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2 Laranjeiras的别墅、花园和湖水     

           图3 Laranjeiras 20世纪时候的城市建筑

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）。

                                     图8 CML基准点

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。

 

   图 9 NA2水准仪

     

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）                         Envisat处理（2003-2010）

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

   PSInSAR是一个对地表沉降监测很有效的方法，能监测大范围的区域，不用像GNSS或者水准测量一样在地表建立任何装置。大地测量的方法，包括全球导航卫星系统和水准测量，可以作为很好的工具来验证PSInSAR的结果。在我们研究区的结果来看，PSInSAR得到的结果与全球导航卫星系统和水准测量的大地测量方法得到的结果是一致的。