基于D-InSAR技术的北京城区地面沉降监测

2016-09-02王彦兵李小娟宫辉力

测绘通报 2016年5期

关键词：基线差分北京市

王彦兵，洪　伟，李小娟，宫辉力，王　旭

(1. 首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京 100048；2. 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京 100048)

基于D-InSAR技术的北京城区地面沉降监测

王彦兵1,2，洪伟1,2，李小娟1,2，宫辉力1,2，王旭1,2

(1. 首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京 100048；2. 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京 100048)

差分雷达干涉测量(D-InSAR)技术对于城市地面沉降的监测具有精度高、连续监测、成本低等特点。本文以北京市区为例，利用获取的2010—2012年间15景TerraSAR-X影像进行了二轨差分干涉测量，获取了北京市区的地表形变图，研究发现了此期间北京市地面沉降较为明显的两个沉降中心，进而分析了地面沉降发展的趋势及其形成机理。试验表明D-InSAR技术在城市地区的地面不均匀沉降方面具有明显优势。

城市地面沉降；D-InSAR技术；二轨差分

城市地面沉降是目前城市发展中的主要灾害之一，是制约城市发展和威胁城市安全的重要因素之一。北京市自20世纪60—70年代发现地面沉降以来，平原地区地面沉降呈加速发展的趋势。目前在东郊八里庄、大郊亭，东北郊来广营，昌平沙河、八仙庄，大兴榆垡、礼贤，顺义平各庄等地已经形成了5个较大的沉降区，沉降中心累计沉降量达200～500 mm，最严重的地区地表仍在以30～60 mm/a的速度下沉[1]。来广营沉降区西起大屯—太阳宫，东到朝阳区孙河镇，南起左家庄—安家楼，北到昌平区燕丹—沙子营。近年来，其沉降区范围仍在持续扩大。

本文以北京市典型沉降区域为研究对象，利用高分辨率的TerraSAR影像，采用差分雷达干涉测量(D-InSAR)技术，提取北京地区的地面沉降信息，初步揭示其沉降演化趋势，为北京市地面沉降防治提供决策支持数据。

一、地面沉降监测方法

目前地面沉降的监测方法有地面水准测量、GPS监测网和InSAR检测技术等方法。水准测量是早期用于地面沉降监测的主要方法之一，其垂向监测精度可达到亚毫米级。GPS沉降监测网具有周期短、精度高、布网自动化等优势。基于InSAR的地面沉降监测是一种新型的技术方法，目前应用在逐步推广。

InSAR发展于20世纪后期，可获取全球的高精度地形和地表形变信息。D-InSAR是根据合成孔径雷达复数据的相位信息来提取地表的三维信息及其变化。与常规地面水准测量和GPS测量相比，D-InSAR方法监测地面沉降精度可达到1～10 mm，且不需要布设地面监测站即可获得同一地区连续的地表形变信息，具有覆盖范围广、方便迅捷、成本低、空间分辨率高、全天候监测等优势。D-InSAR与地面水准测量、GPS监测网相比，在测量精度、监测范围、空间分辨率等方面优势明显[2]，见表1。

表1　3种地面沉降监测方法的比较

近年来国内外学者基于D-InSAR监测地面沉降进行了大量研究，取得了显著成果。Olga Sarychikhina利用水准数据和D-InSAR技术相结合监测墨西哥地面沉降，研究揭示了沉降受断层因素的影响[2]；S. Stramondo利用InSAR技术监测了罗马城市的地面沉降状况及河流对沉降的影响[3]；Zbigniew Perski监测了波兰地区盐矿沉降及其形变机理，分析结果证明不同类型沉降的沉降速率不同[4]；Gerardo Herrera利用TerraSAR和Envisat ASAR数据的对比分析，揭示出穆尔西亚地区的沉降机理[5]；祁彪研究确定了天津武清沉降中心沉降特征及其对京津城际铁路安全运营的影响方式和影响程度, 并提出针对性的防治措施和对策[6]；王帅雁结合地面沉降量与地下水位变化间的相互关系，对京沪高速铁路经过地区的沉降量进行了预测，为高铁安全运营采取处理对策提供了依据[7]；郑佳荣、宫辉力针对北京地区的地面沉降，采用InSAR技术研究分析了地下水开采与地面沉降的相关性[8-9]。

二、地面沉降信息提取

随着北京市建设步伐的加快，高层和超高层建筑及地铁道路等工程对地面沉降影响越来越大。本文利用覆盖北京地区的2010年4月至2012年2月的分辨率为3 m的15景TerraSAR-X数据，采用D-InSAR技术提取沉降信息，分析地面沉降的变化趋势及其对城市安全的影响。沉降信息的提取技术路线如图1所示，分为图像配准、干涉图像生成、DEM处理、提取地形相位、生成沉降图等步骤[10]。

图1　D-InSAR处理流程

1. 数据分析

地面沉降监测的垂直基线适宜范围在50～300 m之间[11]，根据北京地区SAR影像的空间和时间相干性及该区域地面沉降的阶段特征，本文首先统计了15景数据之间的空间基线和时间基线，见表2。选取2010年4月13日的TerraSAR影像为主图像，其余14景影像为辅图像进行计算。

表2　D-InSAR干涉对

根据影像之间的相干性确定干涉像对。本研究区域城区植被分布较少，建筑分布范围广，数据的相干性很高，相干系数在0.8以上，如图2(a)所示，20100413影像和20111106影像的相干图，图中由灰色到黑色，相干系数由低到高递增，图2(b)为相干图的正态分布图。由此可见多数点位的相干系数大于0.8，相干性较好，适于采用差分干涉。

图2　相干图及其正态分布图

2. D-InSAR技术监测地面沉降结果

根据图1数据处理方法和流程，得到对本研究区域14个干涉对图像的D-InSAR监测沉降结果，经过精准地理编码，获得2010—2012年14个干涉对所对应的沉降图。前4个干涉对由于时间基线较短，因此沉降不明显。干涉对5、6由于垂直基线过大导致降低监测精度，沉降图效果较差。干涉对7～14开始时间基线均大于365 d，垂直基线也符合监测要求，能看出很明显的地面沉降周期变化，如图3所示选取的6个有代表性的干涉对图，图中一个灰度周期变化代表着2 cm的形变量。

图3　2010—2012年6对干涉对所对应的形变图

由图3中干涉对11经过差分干涉后得到的形变图可以清晰地看到，在研究区内存在2个明显的沉降区域A和B，区域A位于东四十条朝阳门一带，区域B位于北京站建国门一带。如图4所示。

图4　干涉对解缠后的差分图

为进一步分析地面沉降形成的原因，本文将差分干涉测量得到的地面沉降结果与北京市地图在GIS软件中进行叠加分析后，得到北京市城区沉降图，如图5所示。图中形变量的单位为mm，由灰度的渐变表示沉降量的逐渐改变，由图可见，东四十条朝阳门地区和北京站周边有明显沉降，两年的累计沉降量最大处可达2 cm左右。经实地考察，东四十条朝阳门地区在2010—2012年期间有大规模的地铁建设在进行，而北京站周边高层和超高层建筑林立，且有大量的在建项目，这均可能是导致该地区地面沉降的原因。

图5　2010—2012年北京市城区沉降量

三、结　论

本文基于D-InSAR技术，利用15景TerraSAR-X数据获取了北京市2010年4月—2012年2月期间的地面沉降信息，并分析得到两个典型的地面沉降区域。试验研究结果表明，D-InSAR监测地面沉降技术可以准确地反映出沉降的位置和沉降量，而在城市这种相干性相对好的地区，排除了植被的干扰，更能够展示出该技术在监测地面沉降中的适用性、优越性和实用价值。

[1]北京市地质矿产勘查开发局, 北京市水文地质工程地质大队. 北京市地下水[M]. 北京: 中国大地出版社, 2008.

[2]SARYCHIKHINA O, GLOWACKA E, MELLORS R, et al. Land Subsidence in the Cerro Prieto Geothermal Field, Baja California, Mexico, from 1994 to 2005 An Integrated Analysis of D-InSAR, Leveling and Geological Data[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2011, 204(1):76-90.

[3]STRAMONDO S, BOZZANO F, MARRA F, et al. Subsidence Induced by Urbanisation in the City of Rome Detected by Advanced InSAR Technique and Geotechnical Investigations[J]. Remote Sensing of Environment, 2008, 112(6): 3160-3172.

[4]PERSKI Z, HANSSEN R, WOJCIK A, et al. InSAR Analyses of Terrain Deformation near the Wieliczka Salt Mine, Poland[J]. Engineering Geology, 2009, 106(1):58-67.

[5]HERRERAG,TOMSR,MONELLSD,etal.AnalysisofSubsidenceUsingTerraSAR-XData:MurciaCaseStudy[J].EngineeringGeology, 2010, 116(3): 284-295.

[6]祁彪, 杨立中, 贺玉龙. 地面沉降对京津城际铁路影响初析[J].西部探矿工程, 2010, 22(7): 187-188.

[7]王帅雁. 京沪高DK119_DK12 段地面沉降与地下水水位变化关系研究[D]. 西安：西安交通大学，2011.

[8]宫辉力, 张有全, 李小娟，等. 基于永久散射体雷达干涉测量技术的北京市地面沉降研究[J].自然科学进展, 2009, 19(11): 1261-1266.

[9]郑佳荣, 宫辉力, 李青元, 等. 基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原区沉降控制因素分析[J]. 测绘通报, 2014(S2): 13-16.

[10]范洪冬, 邓喀中, 薛继群, 等. 利用时序SAR影像集监测开采沉陷的试验研究[J].煤矿安全，2011, 42(2):15-18.

[11]何秀凤, 何敏.InSAR对地观测数据处理方法与综合测量[M]. 北京：科学出版社，2012.

Monitoring of Land Subsidence in Beijing Based on D-InSAR

WANG Yanbing,HONG Wei,LI Xiaojuan,GONG Huili,WANG Xu

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0157.

2015-06-11

国家自然科学基金重点项目(41130744)；北京市自然科学基金面上项目(4102015)；973计划前期研究专题课题(2012CB723403)；首都师范大学文化研究院重点项目(ICS-2013-A-01)