北京地面沉降InSAR監(jiān)測效果分析

楊 艷

（1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

北京地面沉降InSAR監(jiān)測效果分析

楊 艷1,2

（1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

在分析北京地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀、現(xiàn)有監(jiān)測方法和技術(shù)手段基礎(chǔ)上，對比InSAR監(jiān)測與傳統(tǒng)分層動態(tài)監(jiān)測、高精度水準測量、GPS測量等在區(qū)域地面沉降監(jiān)測時效性、精確性和經(jīng)濟性等之間的差別，并以北京地鐵13號線地面沉降InSAR監(jiān)測為例，分析其優(yōu)勢與不足，為優(yōu)化北京地面沉降監(jiān)測資源、全面開展線性工程地面沉降災(zāi)害監(jiān)測提供參考，以助于推進首都減災(zāi)防災(zāi)工作進程。

地面沉降；監(jiān)測技術(shù)；InSAR；效果分析

北京市是一個以地下水資源為主要供水水源的超級大都市，其2/3的供水水源來源于地下水[1]。受1999年之后持續(xù)出現(xiàn)的干旱，以及城市建設(shè)快速發(fā)展、人口急劇膨脹等因素影響，北京市地下水超量開采一直難以得到有效控制[2]，區(qū)域地下水位持續(xù)下降、局部地下水位降落漏斗明顯，導(dǎo)致本世紀以來北京平原區(qū)一直處于地面沉降快速發(fā)展階段，尤其是近幾年，區(qū)域內(nèi)最大年沉降量均超過100mm，最大累計沉降量超過1.4m，沉降區(qū)域面積超過整個平原區(qū)的2/3，成為我國地面沉降發(fā)育嚴重地區(qū)之一[3]。地面沉降災(zāi)害已經(jīng)造成地面高程損失、市政設(shè)施和構(gòu)建筑物破壞，威脅軌道交通安全運行，成為影響北京城市建設(shè)發(fā)展和安全的重要環(huán)境地質(zhì)問題[4]。

目前，北京地面沉降監(jiān)測方法和技術(shù)手段主要包括：傳統(tǒng)的高精度水準測量、分層動態(tài)監(jiān)測（基巖標、分層標、地下水動態(tài)監(jiān)測等）和現(xiàn)代的GPS測量、InSAR監(jiān)測，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分布基本覆蓋主要沉降區(qū)域[5]。水準測量、GPS測量每年一次，分層自動化動態(tài)監(jiān)測為每小時取值一次，InSAR數(shù)據(jù)信息提取周期基本與水準測量一致。

隨著北京近年來地面沉降的快速發(fā)展，沉降區(qū)域不斷擴大，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和測量難度也不斷加大：水準測量點覆蓋存在空白區(qū)，且測量周期長，人力、物力和資金耗費巨大；分層動態(tài)監(jiān)測建設(shè)選址難度大，一次性投入資金量大，網(wǎng)點布設(shè)有限；GPS測量點易被破壞，維護保養(yǎng)難度大等。在此情況下，InSAR監(jiān)測由于具有區(qū)域性、快速和準確等優(yōu)勢，一定程度上彌補了上述測量方法的不足，是實現(xiàn)北京平原區(qū)地面沉降災(zāi)害監(jiān)測全覆蓋的有效補充。

1 北京地面沉降InSAR監(jiān)測

合成孔徑雷達干涉測量（Interferometry Synthetic Aperture Radar, InSAR）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。北京將InSAR技術(shù)用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測始于2008年，初期主要利用獲取工作區(qū)內(nèi)的ERS-1/2和ENVISAT數(shù)據(jù)成功解譯了1992～2000年、2003～2007年北京地區(qū)地面沉降速率；此后每年都定期獲取覆蓋北京地面沉降區(qū)域范圍內(nèi)不同時期的SAR圖像及數(shù)據(jù)，以此進行地面沉降監(jiān)測，數(shù)據(jù)信息提取的時間間隔盡量與其他測量周期同步。

北京目前開展的InSAR調(diào)查監(jiān)測工作，主要采用RadarSAT-2衛(wèi)星獲取的雷達數(shù)據(jù)作為主要SAR數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為C波段雷達獲取，其重復(fù)訪問周期為24d，地面分辨率為30m×30m，滿足區(qū)域性地面沉降監(jiān)測需要，完整覆蓋整個北京平原區(qū)及部分山區(qū)。為提高監(jiān)測精度，地面沉降信息提取采取相干目標干涉相位時序分析方法，主要利用相干目標差分干涉相位時間序列進行地表形變信息解算，根據(jù)差分干涉相位的時空頻譜特性來解算地面沉降速率，實現(xiàn)地面沉降監(jiān)測的目的。主要用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測，并逐步開展部分線性工程形變監(jiān)測和趨勢分析。

2 InSAR監(jiān)測優(yōu)勢分析

2.1 時效性分析

北京市傳統(tǒng)的地面沉降分層動態(tài)監(jiān)測目前基本實現(xiàn)自動化監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)提取周期可根據(jù)需要調(diào)整到每小時一個數(shù)據(jù)，甚至更短，但需要專門的技術(shù)人員進行儀器設(shè)備保養(yǎng)和運行維護管理，且要保證數(shù)據(jù)的連貫性，對供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性等具有較高要求。

高精度地面沉降專門水準測量近幾年的年度測量里程約為3500km，10個測量小組同時開展野外測量工作，測量周期約為2個月，加上前期踏勘、后期數(shù)據(jù)整理等工作，到最終獲取高程數(shù)據(jù)歷時約4個月。

北京采取的GPS測量方法是將現(xiàn)有GPS測量點按照觀測環(huán)境分為框架網(wǎng)與監(jiān)測網(wǎng)，外業(yè)測量按同步環(huán)逐個進行，分10個觀測小組，每個觀測點觀測時段數(shù)為3，每觀測時段長23～24h，加上114個點的前期踏勘、測量數(shù)據(jù)獲取以及成果解譯等工作，全部完成需歷時3個多月。

而InSAR監(jiān)測高程數(shù)據(jù)獲取周期遠小于上述水準測量和GPS測量，尤其是德國宇航中心（DLR）2007年設(shè)計制造的TerraSAR-X，其重復(fù)周期僅為11d，采用X波段，對快速發(fā)展的地表形變監(jiān)測極為敏感。由于InSAR監(jiān)測重復(fù)周期短，對于分析區(qū)域內(nèi)不同時期的地面沉降變化情況十分有效。

通過對比不難看出，單從區(qū)域地面沉降監(jiān)測的時效性而言，InSAR監(jiān)測優(yōu)勢十分明顯。

2.2 精確性分析

（1）點監(jiān)測精確性分析

一般認為高精度水準測量用于區(qū)域地面沉降，其測量成果的精確性相對較高，且測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。因此，為了驗證InSAR監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的準確性，選取某年度北京平原區(qū)7個典型監(jiān)測點，對InSAR與三種不同監(jiān)測方法的同期監(jiān)測成果數(shù)據(jù)進行對比（圖1）。

圖1 不同監(jiān)測方法測量成果對比Fig.1 Comparison of the monitoring results using different methods

由圖可看出，InSAR監(jiān)測、分層標監(jiān)測與水準測量值的吻合程度都比較高，而GPS測量成果值相對偏差較大。若以水準測量值為真值的話，InSAR監(jiān)測精度基本能夠滿足區(qū)域地面沉降監(jiān)測要求。

（2）區(qū)域監(jiān)測精確性分析

以某區(qū)域InSAR監(jiān)測成果為例，區(qū)內(nèi)最大沉降量在金盞西南至東壩地區(qū)，沉降速率超過100mm/a。與此前幾年InSAR監(jiān)測成果比較，該區(qū)域地面沉降整體仍呈快速發(fā)展趨勢。

而水準測量成果顯示，金盞西南一帶年度最大沉降量超過120mm，北馬房、東壩一帶最大年沉降量均超過100mm。其結(jié)果與InSAR監(jiān)測成果基本接近（圖2），而前幾年的水準測量成果也反映出呈現(xiàn)沉降快速發(fā)展，兩者揭示的變化趨勢是一致的。

因此，從整個區(qū)域監(jiān)測分析，InSAR監(jiān)測成果與水準測量反映出的北京平原區(qū)地面沉降發(fā)展趨勢基本吻合。

2.3 經(jīng)濟性分析

地面沉降災(zāi)害監(jiān)測、研究和防治工作歷來為北京市政府所重視，尤其是本世紀以來，基礎(chǔ)監(jiān)測設(shè)施建設(shè)、沉降機理分析、控沉關(guān)鍵技術(shù)研究、城市規(guī)劃前期勘查與評價等相關(guān)項目陸續(xù)開展，綜合行政管理、區(qū)域聯(lián)動制度建立等工作得到加強，政府財政投入力度不斷加大，地面沉降災(zāi)害防治基礎(chǔ)工作得到快速發(fā)展。

2004年、2008年先后建設(shè)完成的北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)一、二期工程，共建設(shè)完成7個地面沉降監(jiān)測站（包括基巖標7座、分層標55座、地下水動態(tài)監(jiān)測井37口、孔隙水壓力孔16眼、氣象監(jiān)測站2座以及InSAR角反射器7個）、114個永久性GPS測量點、100個地面沉降專門監(jiān)測點，累計財政投資數(shù)千萬元。

2004年至今，北京市地面沉降監(jiān)測工作持續(xù)開展，但大部分的資金投入均用于水準測量、GPS測量、監(jiān)測網(wǎng)站（水準、GPS、監(jiān)測站及地下水動態(tài)監(jiān)測井）設(shè)備管理和維護。以近幾年北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)運行項目的資金使用情況為例，水準測量和GPS測量的資金投入約占當(dāng)年該項目總經(jīng)費的63%；監(jiān)測網(wǎng)站設(shè)備管理和維護約占33%：為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，需要對地面沉降監(jiān)測站進行專項管理和維護；重點沉降區(qū)和城市重點發(fā)展區(qū)域均需要不斷增建新的水準點和GPS測量墩；對于遭受破壞的測量點也需要不斷維修和更新。在持續(xù)獲得較為理想的監(jiān)測成果的前提下，與同期相比，InSAR監(jiān)測的資金量僅占不到2%，其經(jīng)濟效益的優(yōu)越性十分明顯。

3 InSAR監(jiān)測軌道交通工程實例分析

地面不均勻沉降對城市軌道交通工程的影響主要體現(xiàn)在：引起工程沿線高程急劇變化；影響工程結(jié)構(gòu)建設(shè)、鋪軌和設(shè)備安裝等工作進程；長期不均勻沉降導(dǎo)致的巨大高程差異破壞既有道床設(shè)施等線結(jié)構(gòu)，降低路基穩(wěn)定性；最終降低工程質(zhì)量，威脅運營安全[6]。

InSAR監(jiān)測作為一種新興的地表形變監(jiān)測手段，其用于線性工程專項監(jiān)測相對于傳統(tǒng)的水準測量而言，尚處于起步階段。本文以北京地鐵13號線某一年度InSAR監(jiān)測為例，分析該地鐵沿線年度內(nèi)地面沉降發(fā)展?fàn)顩r。

北京地鐵13號線西起西直門，東至東直門，全長40.5km，于2003年1月9日全線開通。全線除西二旗到龍澤、柳芳到東直門部分區(qū)間（約3km）為地下段外，其他均為地面或高架鐵路。全線共設(shè)16個車站，其中大鐘寺站、知春路站、五道口站、龍澤站、霍營站為高架車站，高出地面6m，設(shè)計最高行車時速80km。已開通的10號線從13號線路下穿過，多條軌道工程的結(jié)合對地面沉降控制提出了新的要求。

地鐵13號線線路在北京市中心城區(qū)北部呈n字形，其北部處于昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)，東北部位于朝陽來廣營沉降區(qū)。沿線地面不均勻沉降較為突出的地區(qū)有回龍觀、東小口和來廣營等，局部地區(qū)近年來最大沉降速率一直保持在50mm/a以上。

根據(jù)某年度13號地鐵沿線InSAR監(jiān)測結(jié)果，全線地面沉降速率分布狀況如圖3所示。

從圖中可看出，該年度內(nèi)整個13號線全線主要沉降中心集中在市區(qū)北部，線路經(jīng)過五道口站后有輕微沉降，小于15mm/a；經(jīng)清河鎮(zhèn)上地車站后逐步進入沉降區(qū)，沉降幅度從15mm/a逐步增大到30mm/a；在黃土店一帶稍有所減緩，進入東小口、霍營和蘭各莊一帶沉降幅度增加，為50～75mm/a，成為13號線上沉降最大處。清河營地區(qū)有所減緩，但經(jīng)過北苑站后進入來廣營一帶，沉降速率急劇增加，超過40mm/a；經(jīng)過北湖渠后逐步減小。沿線地面沉降速率剖面如圖4所示。

圖3 北京地鐵13號線沿線地面沉降速率InSAR分析結(jié)果Fig.3 The land subsidence along Beijing subway No.13 by InSAR

圖4 北京地鐵13號線地面沉降速率剖面Fig.4 The cross-sectional profile of land subsidence velocity along Beijing subway No.13

通過進一步分析，盡管目前該地鐵沿線的地面沉降量發(fā)育情況與縱坡最大坡度20‰的要求相比而言，不會在短期內(nèi)對線路設(shè)計坡度造成破壞性影響，但其對地基和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍存在一定的負面影響。如若該地鐵線路長期以如此快速的沉降速率發(fā)展下去，不均勻沉降的積累勢必加速突破該軌道交通工程的變形安全限值，引起破壞，威脅其安全運營。

隨著近幾年北京平原區(qū)地面沉降災(zāi)害的快速發(fā)展，在部分沉降中心區(qū)域內(nèi)，1km距離范圍內(nèi)年差異沉降量最大能達到35～45mm，且區(qū)內(nèi)分布有大量重要軌道交通工程。隨著差異沉降量的累計增加、城市建設(shè)速度及規(guī)模居高不下、軌道交通工程的大規(guī)模建設(shè)及運行，地面沉降對軌道交通工程的影響將越來越明顯，其對線性工程的影響研究及災(zāi)害防治工作也是北京市地面沉降防治規(guī)劃的重要內(nèi)容之一。而InSAR監(jiān)測方法由于具有高頻、高密度等特點，在表現(xiàn)線性工程在時間、空間上的細節(jié)變化特征等方面具有其他測量方法所無法比擬的優(yōu)勢，具有推廣應(yīng)用的重要價值和現(xiàn)實意義。

4 存在的不足

北京地面沉降InSAR監(jiān)測存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在地面沉降機理研究方面存在不足。與傳統(tǒng)的分層動態(tài)監(jiān)測相比，InSAR監(jiān)測只能觀測到地表的形變，但是對于為什么會產(chǎn)生地表形變的更深層原因，尤其是地下水位變化、地層結(jié)構(gòu)影響等無法深入了解；

（2）在相干目標較少的區(qū)域應(yīng)用效果不理想，為了提高測量精度，對SAR的數(shù)據(jù)量要求較高。如個別水準最大沉降量點所在區(qū)域由于缺乏理想的相干目標，從而在InSAR監(jiān)測成果中無法顯示出來；

（3）與傳統(tǒng)的高精度水準測量相比，當(dāng)周期內(nèi)沉降量過小，超過InSAR方法觀測上限的時候監(jiān)測效果不理想，且數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對較差；

（4）不合理數(shù)據(jù)的剔除難度大。如水準測量結(jié)果顯示，一般基巖地區(qū)不發(fā)生構(gòu)造因素之外的不均勻地面沉降，但是受大氣、植被等干擾因素影響，InSAR解譯成果則顯示在北京的西、北部山區(qū)基巖地區(qū)有明顯的地面沉降現(xiàn)象發(fā)生，且該沉降量通過合理的數(shù)據(jù)處理途徑難以消除。

5 結(jié)語

總體而言，InSAR監(jiān)測在北京平原區(qū)地面沉降監(jiān)測中的監(jiān)測效果較為理想，首先是因為北京地面沉降區(qū)域范圍內(nèi)，尤其是城區(qū)內(nèi)相干目標較多，有利于有效SAR數(shù)據(jù)的獲取；其次是有持續(xù)的資金投入和技術(shù)研究力量等的支撐，使得InSAR監(jiān)測工作能夠持續(xù)穩(wěn)定進行。

InSAR監(jiān)測方法與傳統(tǒng)高精度水準測量、分層動態(tài)監(jiān)測以及GPS測量而言，在時效性、經(jīng)濟性等方面具有一定優(yōu)勢，精確性優(yōu)于GPS測量，是區(qū)域地面沉降監(jiān)測的有效補充，在線性工程不均勻沉降監(jiān)測方面具有很大的發(fā)展空間。但由于其仍存在一定的不足，因此將InSAR監(jiān)測與其他各種監(jiān)測方法結(jié)合使用，監(jiān)測效果將更為理想。

鳴謝：本文得到中國國土資源航空物探遙感中心葛大慶博士的大力幫助，在此深表感謝！

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Effectiveness of InSAR monitoring of land subsidence in Beijing

YANG Yan1,2
(1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China)

Based on the analysis of problems associated with land subsidence and the existing monitoring methods and technical capabilities in Beijing, this paper compares the differences in timeliness, precision, and economy of regional land subsidence monitoring among InSAR monitoring, traditional hierarchical dynamic monitoring, high-precision leveling, and GPS measurements. Using the case of land subsidence monitoring in the line 13 subway in Beijing, the advantages and disadvantages of each approach were analyzed, and advice presented for optimizing land subsidence monitoring resources and implementing linear engineering land subsidence disaster monitoring, which will help to promote the progress of disaster prevention and reduction in Beijing.

land subsidence; monitoring technology; InSAR; effect analysis

P642.26

A

2095-1329(2013)04-0021-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.006

2013-11-01

2013-11-18

楊艷(1982-),女,碩士,工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測與研究.

電子郵箱：yangyanhunan1982@126.com

聯(lián)系電話：010-51560322

中國地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項目(1212011 220180);北京市國土資源局科研項目(京國土環(huán)函[2009]493)