大地测量与地球动力学

一种区域高程基准动态监测方法——以山东省为例

解加粉 ¹^,² , 孙如瑶 ² , 陈建忠 ¹^,² , 丁仕军 ¹^,² , 侯立媛 ²^,* , 刘元 ²

大地测量与地球动力学 | 现代大地测量 2025,45(3): 308-312, 324

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大地测量与地球动力学 |现代大地测量 2025 , 45 (3) : 308 -312, 324

一种区域高程基准动态监测方法——以山东省为例

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解加粉¹^,², 孙如瑶², 陈建忠¹^,², 丁仕军¹^,², 侯立媛²^,*, 刘元²

作者信息

1 自然资源部海洋测绘重点实验室, 青岛市前湾港路579号, 266590

2 山东省国土测绘院, 济南市经十路2301号, 250102

通讯作者:

侯立媛，高级工程师，主要从事测绘地理信息数据管理与应用研究，E-mail: 27000990@qq.com

HOU Liyuan, senior engineer, majors in management and application of surveying and mapping geographic information data, E-mail: 27000990@qq.com

作者简介:

解加粉，工程师，主要从事大地测量与遥感目标识别研究，E-mail: xiejiafen2016@163.com

A Dynamic Monitoring Method for Regional Elevation Datum: Taking Shandong Province as an Example

Jiafen XIE¹^,², Ruyao SUN², Jianzhong CHEN¹^,², Shijun DING¹^,², Liyuan HOU²^,*, Yuan LIU²

Affiliations

1 Key Laboratory of Ocean Geomatics, MNR, 579 Qianwangang Road, Qingdao 266590, China

2 Shandong Institute of Land Surveying and Mapping, 2301 Jingshi Road, Jinan 250102, China

XIE Jiafen, engineer, majors in geodesy and remote sensing target recognition, E-mail: xiejiafen2016@163.com

出版时间: 2025-03-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.04.184

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摘要

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高程基准是测绘基准的重要组成部分，可为国家重大工程提供数据支撑。针对高程基准因受地表形变等因素影响而难以精准监测的问题，本文基于时序InSAR地表形变监测和水准数据时间序列分析地表形变结果，对形变区开展高程基准周期性复测，实现以高程基准成果更新、点位可用性分析、点位沉降情况分析为主要内容的动态监测，并以山东省为例进行实验。结果表明，该方法能有效降低监测成本和监测难度，成果可靠性强，可有效提升测绘基准保障能力和服务质量，为区域高程基准动态监测提供一种新思路。

关键词

高程基准 / 动态监测 / InSAR / 水准测量 / 形变区

Abstract

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The elevation datum is an important component of the surveying and mapping datum, providing data support for maior national proiects, Addressing the issue of accurately monitoring elevation datum affected by factors such as surface deformation, we present a study to analyze surface deformation based on time-series InSAR data and leveling time-series data. The study conducts periodic re measurement of elevation datum in deformation area, achieving dynamic monitoring primarily through updating elevation datum, point usability analysis, and point subsidence analysis. Taking Shandong province as an example, we carry out an experiment, The results show that the method proposed in this paper can effectively reduce monitoring costs and difficulties, yield reliable results, significantly enhance the supportability and service quality of surveying and mapping datum, and provide a new dynamic monitoring approach for regional elevation datum.

Key words

elevation datum / dynamic monitoring / InSAR / leveling measurement / deformation area

引用本文

解加粉, 孙如瑶, 陈建忠, 丁仕军, 侯立媛, 刘元. 一种区域高程基准动态监测方法——以山东省为例. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (3) : 308 -312, 324 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.04.184

Jiafen XIE, Ruyao SUN, Jianzhong CHEN, Shijun DING, Liyuan HOU, Yuan LIU. A Dynamic Monitoring Method for Regional Elevation Datum: Taking Shandong Province as an Example[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2025 , 45 (3) : 308 -312, 324 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.04.184

正文

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高程基准作为测绘基准体系的基石，是支撑人类社会活动和促进经济社会发展的关键地球空间信息基础设施^[1]，其准确性会直接影响到国家重大工程与战略决策的有效实施。然而，受地表人类活动加剧及地壳运动等自然因素的影响，地表形变问题日益严峻^[2]，导致传统高程基准难以精准、实时地反映地表真实状况，从而削弱了测绘基准对重大项目的支撑能力。因此，开展高程基准的动态监测具有重要的现实意义。

传统高程框架维护依赖于频繁的水准测量，虽能确保高精度，但工作量繁重、观测周期漫长且实施成本高昂。为寻求替代方案，学术界进行广泛探索。陈为民等^[3]利用GPS高程测量代替等级水准测量，验证了GPS高程测量代替三、四等水准测量的可行性，但仅限于较低精度需求。章传银等^[4]提出利用高精度GNSS代替水准测定近地点正常高算法，但大地高误差对正常高结果的影响较大，约为大地水准面误差的1.5倍。连续运行参考站系统(continuous operational reference system，CORS)凭借其操作便捷、精度高、速度快及成本效益显著等优势，在平面测量领域展现出卓越性能。然而，在高程监测方面，CORS受限于电离层延迟误差及区域性似大地水准面精度等因素，其全面替代等级水准测量的可行性仍需深入研究^[5]。梁圣豪等^[6]通过以CORS站为核心构建高程控制网，实现了区域高程参考框架的动态维护。但该方法对数据质量与观测周期的依赖性较强，且地理适用性尚待广泛验证。随着合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)^[7-9]技术的不断发展，时序InSAR技术在地表形变监测及预测中优势明显，其能够克服时空失相干和大气效应的影响，具有全天时、全天候、监测范围广、成果可靠性较高等特点，但其监测结果无法满足高程基准更新的要求。

因此，本文基于时序InSAR地表形变监测和多期水准数据分析结果，获得高程基准视角下的地表形变区，对地表形变精准开展高程基准周期性复测。以现势性最优为原则，融合全域水准数据进行平差处理，整体更新高程基准；并与往期水准成果进行对比分析，完成以点位可用性分析、点位沉降情况分析为主要内容的动态监测。

1 高程基准动态监测方案

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本文在利用时序InSAR技术解决大区域数据拼接及形变成果精度验证的基础上，形成地表形变区；对大区域内多期高程基准数据进行时间序列分析，联合InSAR地表形变分析，形成高程基准视角下的形变区；通过水准测量获取地表形变区高程基准数据，以现势性最优为原则收集稳定区高程基准数据，进行全域高程基准数据处理，整体更新高程基准；同往期高程基准成果开展形变区内高程基准框架下的点位可用性分析和点位沉降情况分析，形成动态监测成果。技术流程如图1所示。

1.1 基于时序InSAR的地表形变分析

时序InSAR技术是利用时域上多幅SAR图像选择时间基线和空间基线满足一定条件的干涉对进行干涉, 通过建立干涉相位形变模型获取地表形变信息^[7]。时序InSAR技术主要处理方法包括永久散射体干涉测量(PS-InSAR)、小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)、分布式散射体干涉测量(DS-InSAR)等方法^[8]。

高程基准测量以点、线监测为主，在平面监测上有所欠缺，仅凭水准成果难以精确反映地表形变区。而基于InSAR技术的地表形变监测能够定量监测整个面的变化，年形变速率精度可达mm级，能较全面准确地反映地表稳定性变化情况。本文首先对形变监测结果进行长条带数据拼接、相邻轨道数据拼接；然后采用邻近点搜索法筛选出CORS站点最近的相干目标点并进行精度验证；最后依据不同地理条件，通过设定地表形变速率或地表形变量阈值从监测区域中提取地表形变区。

1.2 水准成果时间序列分析

水准成果时间序列分析是通过收集研究区内多期水准路线观测数据，采用相同平差策略进行平差处理，获取水准点的正常高；对同一水准点不同时期的正常高进行对比分析，获取形变区。依据水准成果时间序列分析结果，结合基于时序InSAR技术获取的地表形变信息，可划定研究区内水准路线稳定区和形变区。

1.3 高程基准动态监测

首先对形变区进行测量方案设计，实施水准测量以获取高程基准数据，对稳定区则依据现势性最优原则选用现有水准数据；其次对形变区与稳定区水准数据进行联合平差处理，获取现期水准成果；然后采用相同平差策略对往期水准数据进行平差处理，获取往期水准成果；最后对两期水准点成果进行点位可用性分析、点位沉降情况分析，实现高程基准动态监测。

2 山东省高程基准动态监测

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2.1 研究区概况

研究区为山东省陆域全域，面积约15.796 5万km²。2015年山东省实施测绘基准体系优化升级工程项目，对全省测绘基准设施进行优化和升级；2019—2020年对鲁西沉降区实施高程基准动态监测。山东省自2015年以来未开展省级高程基准整体数据更新维护，经多年地壳运动，省级高程基准的内符合性较差，严重影响了省级测绘基准对重大工程的支撑作用。

2.2 研究方法

2.2.1 基于PS-InSAR技术的地表形变监测分析

PS-InSAR技术基本原理是利用覆盖同一地区的多景SAR影像进行差分干涉处理，形成时间序列干涉影像对，提取不受时空基线失相干和大气延迟影响的永久散射体(persistent scatterer，PS)点，通过分离并解算这些PS点的地形相位来提取研究区地面形变信息^[9]。PS-InSAR技术处理流程主要包括：SAR影像裁剪与配准、差分干涉计算和时间序列形变量计算、大气延迟校正、相位解缠^[10]。本文采用哨兵1号数据、90 m分辨率的SRTM数据及精密轨道数据，基于PS-InSAR技术对2015-07—2019-07山东省全域地表形变进行监测。覆盖山东全省域需5个升轨轨道，共计538景数据，由于轨道171和轨道98数据采集时间为2017-03，缺少2015-07—2017-03时间段数据，根据实际需要，采集相应区域的降轨轨道76和轨道3共计328景数据进行监测时间上的补充，数据覆盖情况详见图2。数据集时间分辨率以12 d或24 d为主，各数据集中空间基线最大值为-138.14 m，时间基线最大值为-756 d。

监测区面积较大，包含山地、丘陵、平原等地形，地表覆盖情况和天气复杂多样，误差因素各异，对地表形变监测造成一定困难。本文综合考虑时间基线、天气情况等因素选取主影像，采用星形连接方式生成连接图。依托DEM数据生成模拟地形相位干涉图，并引入Goldstein自适应滤波技术优化干涉图质量，通过基线参数校正剔除平地效应相位，进而获得高质量的差分干涉图。通过时间序列数据解算对PS点进行优化选取，筛选出反射强度较高的PS点，然后采用Delaunay三角网进行PS点组合和模型解算来选择最优参考点，以此参考点为基准，将去除大气延迟相位后的PS点相关性控制在0.8~1.0，分解干涉相位中的形变、高程和大气等分量，进而获取累积形变量。山东省形变监测分多个工程进行，利用各工程重叠的PS点进行数据拼接融合，即通过差值算法对重叠区域进行基准校正，采用反距离权重法对公共区域差值进行平差平滑，最终生成全省累积形变量图(图3)。本文将形变区与稳定区阈值设定为50 mm，可以看出，形变区主要位于鲁北、鲁西北、鲁西南地区。

为验证形变监测结果的准确性和可靠性，采用基于CORS站点的方法进行精度验证。利用邻近点法搜索CORS站点500 m以内的最近目标点，共搜索出81组CORS监测值与InSAR监测值验证数据，CORS数据解算时间为2015-08—2018-03，验证所用的CORS站点在山东全域近乎均匀分布。本文选用中误差和相关系数作为精度验证指标。经计算可知，验证数据的中误差为6.42 mm，相关系数为0.971，CORS站点与时序InSAR监测值对比及两者差值见图4。可以看出，CORS站点监测值与时序InSAR监测值大致吻合，两者差值在±15 mm范围内上下波动，表明时序InSAR技术在大面积精细化形变监测方面具有较高精度。

2.2.2 基于多期水准成果的地表形变区分析

山东省水准成果主要有：1)2012年国家现代基准一期工程项目，观测一等水准路线3 576.1 km。2)2015年山东省测绘基准体系优化升级工程，观测二等水准路线8 518.4 km。3)2020年国家二等水准网建设项目，观测二等水准路线约5 000 km。

本文选取2020年国家二等水准网建设项目和2015年山东省优化升级工程水准观测数据，对全省水准网进行拼环分析。结果表明，鲁南、鲁中和胶东地区水准环闭合差符合二等水准规范要求，鲁西、鲁西南、鲁西北地区部分水准环闭合差无法满足二等水准规范要求。以青岛水准原点作为起算点，对2020年国家二等水准网建设数据进行平差处理，将处理结果与2015年优化升级项目平差结果进行对比分析，结果见图5。可以看出，点位沉降主要分布于鲁西、鲁西南、鲁西北地区，结合山东省地表形变监测结果划定全省水准路线稳定区和形变区。图5中红线以东的浅粉色区域为稳定区，点位高程变化基本都在4 cm以内，较为稳定；山东境内其他地区划定为形变区，点位高程变化较大。山东省地表形变监测时间为2015—2019年，虽比水准观测时间(2015—2020年)短，但其形变趋势不会在短时间内发生突变，形变结果足以说明监测时段内的形变趋势，能够用于形变区与稳定区的分析划定。

2.2.3 山东省高程基准更新

依据上述分析结果，对形变区内水准观测路线进行设计和复测，测量水准路线共6 695 km；对稳定区内水准路线不再进行复测，以现势性最优为原则，整合复测水准路线、2012年国家现代基准一期工程项目、2015年山东省测绘基准优化升级工程和2020年国家二等水准网建设项目水准数据，得到山东省高程基准动态监测数据(图6)，共形成拼环60个，环闭合差全部满足规范要求。环闭合差与限差比值呈现规则的正态分布，说明多源水准数据融合质量良好。最后对山东省全域水准数据进行整网平差，整体更新高程基准。

3 结果分析

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3.1 点位可用性分析

点位可用性分析有助于查明清测量标志的现状，可为测量标志保护、使用和管理及选点补埋等工作提供可靠依据。本文以实测水准路线作为统计范围，2015年山东省优化升级工程共观测水准点863个，本次成功定位并确认其中的684个，故截至2023-11，已有179个水准点失去观测效能。失效的原因主要有：点位深埋，不适合观测；住户不配合观测或无人在家；村庄拆迁或施工建设等因素被破坏。山东省测量水准点以平均每年2.59% 的速率失去观测效能，该结果可用于预测全省水准点的破坏情况，为测量标志点埋设工作提供有效借鉴。

3.2 点位沉降情况分析

本文对2015年优化升级项目水准路线进行整理，以前述平差策略进行平差处理，对两期项目共同观测的水准点进行形变量计算，同时叠加InSAR地表形变监测结果进行分析，结果见图7，各区形变极值在图中均有标识。

1) 图7中白色点为2015—2023年高程变化小于2 cm的水准点；黑色点为抬升点，主要位于淄博市博山区，抬升量大都在3 cm左右，年抬升量约0.35 cm，地质条件较为稳定。综合来看，白色点与黑色点所在区域与本文划定的稳定区一致。

2) 山东省高程基准框架点形变极大值位于东营市北部Ⅱ沾津20(14)，沉降量为1.547 m，年沉降量约19 cm，经实地勘察和资料分析，主要是由地下水抽取、石油开采与卤水开发等因素造成。

3) 地表形变区呈现块状，通过叠加InSAR地表形变结果可以看出，虽然水准结果与InSAR地表形变监测的时间跨度不一致，但水准结果呈现的地表形变趋势与InSAR结果一致，越靠近InSAR形变漏斗中心，水准点沉降量越大，且各区域的形变极值大都位于InSAR地表形变中心，两者可相互验证。但InSAR监测结果反映的是区域性地表形变趋势，水准点沉降量为单点监测，是所在区域形变趋势与自身沉降特性的综合反映，如Ⅱ金单3(14)为单点沉降极值，但未位于InSAR形变漏斗中心，说明该水准点的沉降特性无法反映所在区域的形变趋势；其次，InSAR结果为目标沿雷达视线向速率，水准结果为垂直向速率，两者难以直接比较，与水准结果比较时需要引入必要的实际位移假设。故本文未对水准结果与InSAR地表形变速率进行定量比较。

4) 由图7可知，鲁北地区地表沉降量较大，主要是因为地下水过度抽取、石油开采导致水位下降，造成孔隙水压力降低，引起松散层压缩固结或压密，进而累积形成沉降；鲁西北、鲁西南地区沉降量略小，主要原因为地下水过度开采形成沉降以及煤矿开采造成采空塌陷等。

4 结语

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本文基于时序InSAR技术和水准数据时序分析地表形变结果，获取高程视角下的地表形变区，提出一种区域高程基准动态监测方法，即根据形变区和稳定区特点采用不同的数据更新方案，实现高程基准动态监测，并成功将该方法应用到2023年山东省高程基准动态监测项目中。通过对监测结果进行分析可知，山东省水准测量标志点以平均每年2.59%的速率失去观测效能；山东省形变区主要位于鲁北、鲁西北、鲁西南地区，主要原因为地下水过度抽取、石油煤矿开采引起地表沉降。本文方法在保证监测成果精度的同时能减少工作量、降低监测成本和高程基准维护难度，可有效提升测绘基准保障能力和服务质量，对满足经济建设、社会发展和国防建设需求具有重要意义。

基金

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自然资源部海洋测绘重点实验室开放基金(2021B09)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第45卷第3期

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doi: 10.14075/j.jgg.2024.04.184

接收时间：2024-04-18
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-03-15

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收稿日期：2024-04-18

基金

Open Fund of Key Laboratory of Ocean Geomatics, MNR(2021B09)

自然资源部海洋测绘重点实验室开放基金(2021B09)

作者信息

1 自然资源部海洋测绘重点实验室, 青岛市前湾港路579号, 266590

2 山东省国土测绘院, 济南市经十路2301号, 250102

通讯作者:

侯立媛，高级工程师，主要从事测绘地理信息数据管理与应用研究，E-mail: 27000990@qq.com

HOU Liyuan, senior engineer, majors in management and application of surveying and mapping geographic information data, E-mail: 27000990@qq.com

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2024.04.184

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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