PS-InSAR技术在北京通州区地面沉降监测中的应用

孔祥如 罗勇 刘贺 王新惠 赵龙 沙特

摘 要：地面沉降是通州区重要地质灾害，由此引发的地裂缝次生灾害现象严重影响通州区的发展建设。以TerraSAR-X卫星影像为数据基础，采用永久散射体干涉测量（PS-InSAR）技术获取通州区地面沉降2015—2018年监测数据，分析了通州区地面沉降时空分布特征以及地裂缝次生灾害的垂向形变特征。结果表明：（1）通州区地面沉降主要集中在西部和北部地区，形成了以通州城区—梨园—台湖为中心的西部沉降区和以永顺—宋庄为中心的北部沉降区，每个沉降区内又分布着多个小的沉降漏斗，在区域上具有不均匀沉降的特征;（2）宋庄地裂缝两盘各存在一个沉降漏斗中心，裂缝带沿线存在多个小沉降漏斗，由裂缝带向两侧沉降量逐渐增大，垂直裂缝带方向存在显著的沉降梯度变化，差异沉降特征明显，建议在宋庄地裂缝成因机理研究过程中考虑差异沉降对地裂缝形成的影响。

关键词：地面沉降;监测技术;永久散射体干涉测量;通州区;地裂缝

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发导致的地面沉降，是制约城市可持续发展不可忽视的因素之一。为了预防和控制地面沉降，有必要对地面沉降进行长期有效的监测（殷跃平等，2005）。传统的地面沉降监测方法包括水准测量、基岩标-分层标组测量，20世纪90年代，GPS测量技术也开始应用于地面沉降监测（刘明坤等，2012）。但是，上述监测方法不仅运行成本高、观测周期长，而且建设测量设施需要占用一定场地，在用地紧张的人口密集城市难以实现全区域覆盖（许言等，2017）。依靠卫星大地测量技术发展起来的合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术克服了上述问题。其中，差分合成孔径雷达干涉测量技术（D-InSAR）以其大范围、高精度、高时空分辨率获取面状分布的地表形变信息的优势，在地震、火山运动、冰川运移、地面沉降等地表形变监测领域得到成功应用（何秀凤等，2011）。在D-InSAR的基础上，Ferretti等（2000;2001）提出了永久散射体干涉测量技术（PS-InSAR），该技术的核心是通过识别永久散射体（PS点），获取PS点处相对稳定可靠的形变估算结果，克服了传统差分干涉测量D-InSAR技术中大气延时因素的影响，提高了InSAR 技术在形变监测中的可靠性。

2012年，通州区被确立为北京城市副中心，承担着调整优化北京城市空间格局、疏解中心区过多功能、治理“大城市病”、拓展城市新空间、推动京津冀协同发展的重要使命。通州区地面沉降在20世纪80年代就有记录，多年的地下水超采使地面沉降量不断增加，截止到2017年，通州区最大累计沉降量已超过1200 mm（北京市水文地质工程地质大队，2018）。加之随着副中心的建设，建筑群将呈现高层、密集的特征，城市建筑物荷载对地面沉降的影响也将加剧。因此，提升通州地区地面沉降监测能力，对治理地面沉降、保障副中心地质安全以及指导副中心合理规划具有重要意义。目前，通州区地面沉降监测主要依靠数量有限的地上监测设施，无法实现对通州区的全覆盖监测。本文利用PS-InSAR技术，选取2015年6月至2018年7月覆盖通州区的24景TerraSAR-X雷达卫星影像，获得通州区高覆盖率的地面沉降监测数据，研究通州区地面沉降时空分布特征，以及对地面沉降引发的地裂缝次生灾害的垂向形变特征分析。

1 PS-InSAR技术

1.1 PS-InSAR技术原理

PS-InSAR技术的原理是利用同一地区的N+1幅SAR影像，选取其中一幅作为主图像，其余N幅影像作为副图像，分别与主图像的永久散射体（如建筑物、桥梁、道路等）对应像素的相位值相减，得到N幅差分干涉图。每幅差分干涉图中的每个像元包含了相位的5个分量：

其中，φins为像元干涉相位，φdef为雷达视线向形变相位，φε为DEM误差引起的地形相位，φatm为大气延迟相位，φorb为轨道偏差相位，φnoi为由于热噪声与配准过程造成的误差分量。通过PS点连接组成的网络和各相位分量的时空特征，估算大气误差、DEM残差、地表形变以及轨道误差相位，将各项误差从差分干涉相位中逐个分离，最终获取每个PS点的地表形变相位。影像经差分干涉处理，提取出时空失相干和大气延迟误差在阈值范围内的稳定PS点，从而可以获得连续、可靠的地表形变信息（Colesanti et al.，2003）。通过PS-InSAR技术处理获取的年均形变速率的精度可以达到毫米级。

1.2 处理流程

采用米兰理工大学Daniele Perissin开发设计的SARProZ软件平台进行数据处理，该软件平台主要适用于城市区域雷达影像数据处理及相关分析。

其数据处理流程如图1所示。

2 数据选取

2.1 研究区概况

通州區地处北京平原东部，位于永定河冲洪积扇与潮白河冲洪积扇的中下部，地表有巨厚的第四系冲积松散沉积物覆盖。在区域构造上位于中朝准地台华北断坳中（Ⅱ2）大兴隆起（Ⅲ7）北东部，牛堡屯-大孙各庄凹陷（Ⅳ17）西部边沿地带。区内主要断裂有南苑-通县断裂、夏垫断裂、张家湾断裂、宋庄断裂和姚辛庄断裂。通州区地下水类型主要为第四系松散层孔隙水，100 m以上为潜水和浅层承压水，100 m以下为深层承压水。其中，深层承压水是生活和工业用水的主要取水层。由于多年的地下水过度开采，通州区地下水位持续呈下降的趋势，是诱发本地地面沉降的主要原因。通州区地面沉降的危害主要表现为引发次生灾害。赵龙等（2017）对通州区北部的宋庄地裂缝进行了成因机理研究，认为地下水超采导致的地面沉降是其形成和发展的重要影响因素。宋庄地裂缝对当地造成了房屋变形、地面开裂等破坏，并且对城市规划产生了不可忽视的影响。

2.2 SAR影像选取

选用德国航空航天中心TerraSAR-X卫星拍摄的24景雷达影像，时间跨度为2015年6月至2018年7月，利用综合相关系数法，综合考虑影像获取时间间隔、空间基线及多普勒质心频率差异，选择2017年2月1日影像作为公共主影像，成像模式为条带式（StripMap），影像极化方式为HH，卫星轨道号为157，影像范围30 km×50 km，覆盖通州区大部，以及与通州相邻的朝阳、大兴、顺义、北三县和廊坊部分地区（图2），分辨率为3 m×3 m。采用STRM-3数据作为主要DEM数据，对配准后的数据进行差分干涉，分辨率为90 m。干涉数据时间基线和空间基线分布如图3所示。

2.3 PS点选取

通州区开发程度较高，地表建设有大量建筑物、混凝土路面和交通轨道，基于建筑材料的物理散射特性，在SAR影像上表现为高相干点目标，并可以构成二面角、三面角等稳定的强散射结构，均可以识别为永久散射体。为了避免低相干点带来的计算误差，在差分干涉图中，采用幅度离差指数法选取高相干点进行计算（Kim et al.，2007）。

通过对影像的差分干涉处理，幅度离差指数的阈值设为0.85，在研究区范围内共识别出PS点224842个。将选取的PS点与研究区高分辨率遥感影像叠加可以发现，研究区PS点主要位于建筑物顶部、道路、桥梁以及铁路轨道表面（图4），在城市建筑物密集区较为集中，PS点密度可以达到400 个/km2，全区PS点平均密度为248 个/km2，监测密度和覆盖范围远远大于目前已有的常规监测手段。

3 监测结果分析

3.1 通州区地面沉降分布特征

对研究数据提取地面变形信息，可以获得SAR影像时间序列范围内的年度沉降速率和累计沉降量分布，如图5所示。通过图5可以看出，在空间尺度上，通州西北部的宋庄、永顺、梨园、台湖、马驹桥以及通州城区地面沉降较为严重，其中沉降速率大于50 mm/a的区域面积为204.88 km2，大于100 mm/a的区域面积为34.23 km2;东部和南部乡镇地面沉降程度较缓，沉降速率则普遍小于30 mm/a;在时间尺度上，通州区每年的沉降区域和沉降速率变化不大，2016年和2017年的最大沉降速率均为131 mm/a，分别出现在台湖镇中部地区，2018年最大沉降速率略有增大，为136 mm/a，出现在梨园镇东部地区，全部监测时间序列内的累计最大沉降量为390 mm，出现在台湖镇中部地区。具体统计结果见表1。

2016—2018年，以200 mm沉降量等值线为界线，在通州西北部划分出了2个主要沉降区，2个沉降区以运潮减河、北运河以及两河中间地带为分界，总面积约200 km2。2个沉降区内又分布着多个沉降速率较大的沉降漏斗，表现出不均匀沉降的特征。沉降漏斗所在地多为地面建筑密集的城市建成区、村、镇中心，人口集中，推断与这些地区地下水开采量大有关。西部沉降区面积较大，位于通州城区—梨园—台湖一带，面积约130 km2，其中，以100 mm/a等值线为边界的沉降漏斗位于通州城区的北部、中部、东部一带以及台湖镇中心，最大沉降速率为136 mm/a，位于台湖镇中心附近。北部沉降区位于永顺—宋庄一带，面积约70 km2，其中，以100 mm/a等值线为边界的沉降漏斗位于宋庄镇周边村以及宋庄镇中心，最大沉降速率为123 mm/a，位于宋庄镇北中部。

3.2 宋庄地裂缝垂向形变分析

宋庄地裂缝位置如图6所示，沿NE-SW向展布，靠近南苑-通县断裂且走向一致。在图6上可以看到，宋庄地裂缝位于多个沉降漏斗边缘，地裂缝两盘距裂缝带各3 km远处为该区域最大的沉降漏斗中心。NW盘沉降漏斗中心位于宋庄镇北中部，最大沉降速率为124 mm/a; SE盘沉降漏斗中心位于宋庄镇，最大沉降速率为108 mm/a。

沿宋庄地裂缝走向绘制沉降速率曲线（图7），可以看出，宋庄地裂缝沿线垂向形变特征表现为裂缝带由东北向西南垂向形变量逐渐增大，裂缝带上的沉降速率在31～70 mm/a之间，平均沉降速率为55 mm/a。在地裂缝发育较为明显的地段，以0.5 km等间距做8条地裂缝垂直剖面线，裂缝带位于剖面线中点（图8），绘制沉降速率曲线（图9）。通过图9可以看出，宋庄地裂缝两盘与裂缝带的沉降速率有明显不同，靠近裂缝带沉降速率减小，速率曲线坡度增大，沉降梯度呈倒“V”字形分布，在地裂缝位置出现沉降速率峰值（红色虚线框），表现出显著的差异性沉降特征。由此可以推断：地裂缝两盘的差异性沉降，导致地应力在地裂缝位置处集中，当应力值超过地层强度极限，地层开裂形成地裂缝。

4 结论及建议

4.1 结论

（1）PS-InSAR技术在通州区地面沉降监测中取得较好的应用成果。通过PS-InSAR技术监测发现：通州区地面沉降主要集中在西部和北部地区，沉降速率区间为50～130 mm/a，并以50 mm/a沉降速率等值线划分为2个沉降区，每个沉降区内又分布着多个小的沉降漏斗，在区域上具有不均匀沉降的特征;东部和南部地区沉降较缓，沉降速率普遍小于30 mm/a。

（2）宋庄地裂缝走向方向沉降量由东北向西南逐渐增大，裂缝带上的沉降速率在31～70 mm/a之间，平均沉降速率为55 mm/a。裂缝带沿线存在多个小沉降漏斗，地裂缝两盘距裂缝带3 km各存在一个沉降漏斗中心，NW盘沉降漏斗中心位于尹各庄村，最大沉降速率为124 mm/a，SE盘沉降漏斗中心位于宋庄镇，最大沉降速率为108 mm/a，垂直裂缝带方向，沉降梯度呈倒“V”字形分布。

4.2 建议

（1）PS-InSAR技术监测方法相较于水准测量和GPS测量而言，具有经济性、时效性等优点，尤其是在城市等地表构筑物较多的地区，还具有稳定PS点多、监测密度大的优势，因此，在地面沉降严重的城市地区开展利用PS-InSAR技术的地面沉降监测工作，对政府部门细化地面沉降防控政策、优化地下水禁限采划分方案具有积极的指导作用。

（2）地裂缝的形成往往与多种因素相关联，也形成了不同的成因假说。其中，差异沉降成因说认为，不同的地下水资源开采强度和地质环境条件引发的差异沉降，会在地层结合力薄弱部位诱发地面沉降。InSAR技术揭示了宋庄地裂缝两盘存在显著的沉降梯度变化，差異沉降特征明显，因此，在宋庄地裂缝成因机理研究过程中，不能忽视差异沉降对地裂缝形成的影响。

参考文献：

北京市水文地质工程地质大队，2018. 北京市地面沉降监测年度报告[R].

何秀凤，仲海蓓，何敏，2011. 基于PS-InSAR和GIS空间分析的南通市区地面沉降监测[J]. 同济大学学报（自然科学版），39（1）：129-134.

刘明坤，贾三满，褚宏亮，2012. 北京市地面沉降监测系统及技术方法[J]. 地质与资源，21（2）：244-249.

许言，杨天亮，焦，吴建中，2017. 上海地面沉降监测技术应用实践[J].，上海国土资源，38（2）：31-34.

殷跃平，张作辰，张开军，2005. 我国地面沉降现状及防治对策研究[J].，中国地质灾害与防治学报（2）：1-8.

赵龙，李玉梅，崔文君，等，2018. 北京宋庄地裂缝灾害特征及影响因素分析[J].，工程地质学报，26（6）：1600-1610.

COLESANTI C， FERRETTI A， PRATI C， et al.， 2003. Monitoring landslides and tectonic motions with the Permanent Scatterers Technique[J]. Engineering Geology， 68（1-2）：3-14.

FERRETTI A， PRATI C， ROCCA F， 2000. Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 38（9） ： 2202-2212.

FERRETTI A， PRATI C， ROCCA F， 2001. Permanent scatterers in SAR interferometry [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 39（1） ：8-20.

KIM J S， KIM D J， KIM S W， et al.， 2007. Monitoring of urban land surface subsidence using PSInSAR[J]. Geoences Journal， 11（1）：59-73.