PS-InSAR技術(shù)在北京通州區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

孔祥如 羅勇 劉賀 王新惠 趙龍 沙特

摘 要：地面沉降是通州區(qū)重要地質(zhì)災(zāi)害，由此引發(fā)的地裂縫次生災(zāi)害現(xiàn)象嚴(yán)重影響通州區(qū)的發(fā)展建設(shè)。以TerraSAR-X衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用永久散射體干涉測(cè)量（PS-InSAR）技術(shù)獲取通州區(qū)地面沉降2015—2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了通州區(qū)地面沉降時(shí)空分布特征以及地裂縫次生災(zāi)害的垂向形變特征。結(jié)果表明：（1）通州區(qū)地面沉降主要集中在西部和北部地區(qū)，形成了以通州城區(qū)—梨園—臺(tái)湖為中心的西部沉降區(qū)和以永順—宋莊為中心的北部沉降區(qū)，每個(gè)沉降區(qū)內(nèi)又分布著多個(gè)小的沉降漏斗，在區(qū)域上具有不均勻沉降的特征;（2）宋莊地裂縫兩盤各存在一個(gè)沉降漏斗中心，裂縫帶沿線存在多個(gè)小沉降漏斗，由裂縫帶向兩側(cè)沉降量逐漸增大，垂直裂縫帶方向存在顯著的沉降梯度變化，差異沉降特征明顯，建議在宋莊地裂縫成因機(jī)理研究過(guò)程中考慮差異沉降對(duì)地裂縫形成的影響。

關(guān)鍵詞：地面沉降;監(jiān)測(cè)技術(shù);永久散射體干涉測(cè)量;通州區(qū);地裂縫

Abstract： Land subsidence is an important geological disaster in Tongzhou District. The resulting secondary disasters such as ground fissures seriously affect the development and construction of Tongzhou District. Based on TerraSAR-X satellite images， the monitoring data of land subsidence in Tongzhou District from 2015 to 2018 were obtained using PS InSAR technology. This paper analyzes the spatial and temporal distribution characteristics of land subsidence and vertical deformation characteristics of secondary disasters of ground fissures in Tongzhou District. Through this study， we obtain the temporal and spatial distribution characteristics of land subsidence in Tongzhou District， and reveal the characteristics of differential land subsidence of Songzhuang ground fissure. The results show： （1） The land subsidence in Tongzhou District is mainly concentrated in the west and north areas， forming the western subsidence area with Tongzhou-city-proper-Liyuan-Taihu as the center and the northern subsidence area with Yongshun-Songzhuang as the center. There are many small subsidence funnels in each subsidence area with the characteristics of uneven subsidence. （2） There is a center of subsidence funnel on two sides of Songzhuang ground fissure， and many small subsidence funnels along the fissure zone. The subsidence increases gradually from the fissure zone to both sides， and there is a significant change of subsidence gradient in the direction of vertical fissure zone. It is suggested that the influence of differential subsidence on the formation of ground fissures should be considered in the study of the formation mechanism of Songzhuang ground fissures.

Keywords： land subsidence; monitoring technology; PS-InSAR; Tongzhou District; ground fissures

城市中地下水不合理開發(fā)導(dǎo)致的地面沉降，是制約城市可持續(xù)發(fā)展不可忽視的因素之一。為了預(yù)防和控制地面沉降，有必要對(duì)地面沉降進(jìn)行長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)（殷躍平等，2005）。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法包括水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)-分層標(biāo)組測(cè)量，20世紀(jì)90年代，GPS測(cè)量技術(shù)也開始應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)（劉明坤等，2012）。但是，上述監(jiān)測(cè)方法不僅運(yùn)行成本高、觀測(cè)周期長(zhǎng)，而且建設(shè)測(cè)量設(shè)施需要占用一定場(chǎng)地，在用地緊張的人口密集城市難以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋（許言等，2017）。依靠衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)克服了上述問(wèn)題。其中，差分合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（D-InSAR）以其大范圍、高精度、高時(shí)空分辨率獲取面狀分布的地表形變信息的優(yōu)勢(shì)，在地震、火山運(yùn)動(dòng)、冰川運(yùn)移、地面沉降等地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用（何秀鳳等，2011）。在D-InSAR的基礎(chǔ)上，F(xiàn)erretti等（2000;2001）提出了永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)（PS-InSAR），該技術(shù)的核心是通過(guò)識(shí)別永久散射體（PS點(diǎn)），獲取PS點(diǎn)處相對(duì)穩(wěn)定可靠的形變估算結(jié)果，克服了傳統(tǒng)差分干涉測(cè)量D-InSAR技術(shù)中大氣延時(shí)因素的影響，提高了InSAR 技術(shù)在形變監(jiān)測(cè)中的可靠性。

2012年，通州區(qū)被確立為北京城市副中心，承擔(dān)著調(diào)整優(yōu)化北京城市空間格局、疏解中心區(qū)過(guò)多功能、治理“大城市病”、拓展城市新空間、推動(dòng)京津冀協(xié)同發(fā)展的重要使命。通州區(qū)地面沉降在20世紀(jì)80年代就有記錄，多年的地下水超采使地面沉降量不斷增加，截止到2017年，通州區(qū)最大累計(jì)沉降量已超過(guò)1200 mm（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2018）。加之隨著副中心的建設(shè)，建筑群將呈現(xiàn)高層、密集的特征，城市建筑物荷載對(duì)地面沉降的影響也將加劇。因此，提升通州地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)能力，對(duì)治理地面沉降、保障副中心地質(zhì)安全以及指導(dǎo)副中心合理規(guī)劃具有重要意義。目前，通州區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)主要依靠數(shù)量有限的地上監(jiān)測(cè)設(shè)施，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)通州區(qū)的全覆蓋監(jiān)測(cè)。本文利用PS-InSAR技術(shù)，選取2015年6月至2018年7月覆蓋通州區(qū)的24景TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星影像，獲得通州區(qū)高覆蓋率的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究通州區(qū)地面沉降時(shí)空分布特征，以及對(duì)地面沉降引發(fā)的地裂縫次生災(zāi)害的垂向形變特征分析。

1 PS-InSAR技術(shù)

1.1 PS-InSAR技術(shù)原理

PS-InSAR技術(shù)的原理是利用同一地區(qū)的N+1幅SAR影像，選取其中一幅作為主圖像，其余N幅影像作為副圖像，分別與主圖像的永久散射體（如建筑物、橋梁、道路等）對(duì)應(yīng)像素的相位值相減，得到N幅差分干涉圖。每幅差分干涉圖中的每個(gè)像元包含了相位的5個(gè)分量：

其中，φins為像元干涉相位，φdef為雷達(dá)視線向形變相位，φε為DEM誤差引起的地形相位，φatm為大氣延遲相位，φorb為軌道偏差相位，φnoi為由于熱噪聲與配準(zhǔn)過(guò)程造成的誤差分量。通過(guò)PS點(diǎn)連接組成的網(wǎng)絡(luò)和各相位分量的時(shí)空特征，估算大氣誤差、DEM殘差、地表形變以及軌道誤差相位，將各項(xiàng)誤差從差分干涉相位中逐個(gè)分離，最終獲取每個(gè)PS點(diǎn)的地表形變相位。影像經(jīng)差分干涉處理，提取出時(shí)空失相干和大氣延遲誤差在閾值范圍內(nèi)的穩(wěn)定PS點(diǎn)，從而可以獲得連續(xù)、可靠的地表形變信息（Colesanti et al.，2003）。通過(guò)PS-InSAR技術(shù)處理獲取的年均形變速率的精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

1.2 處理流程

采用米蘭理工大學(xué)Daniele Perissin開發(fā)設(shè)計(jì)的SARProZ軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該軟件平臺(tái)主要適用于城市區(qū)域雷達(dá)影像數(shù)據(jù)處理及相關(guān)分析。

其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)選取

2.1 研究區(qū)概況

通州區(qū)地處北京平原東部，位于永定河沖洪積扇與潮白河沖洪積扇的中下部，地表有巨厚的第四系沖積松散沉積物覆蓋。在區(qū)域構(gòu)造上位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北斷坳中（Ⅱ2）大興隆起（Ⅲ7）北東部，牛堡屯-大孫各莊凹陷（Ⅳ17）西部邊沿地帶。區(qū)內(nèi)主要斷裂有南苑-通縣斷裂、夏墊斷裂、張家灣斷裂、宋莊斷裂和姚辛莊斷裂。通州區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙水，100 m以上為潛水和淺層承壓水，100 m以下為深層承壓水。其中，深層承壓水是生活和工業(yè)用水的主要取水層。由于多年的地下水過(guò)度開采，通州區(qū)地下水位持續(xù)呈下降的趨勢(shì)，是誘發(fā)本地地面沉降的主要原因。通州區(qū)地面沉降的危害主要表現(xiàn)為引發(fā)次生災(zāi)害。趙龍等（2017）對(duì)通州區(qū)北部的宋莊地裂縫進(jìn)行了成因機(jī)理研究，認(rèn)為地下水超采導(dǎo)致的地面沉降是其形成和發(fā)展的重要影響因素。宋莊地裂縫對(duì)當(dāng)?shù)卦斐闪朔课葑冃?、地面開裂等破壞，并且對(duì)城市規(guī)劃產(chǎn)生了不可忽視的影響。

2.2 SAR影像選取

選用德國(guó)航空航天中心TerraSAR-X衛(wèi)星拍攝的24景雷達(dá)影像，時(shí)間跨度為2015年6月至2018年7月，利用綜合相關(guān)系數(shù)法，綜合考慮影像獲取時(shí)間間隔、空間基線及多普勒質(zhì)心頻率差異，選擇2017年2月1日影像作為公共主影像，成像模式為條帶式（StripMap），影像極化方式為HH，衛(wèi)星軌道號(hào)為157，影像范圍30 km×50 km，覆蓋通州區(qū)大部，以及與通州相鄰的朝陽(yáng)、大興、順義、北三縣和廊坊部分地區(qū)（圖2），分辨率為3 m×3 m。采用STRM-3數(shù)據(jù)作為主要DEM數(shù)據(jù)，對(duì)配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉，分辨率為90 m。干涉數(shù)據(jù)時(shí)間基線和空間基線分布如圖3所示。

2.3 PS點(diǎn)選取

通州區(qū)開發(fā)程度較高，地表建設(shè)有大量建筑物、混凝土路面和交通軌道，基于建筑材料的物理散射特性，在SAR影像上表現(xiàn)為高相干點(diǎn)目標(biāo)，并可以構(gòu)成二面角、三面角等穩(wěn)定的強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)，均可以識(shí)別為永久散射體。為了避免低相干點(diǎn)帶來(lái)的計(jì)算誤差，在差分干涉圖中，采用幅度離差指數(shù)法選取高相干點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算（Kim et al.，2007）。

通過(guò)對(duì)影像的差分干涉處理，幅度離差指數(shù)的閾值設(shè)為0.85，在研究區(qū)范圍內(nèi)共識(shí)別出PS點(diǎn)224842個(gè)。將選取的PS點(diǎn)與研究區(qū)高分辨率遙感影像疊加可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)PS點(diǎn)主要位于建筑物頂部、道路、橋梁以及鐵路軌道表面（圖4），在城市建筑物密集區(qū)較為集中，PS點(diǎn)密度可以達(dá)到400 個(gè)/km2，全區(qū)PS點(diǎn)平均密度為248 個(gè)/km2，監(jiān)測(cè)密度和覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前已有的常規(guī)監(jiān)測(cè)手段。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 通州區(qū)地面沉降分布特征

對(duì)研究數(shù)據(jù)提取地面變形信息，可以獲得SAR影像時(shí)間序列范圍內(nèi)的年度沉降速率和累計(jì)沉降量分布，如圖5所示。通過(guò)圖5可以看出，在空間尺度上，通州西北部的宋莊、永順、梨園、臺(tái)湖、馬駒橋以及通州城區(qū)地面沉降較為嚴(yán)重，其中沉降速率大于50 mm/a的區(qū)域面積為204.88 km2，大于100 mm/a的區(qū)域面積為34.23 km2;東部和南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地面沉降程度較緩，沉降速率則普遍小于30 mm/a;在時(shí)間尺度上，通州區(qū)每年的沉降區(qū)域和沉降速率變化不大，2016年和2017年的最大沉降速率均為131 mm/a，分別出現(xiàn)在臺(tái)湖鎮(zhèn)中部地區(qū)，2018年最大沉降速率略有增大，為136 mm/a，出現(xiàn)在梨園鎮(zhèn)東部地區(qū)，全部監(jiān)測(cè)時(shí)間序列內(nèi)的累計(jì)最大沉降量為390 mm，出現(xiàn)在臺(tái)湖鎮(zhèn)中部地區(qū)。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

2016—2018年，以200 mm沉降量等值線為界線，在通州西北部劃分出了2個(gè)主要沉降區(qū)，2個(gè)沉降區(qū)以運(yùn)潮減河、北運(yùn)河以及兩河中間地帶為分界，總面積約200 km2。2個(gè)沉降區(qū)內(nèi)又分布著多個(gè)沉降速率較大的沉降漏斗，表現(xiàn)出不均勻沉降的特征。沉降漏斗所在地多為地面建筑密集的城市建成區(qū)、村、鎮(zhèn)中心，人口集中，推斷與這些地區(qū)地下水開采量大有關(guān)。西部沉降區(qū)面積較大，位于通州城區(qū)—梨園—臺(tái)湖一帶，面積約130 km2，其中，以100 mm/a等值線為邊界的沉降漏斗位于通州城區(qū)的北部、中部、東部一帶以及臺(tái)湖鎮(zhèn)中心，最大沉降速率為136 mm/a，位于臺(tái)湖鎮(zhèn)中心附近。北部沉降區(qū)位于永順—宋莊一帶，面積約70 km2，其中，以100 mm/a等值線為邊界的沉降漏斗位于宋莊鎮(zhèn)周邊村以及宋莊鎮(zhèn)中心，最大沉降速率為123 mm/a，位于宋莊鎮(zhèn)北中部。

3.2 宋莊地裂縫垂向形變分析

宋莊地裂縫位置如圖6所示，沿NE-SW向展布，靠近南苑-通縣斷裂且走向一致。在圖6上可以看到，宋莊地裂縫位于多個(gè)沉降漏斗邊緣，地裂縫兩盤距裂縫帶各3 km遠(yuǎn)處為該區(qū)域最大的沉降漏斗中心。NW盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮(zhèn)北中部，最大沉降速率為124 mm/a; SE盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮(zhèn)，最大沉降速率為108 mm/a。

沿宋莊地裂縫走向繪制沉降速率曲線（圖7），可以看出，宋莊地裂縫沿線垂向形變特征表現(xiàn)為裂縫帶由東北向西南垂向形變量逐漸增大，裂縫帶上的沉降速率在31～70 mm/a之間，平均沉降速率為55 mm/a。在地裂縫發(fā)育較為明顯的地段，以0.5 km等間距做8條地裂縫垂直剖面線，裂縫帶位于剖面線中點(diǎn)（圖8），繪制沉降速率曲線（圖9）。通過(guò)圖9可以看出，宋莊地裂縫兩盤與裂縫帶的沉降速率有明顯不同，靠近裂縫帶沉降速率減小，速率曲線坡度增大，沉降梯度呈倒“V”字形分布，在地裂縫位置出現(xiàn)沉降速率峰值（紅色虛線框），表現(xiàn)出顯著的差異性沉降特征。由此可以推斷：地裂縫兩盤的差異性沉降，導(dǎo)致地應(yīng)力在地裂縫位置處集中，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)地層強(qiáng)度極限，地層開裂形成地裂縫。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）PS-InSAR技術(shù)在通州區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中取得較好的應(yīng)用成果。通過(guò)PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：通州區(qū)地面沉降主要集中在西部和北部地區(qū)，沉降速率區(qū)間為50～130 mm/a，并以50 mm/a沉降速率等值線劃分為2個(gè)沉降區(qū)，每個(gè)沉降區(qū)內(nèi)又分布著多個(gè)小的沉降漏斗，在區(qū)域上具有不均勻沉降的特征;東部和南部地區(qū)沉降較緩，沉降速率普遍小于30 mm/a。

（2）宋莊地裂縫走向方向沉降量由東北向西南逐漸增大，裂縫帶上的沉降速率在31～70 mm/a之間，平均沉降速率為55 mm/a。裂縫帶沿線存在多個(gè)小沉降漏斗，地裂縫兩盤距裂縫帶3 km各存在一個(gè)沉降漏斗中心，NW盤沉降漏斗中心位于尹各莊村，最大沉降速率為124 mm/a，SE盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮(zhèn)，最大沉降速率為108 mm/a，垂直裂縫帶方向，沉降梯度呈倒“V”字形分布。

4.2 建議

（1）PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)方法相較于水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量而言，具有經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在城市等地表構(gòu)筑物較多的地區(qū)，還具有穩(wěn)定PS點(diǎn)多、監(jiān)測(cè)密度大的優(yōu)勢(shì)，因此，在地面沉降嚴(yán)重的城市地區(qū)開展利用PS-InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)工作，對(duì)政府部門細(xì)化地面沉降防控政策、優(yōu)化地下水禁限采劃分方案具有積極的指導(dǎo)作用。

（2）地裂縫的形成往往與多種因素相關(guān)聯(lián)，也形成了不同的成因假說(shuō)。其中，差異沉降成因說(shuō)認(rèn)為，不同的地下水資源開采強(qiáng)度和地質(zhì)環(huán)境條件引發(fā)的差異沉降，會(huì)在地層結(jié)合力薄弱部位誘發(fā)地面沉降。InSAR技術(shù)揭示了宋莊地裂縫兩盤存在顯著的沉降梯度變化，差異沉降特征明顯，因此，在宋莊地裂縫成因機(jī)理研究過(guò)程中，不能忽視差異沉降對(duì)地裂縫形成的影響。

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