基于PS-InSAR、精密水準(zhǔn)等技術(shù)的沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降研究

孫岐發(fā)，田 輝，李旭光

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽(yáng)110034

基于PS-InSAR、精密水準(zhǔn)等技術(shù)的沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降研究

孫岐發(fā)，田 輝，李旭光

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽(yáng)110034

為了掌握沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降狀況，在充分搜集研究沈陽(yáng)地區(qū)國(guó)家精密水準(zhǔn)測(cè)量成果和不同時(shí)期1∶50000地形圖成果的基礎(chǔ)上，采用永久散射體干涉測(cè)量（PS-InSAR）技術(shù)，對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降進(jìn)行深入研究.結(jié)果表明，沈陽(yáng)地區(qū)在1984年以前基本穩(wěn)定，1984年以后地面沉降逐步發(fā)展，2007年以后地面沉降發(fā)展迅速，局部地區(qū)已經(jīng)發(fā)展為地面沉降嚴(yán)重區(qū).

地面沉降；PS-InSAR；精密水準(zhǔn)；地形圖；沈陽(yáng)地區(qū)

0 前言

沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)作為國(guó)家級(jí)新型工業(yè)化改革試驗(yàn)區(qū)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化需要更加合理的規(guī)劃，不能將試驗(yàn)區(qū)建設(shè)在地面沉降區(qū).綜合研究沈陽(yáng)地區(qū)是否存在地面沉降，主要沉降區(qū)在哪里，沉降的量級(jí)是多少，是否對(duì)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展有影響，具有十分重要的意義.

沈陽(yáng)地區(qū)存在水源降落漏斗，水源漏斗進(jìn)一步發(fā)展就形成大的區(qū)域漏斗.地下水漏斗會(huì)對(duì)環(huán)境造成很多危害，如在漏斗區(qū)會(huì)出現(xiàn)地面塌陷、地面沉降、巖溶塌陷、地面差異沉降等地質(zhì)災(zāi)害.如果監(jiān)測(cè)不及時(shí)，處理不得當(dāng)，就會(huì)對(duì)建筑物、各類(lèi)管線、公路、鐵路、橋梁等造成嚴(yán)重影響和損害.在沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)的規(guī)劃發(fā)展中，掌握區(qū)域內(nèi)地面沉降情況是十分必要的.

1 基于精密水準(zhǔn)技術(shù)的地面沉降研究［1］

水準(zhǔn)測(cè)量方法可以獲取高精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果.雖然覆蓋面積有限，實(shí)施周期長(zhǎng)，但是針對(duì)于局部區(qū)域，其結(jié)果的可靠性非常高.因此，為了研究沈陽(yáng)地區(qū)的歷史沉降情況，我們搜集了該地區(qū)兩期大地水準(zhǔn)測(cè)量資料.

第一期精密水準(zhǔn)成果是1958年以原遼寧省水利電力建設(shè)局勘測(cè)設(shè)計(jì)院為主施測(cè)完成的，1959年納入全國(guó)精密水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一平差計(jì)算，以沈陽(yáng)為中心向外輻射有5條水準(zhǔn)線路，分別是沈蓋線、哈沈線、赤沈線、沈溝線和沈丹線，以青島水準(zhǔn)原點(diǎn)為起算，原點(diǎn)高程為72.2893 m.

第二期精密水準(zhǔn)成果是1984年由國(guó)家測(cè)繪總局組織施測(cè)完成的，1986年全國(guó)統(tǒng)一平差計(jì)算，是以青島的中華人民共和國(guó)國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)，按照“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”起算，原點(diǎn)高程72.2604 m.

第一期與第二期水準(zhǔn)點(diǎn)在沈陽(yáng)地區(qū)重合40余座，點(diǎn)位分布均勻.兩次精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)成果基本代表了本區(qū)域、本時(shí)期地面沉降情況.兩期施測(cè)成果相減，得出沈陽(yáng)地區(qū)26年間垂直變化量在80 mm左右，下沉速率為3.0 mm/a.第一期與第二期水準(zhǔn)測(cè)量的平差計(jì)算，起算水準(zhǔn)原點(diǎn)是不一致的，按照“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”起算的高程為78.260 m，比1956年黃海平均海水面起算的高程值低29 mm.若按靜止的觀點(diǎn)分析，兩期各水準(zhǔn)點(diǎn)的高差值變化也應(yīng)該是近于29 mm的常數(shù).如果減去這一數(shù)值，沈陽(yáng)地區(qū)26年間地面實(shí)際變化值為51 mm，下沉速率小于2.0 mm/a，說(shuō)明這一時(shí)期沈陽(yáng)地區(qū)是穩(wěn)定的.

2 基于地形圖比對(duì)方法的地面沉降研究［2］

沈陽(yáng)地區(qū)1984～2007年沒(méi)有可研究整個(gè)區(qū)域地面沉降的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)資料，也沒(méi)有相關(guān)InSAR監(jiān)測(cè)成果.通過(guò)搜集1977年及2007年沈陽(yáng)地區(qū)1∶50000的地形圖，利用地形圖比對(duì)的方法，填補(bǔ)了這一時(shí)期沈陽(yáng)地區(qū)沒(méi)有地面沉降監(jiān)測(cè)資料的空白.先搜集到沈陽(yáng)地區(qū)兩個(gè)時(shí)期1∶50000地形圖各19張，找到兩張圖上同時(shí)存在的永久三角點(diǎn)65對(duì)，成功對(duì)不同時(shí)期的地形圖進(jìn)行了比對(duì).由于兩個(gè)時(shí)期的高程起算標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將第二期的高程值同時(shí)加上常數(shù)29 mm進(jìn)行計(jì)算.

數(shù)據(jù)顯示，沈陽(yáng)地區(qū)65個(gè)比較點(diǎn)中只有1個(gè)點(diǎn)沒(méi)有沉降，其他各點(diǎn)都存在沉降現(xiàn)象，平均沉降值為480 mm，最大沉降值為1129 mm，如果按照30年的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，年沉降率為37.6 mm/a.因前面已經(jīng)對(duì)1958～1984年的地面沉降情況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示這一時(shí)期的年沉降速率小于2.0 mm/a.如果1977～1984年的地面沉降按照這一速率發(fā)展的話，7年時(shí)間沉降14.0 mm.減去這一數(shù)值，1984～2007年的23年間，最大沉降點(diǎn)的沉降值為1115.0 mm，年沉降速率為48.48 mm/a，這一時(shí)期沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降嚴(yán)重程度中等.

3 基于PS-InSAR技術(shù)的地面沉降研究［3-5］

永久散射體干涉測(cè)量（PS-InSAR）是正在發(fā)展中的極具潛力的測(cè)量微小地表形變的技術(shù),它已在研究地面沉降、冰川漂移、火山運(yùn)動(dòng)、山體滑坡以及地震形變等方面表現(xiàn)出極好的前景；它繼承了SAR的全天候、大范圍、全天時(shí)、有一定穿透能力等優(yōu)點(diǎn)；它具有低成本、近連續(xù)性動(dòng)態(tài)過(guò)程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力.因此，該技術(shù)在軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，有著極其廣泛的應(yīng)用.

為在較短時(shí)間內(nèi)獲得沈陽(yáng)大范圍地區(qū)地面沉降情況，采用高相干點(diǎn)InSAR技術(shù)對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)開(kāi)展大范圍的地面沉降測(cè)量工作，獲取了沈陽(yáng)地區(qū)地面沉降的分布信息.

3.1 區(qū)域數(shù)據(jù)情況

表1為ALOS PALSAR的track434、frame820的數(shù)據(jù)列表，共計(jì)21景數(shù)據(jù)，為ALOS PALSAR升軌數(shù)據(jù).圖1為該區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋范圍.經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)20070729和20100621兩景數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，在本次數(shù)據(jù)處理當(dāng)中未被采用.最終根據(jù)影像多普勒中心頻率、時(shí)間基線及空間基線等條件，將20100506作為本次數(shù)據(jù)處理的主影像.利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)覆蓋沈陽(yáng)地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，圖2是覆蓋沈陽(yáng)地區(qū)的強(qiáng)度圖.

表1 ALOS PALSAR數(shù)據(jù)列表

圖1 沈陽(yáng)地區(qū)AlOS（434）數(shù)據(jù)覆蓋范圍Fig.1 The AlOS(434)data covered range in Shenyang region1-工作區(qū)界線（boundary of working area）；2-地級(jí)市（city）；3-河流（river）；4-鐵路（railway）；5-公路（highway）；6-下遼河平原（Lower Liaohe River Plain）；7-數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)范圍（data covered range）

圖2 覆蓋沈陽(yáng)地區(qū)影像強(qiáng)度圖Fig.2 The intensity image of Shenyang region

3.2 結(jié)果與分析

根據(jù)PS-InSAR的數(shù)據(jù)處理原理，對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了影像配準(zhǔn)、重采樣、PS點(diǎn)選取、干涉圖生成、干涉圖濾波、干涉基線精化及PS點(diǎn)相位時(shí)序分析等處理，得到2007～2010年沈陽(yáng)地區(qū)的年沉降速率圖，如圖3所示.從圖3中可以看出，該地區(qū)未出現(xiàn)明顯的大面積地面沉降漏斗，沉降多以局部小范圍發(fā)生，沉降可能與局部煤礦開(kāi)采、石油開(kāi)采及地下水開(kāi)采有關(guān).經(jīng)對(duì)結(jié)果仔細(xì)分析，在沈陽(yáng)市周邊存在6個(gè)大量級(jí)地面沉降區(qū)，值得關(guān)注.圖3中紅色標(biāo)出了6個(gè)沉降速率在50 mm/a以上的地區(qū).A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)和F區(qū)的沉降速率分別為145.5、121.5、105.5、57.8、60和56.8 mm/a.

為了便于形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的定位與分析，將圖3中各區(qū)形變結(jié)果進(jìn)行了Google Earth的疊加顯示.從統(tǒng)計(jì)的6個(gè)形變區(qū)域所處的具體位置可知，A區(qū)主要覆蓋3個(gè)村鎮(zhèn)，分別是沈陽(yáng)市沈北新區(qū)石佛一村、石佛二村、馬門(mén)子村（圖4）；B區(qū)主要在新民市黃金村附近；C區(qū)主要在新民市高臺(tái)村附近；D區(qū)主要在新民市長(zhǎng)山子村附近；E區(qū)主要在沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)附近，呈現(xiàn)條帶狀沉降；F區(qū)主要在新民市新華村附近.

圖4為將A區(qū)形變結(jié)果展示到Google Earth的結(jié)果.A區(qū)主要覆蓋的3個(gè)村鎮(zhèn)最大沉降速率達(dá)到200 mm/a，形變區(qū)域較大.圖5中1號(hào)點(diǎn)時(shí)間序列結(jié)果顯示出，累計(jì)沉降量已經(jīng)達(dá)到582 mm.

為了進(jìn)一步分析各區(qū)域的形變時(shí)間序列信息，提取了各沉降區(qū)的時(shí)間序列形變信息，結(jié)果如圖5所示.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)和F區(qū)6個(gè)區(qū)域4年內(nèi)累計(jì)沉降量分別達(dá)582、486、422、231、240和227 mm.

4 結(jié)論和建議

精密水準(zhǔn)測(cè)量是地面沉降監(jiān)測(cè)的最基本方法，精度高，成果可靠.本文利用水準(zhǔn)資料及地形圖比對(duì)方法，分析了1984～2007年時(shí)期內(nèi)沈陽(yáng)地區(qū)的地面沉降情況，并利用PS-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)得出一系列研究成果，獲取了典型形變區(qū)的分布及形變時(shí)間序列特征.

通過(guò)本次綜合研究，認(rèn)為沈陽(yáng)地區(qū)在1984年以前基本不存在大面積地面沉降現(xiàn)象；從1984～2007年，平均地面沉降值為48.48 mm/a，地面沉降嚴(yán)重程度為中等；從2007～2010年，出現(xiàn)了3個(gè)地面沉降速率超過(guò)80 mm/a的區(qū)域，沉降最嚴(yán)重的沈北新區(qū)地面沉降速率已經(jīng)達(dá)到145.5 mm/a，屬于嚴(yán)重地面沉降區(qū).綜上所述，沈陽(yáng)地區(qū)的地面沉降從無(wú)到有，目前已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)地面沉降嚴(yán)重區(qū)域.

為此，建議沈陽(yáng)新型工業(yè)化基地規(guī)劃建設(shè)要盡量避開(kāi)地面沉降影響區(qū)，同時(shí)加強(qiáng)地面沉降災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握地面沉降發(fā)展的規(guī)律，為科學(xué)防治提供依據(jù)；加強(qiáng)對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與工程活動(dòng)中可能引起地面沉降區(qū)域的監(jiān)測(cè)，做到早發(fā)現(xiàn)早預(yù)防.

圖3 沈陽(yáng)市及周邊年沉降速率圖Fig.3 Rates of ground subsidence in Shenyang City and the surroundings

圖4 A區(qū)域在Google Earth上顯示的結(jié)果Fig.4 The results of Area A on Google Earth

圖5 各形變區(qū)域相應(yīng)點(diǎn)位的累積形變統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistics for the cumulative deformation of the corresponding points in the deformation areas

［1］孫岐發(fā)，田輝，張擴(kuò).下遼河平原地區(qū)歷史地面沉降情況研究［J］.地質(zhì)與資源,2014,23（5）:450—452.

［2］劉毅.地面沉降研究的新進(jìn)展與面臨的新問(wèn)題［J］.地學(xué)前緣,2001, 8（2）:273—277.

［3］Zebker H A,Goldstein R M.Topgraphic mapping from interferometric synthetic aperture radar observations［J］.J Geophysical Research,1986, 91（B5）:4993—4999.

［4］劉國(guó)祥，丁曉利，陳永奇，等.極具潛力的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)：合成孔徑雷達(dá)干涉［J］.地球科學(xué)進(jìn)展,2000,15（6）:734—740.

［5］Gabriel A K,Goldstein R M,Zebker H A.Mapping small elevation changes over large areas:Differential radar interferometry［J］.Journal of Geophysical Research,1989,94（B5）:9183—9191.

SUN Qi-fa,TIAN Hui,LI Xu-guang

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China

In order to recognize the status of land subsidence in Shenyang region,the permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar（PS-InSAR）and other technologies are adopted on the basis of local precise leveling data and the 1∶50000 topographic maps of the region in different periods.The result shows that,before 1984,Shenyang area is basically stable;since 1984,the land subsidence has gradually developed;then after 2007,the rapid development of land subsidence in localareas became more serious.

land subsidence;permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar（PS-InSAR）;precise leveling; topographic map;Shenyang region

2015-03-04；

2015-10-19.編輯：張哲.

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目“東北平原地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)”（編號(hào)12120113011500）；遼寧省國(guó)土資源廳項(xiàng)目“下遼河平原地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)工程”（編號(hào)2013102）.

孫岐發(fā)（1966—），男，博士，教授級(jí)高工，主要從事水文、工程、環(huán)境地質(zhì)研究工作，通信地址：遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)黃河北大街280號(hào)，

E-mail//152468435@qq.com