四纪活动及其未来大地震危险性，并结合历史强震资料重新确定了铁路沿线的大于等于Ⅸ度的高地震烈度区。最后针对高黎贡山越岭段超长超深铁路隧道的围岩稳定性，结合岩石力学测试分析资料和原地地应力测量结果，分别开展了二维和三维数值模拟研究，对隧道工程的围岩稳定性进行了综合评价，并圈定了隧道的强岩爆区和软岩大变形区。
专著资料翔实，将基础地质工作成果与工程应用紧密结合，因此，对进一步深入认识滇西横断山地区的工程地质环境具有重要参考价值，对于相邻地区的重大工程建设也可起到重要借鉴作用，并且相关研究成果可供从事区域地质、工程地质、活断层与地震地质、地质灾害、数值模拟和岩土工程等多方面的科研技术人员参考。
3.重大工程扰动区特大滑坡灾害防治技术研究取得初步进展
2013年是“十二五”国家科技支撑课题“重大工程扰动区特大滑坡灾害防治技术研究与示范”执行的第二个年度，也是课题攻关关键的年度，在关键科技问题、技术方法和示范基地研究取得阶段性成果，主要包括下列5方面：跟踪对比分析国内外工程滑坡防治进展，初步建立灾难性工程滑坡数据库格架；初步探索研究工程滑坡防治3个关键科技问题；工程滑坡机理实验及模拟研究有所进展；工程滑坡快速防治关键技术方法研究和示范基地建设初见成效，相关研究成果以学术论文的形式在“地质通报”出版专辑（图49），相关的发明及技术专利正在申请受理过程中。
图49 《工程滑坡防治成果专辑》
4. “新型压磁应力测量与监测系统研制”取得重要成果
吴满路研究员负责的“原地应力测试技术方法试验研究”项目自2008年实施以来，一直致力于试验应用研究，在地应力测量及监测台站建设、监测仪器研制、专利及人才培养等方面取得了一系列成果。
压磁法地应力测量及监测一直是地质力学所的特色和优势科研方向。“原地应力测试技术方法试验研究”团队以压磁应力测量与监测技术方法为主要研究对象，完成了对压磁法地应力测量和监测仪器结构的全面改造升级，同时，研发的三分量压磁应力解除系统在孔深213m处成功地获得了有效应力数据，是同类技术方法中达到的世界最深的地应力测量；研制的新型四分量压磁应力监测系统已在青藏高原东南缘、龙门山断裂带、河北紫荆关等地应力测量及监测实验基地，首都圈、郯庐断裂带、东南沿海海岸带等地壳稳定性评价及活动断裂监测中得到了大量应用，在相关地区建立的地应力综合监测站成功捕捉项目执行期间强烈地震前后应力变化的信息，丰富了应力实测数据和大量应力监测数据。
新型压磁应力测量与监测系统获得的数据成果已经或即将公开发表。项目研发的“无线深井地应力绝对测量压磁传感器”和“深井地应力监测压磁传感器定向及自控加载安装系统”获得了2项国家实用新型专利授权，为中国地壳探测计划提供了必要的关键技术储备。
5.获芦山地震发震构造与次生地质灾害致灾特征研究初步成果
2013年4月20日，四川省芦山县发生了里氏7.0级地震。根据国土资源部统一部署和地质力学研究所的安排，重点实验室完成了地震地质和地质灾害应急排查，并将初步研究认识发表在《地质学报》（英文版）上。
初步认识之一的Seismogenic Structure of the April 20,2013,Lushan Ms7 Earthquake in Sichuan（《四川芦山2013年4月20日Ms7.0地震发震构造初步研究》），通过高分辨率遥感图像解译、主余震分布、震源机制解释等综合分析认为，芦山地震震中位于芦山县太平镇和双石镇之间，震源深度13～14km，震中最大烈度达IX级。野外调查发现，尽管震中区房屋建筑损坏较严重，但这次地震没有产生明显的地表破裂构造，仅见少量的地裂缝和喷砂冒水现象。芦山地震是龙门山断裂带西南段一次独立的破裂事件，属于逆冲型地震。科研人员从新构造和活动构造角度，通过将精确定位的主震和余震震中投影在地形图、遥感影像图上，得出了芦山地震余震的分布特征，阐述了双石-大川断裂特征型地震特点，推断芦山地震与龙门山构造带底部滑脱带（13～19km）断坡构造活动有关。同时对未来强震发展趋势进行了分析：虽然这次地震使这条断裂的应变能得到释放，但地应力监测结果指示该断裂带的应力释放尚不完全，未来地震发生的可能性尚值得进一步关注。
初步认识之二的Geohazards Induced by the Lushan Ms7.0 Earthquake in Sichuan Province,Southwest China:Typical Examples,Types and Distributional Characteristics（《四川芦山Ms7.0级地震地质灾害基本特征》），基于遥感解译和野外调查结果，简要论述了地震诱发的崩塌、滑坡、碎屑流和砂土液化等次生地质灾害的发育特征及其危害，地震地质灾害主要受控于强震触发作用、陡峻的地形地貌、地形放大效应以及软弱的岩性和强烈的风化卸荷作用；研究表明，地质灾害的发育分布规律主要体现在震中效应和地貌效应明显、活动断裂上盘效应不显著，断裂端点效应较明显，与岩性和岩体结构的关系较密切。芦山地震诱发的地质灾害以及地震对山体造成的损伤存在隐蔽性，在灾后重建中应引起重视。
6.乌江流域重大地质灾害研究新进展
“重庆地区地质灾害成灾机理与防治研究”项目负责人为李滨副研究员，参加单位有长安大学、重庆市地质矿产勘查开发局107地质队、中国地质环境监测院、重庆市地质环境监测总站。项目完成了乌江流域复杂地貌环境下三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术在地质灾害调查与监测中的应用，通过覆盖研究区域DEM、SAR等多种数据，结合InSAR和GNSS监测结果，形成一套适合于乌江流域复杂地质环境下大范围识别地质灾害形变的理论方法。此外，在特大型地质灾害特征识别和地质模型分析基础上，项目组结合室内力学试验，通过数学模拟和物理模型试验，提出了岩溶、采矿等因素影响下，特大型层状滑坡的变形机理和失稳模式，并提出了稳定性评价方法和灾害发生后崩滑体的运动特征分析模型，该套分析方法及结果可在西南岩溶地区进行推广应用（图50，图51）。
图50 InSAR技术在区域地质灾害调查中的应用
图51 鸡尾山滑坡累计形变图（184天）
7.首都圈地区关键构造部位地应力监测新成果
（1）初步揭示了邢台—唐山主要发震构造带北端迁安及其外围地区现今构造活动性及其灾害效应，认为华北平原地质构造以块断结构为主要特征，构造体系走向多为NNE向，以压扭性断裂为主，现今活动性显著，5级以上地震活动通常沿NNE、NE和NWW向断裂带分布，特别是不同方向断裂带的交会部位（图52）。
（2）探讨分析了唐山—滦县—昌黎一带现今地应力环境变化特征及其地震地质研究意义。河北昌黎地应力实时监测台站地应力监测结果表明，日本9.0级大地震所诱发的华北地区产生同震位移，区域构造作用表现为近EW向拉张作用，最大水平主压应力为近南北方向。而2012年6月6日以来，华北地区表现为近EW向主要为构造挤压作用，最大水平主压应力为近EW方向，说明区域构造应力作用恢复到日本9.0级大地震之前华北地区最大水平主应力方向，并且在区域构造应力作用方向转换的过程中会导致地震的发生（如2012年5月28日和29日及6月18日在唐山及其周围地区还分别发生了4.8级、3.2级和4.0级地震）（图53）。
图52 迁安市陈官营村地应力测量与监测钻孔区域构造地质图
图53 河北昌黎地应力实时监测台站监测结果
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