里斯本的地表沉降监测——PS监测及结果验证
1简介:
葡萄牙里斯本的Terrafirma是地面沉降严重的区域,每年沉降量有几十毫米,本文用两种大地测量技术——GNSS(全球导航卫星系统)和大地水准测量,对PS的结果进行验证。
2“LARANJEIRAS / CAMPO GRANDE”区域
在Terrafirma区监测到两个重要的塌陷区(Valadão等人,2005年; Heleno等人,2005;2008年,Heleno等),其中之一是在里斯本的 “Laranjeiras/ Campo Grande”区,该区域(下文中用Laranjeiras来表示)位于里斯本的西北边(图1)约4公里,后来途径一条地铁并以其作为地铁站的名字,在其附近监测到了严重沉降,最大达到了7毫米/年。急剧的沉降和周围形成了强烈的对比,看起来像一个方块。
图1 PS监测结果对里斯本区域(Heleno等,2010),红色区域是Laranjeiras
3人类的建设和地质原因
在1755年里斯本地震前之前,Laranjeiras是里斯本郊外的一个度假胜地,那里有温和的气候,温泉和小树林,后来里斯本的地震给该区域带来了很大的开发。有钱人在这里建了自己的房子,小别墅或庄园,这里有公园,湖水,丰富的果园和农田,菜园和花园(图2)。到了20世纪,这些农场被建成新的建筑(图4),这地方有了很多高楼大厦和城市的公共基础设施,变的很都市化(图3)。
图4 1985年到2002年的城市化发展(Heleno等绘制)
关于地质(图5,Moitinho-Almeida,1986),Laranjeiras四周是地质断层(南方)和冲积岩组成的排水网络(东部,东北部和西部),下面是裸露的冲积砂,粘土,石灰岩,和砂岩。该区域被裸露的断层围绕,沿其南部边界。
图5 Laranjeiras的地质情况,黑线是Laranjeiras范围,红线是地质断层
4 GNSS和大地测量的具体观测方法
在Laranjeiras,和更稳定的周边地区,有几个GNSS(全球导航卫星系统的连续站)和几个水准点(图6),用这些点来验证PSInSAR的结果(Heleno等)。
GNSS选择了FCUL和IST两个站(见图7)。FCUL站在里斯本大学,天线放置在建筑科学系(FCUL)的楼顶,IST站(在FCUL站的南-东南方向2.5公里远)在里斯本科技大学,在民用工程建筑工程学院(IST)的楼顶。IST是稳定的区域,没有沉降,所以选择IST作为参考站。
图6 GNSS站和Laranjeiras的水准站标记
这些GNSS站点数据(标准文件:每站每天每24小时的观测值是一个文件),使用BERNESE GPS 5.0软件(DACH等,2007年)处理,计算每天的坐标。在处理过程中必须考虑到卫星轨道,磁极位置的变化,大气,海洋负荷,和天线相位中心变化相关的参数,保证几毫米的精度。
图7 FCUL和IST的天线
关于测量的水准点,大部分属于里斯本市(CML),是有关部门为测图而布设的,有两个基准属于FCUL,一个属于葡萄牙地理研究所(IGP)。所有的基准点的高程都是以葡萄牙垂直基准面为参考的(在图6中的橙色和蓝色线上),所有开始和结束的点都在稳定的地区。橙色线上的参考点是南部的基准参考点,蓝色线上的参考点是北部的,所有点安装了小金属盘(图8)。
2009年,应用大地测量部国家重点实验室土木工程(LNEC)开展了水准测量工作,测量人员使用了一个自动水准仪(徕卡NA2,图9)带千分尺的,和2到3米的水准板(图10)。在测量期间,要将水准仪和三脚架放在阴影中遮挡住阳光直接照射。为了保持视线长度不超过30米,放了几个辅助点(不锈钢材质的)。如果测得的值太大(大于0.3mm),会进行重复测量,双向测量,在测量中算出了向前和向后的差异,这种方法可以保持闭合差小,低于公差值。每个水准线上记录的值都是用Network软件调整过的,是LNEC开发的软件。
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图10 IGP水准测量的工作人员
5 PS InSAR的结果
为了在相同的时间段内用PS技术进一步监测,Terrafirma service的Heleno等人(2010)用欧空局的SAR卫星数据计算出了里斯本中心的沉降值(速度:mm /年)。用了三种不同的数据源进行了处理,如表1,第一列是处理的名称,第二列是所用的卫星,第三列是监测的时间范围,第四列是处理数据的数量,最后一列是所用的软件,Altamira的SPN和sarmap&Exelis VIS公司的SARscape,我们提出的处理(第1列),卫星的名称(第2栏)给出的名称;在图11是ERS和Envisat的处理结果。点表示基准点的位置,速率值为负代表在天底点方向的沉降。
名字 |
卫星 |
时间 |
图像数量 |
所用软件 |
Terrafirma |
ERS-1;ERS-2;ENVISAT |
1992-2006年 |
90 |
SPN |
ERS |
ERS-1 |
1993-1998年 |
37 |
SARscape |
Envisat |
Envisat |
2003-2010年 |
30 |
SARscape |
ERS处理(1993-1998)
图11 区域的平均位移速率
因为PS点、GNSS点和基准点不在同一地理位置,为了两个数据集的比较,对PS点值进行了内插用于,用克里格法进行了空间插值,这样可以估算出研究区域的所有点的位移速率。
6 GNSS和水准测量的结果,和PS结果对比
表2中列出了用三种不同的方法观测的年份,两条基准线上的基准点在不同的年份进行了水准测量,大多数CML基准点是在1995年测量的,还有两个是在1970年测量的,FCUL基准点是FCUL的学生在2002年测量的,IGP基准点(教堂台阶上的点)是在1969年测量的,2009年的LNEC小组野外测量包含了CML、FCUL和IGP(图10)基准点。
表2 数据获取的年份
名字 |
年份 |
|
名字 |
年份 |
Terrafirma |
1992-2006年 |
|
GNSS |
2005-2007 |
ERS |
1993-1998年 |
|
Levelling |
IGP-1969 |
CML-1970,1995 |
||||
Envisat |
2003-2010年 |
|
FCUL-2002 |
|
LNEC-2009 |
所有雷达数据集获取的形变速率,都要从视线方向换算到垂直方向,入射角按照23°计算。
GNSS的数据是绝对高程,形变是垂直方向的位移,与2005年的5月25日(FCUL第一次数据获取的时间)相比的形变量,如图12。结果是,垂直形变和30个的平均值(NA),两年半的时间(2005年中到2007年末),清楚的表明FCUL站,垂直形变是11毫米,4.4毫米每年。这和PS得到的结果,从1992年到2006年,形变速率每年4毫米,是非常一致的。
从水准测量的数据,虽然测量得到的是绝对高程,但是由于不同的年份(1969年、1995年和2002年)测量到了参考高程,也可以直接计算出来平均的形变速率,在图13和14中描绘了水准测量线和GNSS的结果。
图12 GNSS形变(2005-2007)
图13 Laranjeiras 沉降速率
图14 Campo Grande沉降速率
PS监测的结果,表明了时间序列上的沉降速率变化,在1990-2000年之间的形变(图13和14中亮蓝色线),要比2000之后的(粉红色线)大很多,在这个时间跨度上直接和GNSS和水准测量的结果进行比较是比较困难的,GNSS的结果显示,在2005-2007年期间几乎是稳定的,在这段时间之后沉降速率是变化的。
7 结论