基于D-InSAR技術(shù)的北京城區(qū)地面沉降監(jiān)測

王彥兵，洪　偉，李小娟，宮輝力，王　旭

(1. 首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，北京 100048；2. 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

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基于D-InSAR技術(shù)的北京城區(qū)地面沉降監(jiān)測

王彥兵1,2，洪偉1,2，李小娟1,2，宮輝力1,2，王旭1,2

(1. 首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，北京 100048；2. 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

差分雷達(dá)干涉測量(D-InSAR)技術(shù)對于城市地面沉降的監(jiān)測具有精度高、連續(xù)監(jiān)測、成本低等特點(diǎn)。本文以北京市區(qū)為例，利用獲取的2010—2012年間15景TerraSAR-X影像進(jìn)行了二軌差分干涉測量，獲取了北京市區(qū)的地表形變圖，研究發(fā)現(xiàn)了此期間北京市地面沉降較為明顯的兩個沉降中心，進(jìn)而分析了地面沉降發(fā)展的趨勢及其形成機(jī)理。試驗(yàn)表明D-InSAR技術(shù)在城市地區(qū)的地面不均勻沉降方面具有明顯優(yōu)勢。

城市地面沉降；D-InSAR技術(shù)；二軌差分

城市地面沉降是目前城市發(fā)展中的主要災(zāi)害之一，是制約城市發(fā)展和威脅城市安全的重要因素之一。北京市自20世紀(jì)60—70年代發(fā)現(xiàn)地面沉降以來，平原地區(qū)地面沉降呈加速發(fā)展的趨勢。目前在東郊八里莊、大郊亭，東北郊來廣營，昌平沙河、八仙莊，大興榆垡、禮賢，順義平各莊等地已經(jīng)形成了5個較大的沉降區(qū)，沉降中心累計(jì)沉降量達(dá)200～500 mm，最嚴(yán)重的地區(qū)地表仍在以30～60 mm/a的速度下沉[1]。來廣營沉降區(qū)西起大屯—太陽宮，東到朝陽區(qū)孫河鎮(zhèn)，南起左家莊—安家樓，北到昌平區(qū)燕丹—沙子營。近年來，其沉降區(qū)范圍仍在持續(xù)擴(kuò)大。

本文以北京市典型沉降區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，利用高分辨率的TerraSAR影像，采用差分雷達(dá)干涉測量(D-InSAR)技術(shù)，提取北京地區(qū)的地面沉降信息，初步揭示其沉降演化趨勢，為北京市地面沉降防治提供決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。

一、地面沉降監(jiān)測方法

目前地面沉降的監(jiān)測方法有地面水準(zhǔn)測量、GPS監(jiān)測網(wǎng)和InSAR檢測技術(shù)等方法。水準(zhǔn)測量是早期用于地面沉降監(jiān)測的主要方法之一，其垂向監(jiān)測精度可達(dá)到亞毫米級。GPS沉降監(jiān)測網(wǎng)具有周期短、精度高、布網(wǎng)自動化等優(yōu)勢。基于InSAR的地面沉降監(jiān)測是一種新型的技術(shù)方法，目前應(yīng)用在逐步推廣。

InSAR發(fā)展于20世紀(jì)后期，可獲取全球的高精度地形和地表形變信息。D-InSAR是根據(jù)合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)的相位信息來提取地表的三維信息及其變化。與常規(guī)地面水準(zhǔn)測量和GPS測量相比，D-InSAR方法監(jiān)測地面沉降精度可達(dá)到1～10 mm，且不需要布設(shè)地面監(jiān)測站即可獲得同一地區(qū)連續(xù)的地表形變信息，具有覆蓋范圍廣、方便迅捷、成本低、空間分辨率高、全天候監(jiān)測等優(yōu)勢。D-InSAR與地面水準(zhǔn)測量、GPS監(jiān)測網(wǎng)相比，在測量精度、監(jiān)測范圍、空間分辨率等方面優(yōu)勢明顯[2]，見表1。

表1　3種地面沉降監(jiān)測方法的比較

近年來國內(nèi)外學(xué)者基于D-InSAR監(jiān)測地面沉降進(jìn)行了大量研究，取得了顯著成果。Olga Sarychikhina利用水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和D-InSAR技術(shù)相結(jié)合監(jiān)測墨西哥地面沉降，研究揭示了沉降受斷層因素的影響[2]；S. Stramondo利用InSAR技術(shù)監(jiān)測了羅馬城市的地面沉降狀況及河流對沉降的影響[3]；Zbigniew Perski監(jiān)測了波蘭地區(qū)鹽礦沉降及其形變機(jī)理，分析結(jié)果證明不同類型沉降的沉降速率不同[4]；Gerardo Herrera利用TerraSAR和Envisat ASAR數(shù)據(jù)的對比分析，揭示出穆爾西亞地區(qū)的沉降機(jī)理[5]；祁彪研究確定了天津武清沉降中心沉降特征及其對京津城際鐵路安全運(yùn)營的影響方式和影響程度, 并提出針對性的防治措施和對策[6]；王帥雁結(jié)合地面沉降量與地下水位變化間的相互關(guān)系，對京滬高速鐵路經(jīng)過地區(qū)的沉降量進(jìn)行了預(yù)測，為高鐵安全運(yùn)營采取處理對策提供了依據(jù)[7]；鄭佳榮、宮輝力針對北京地區(qū)的地面沉降，采用InSAR技術(shù)研究分析了地下水開采與地面沉降的相關(guān)性[8-9]。

二、地面沉降信息提取

隨著北京市建設(shè)步伐的加快，高層和超高層建筑及地鐵道路等工程對地面沉降影響越來越大。本文利用覆蓋北京地區(qū)的2010年4月至2012年2月的分辨率為3 m的15景TerraSAR-X數(shù)據(jù)，采用D-InSAR技術(shù)提取沉降信息，分析地面沉降的變化趨勢及其對城市安全的影響。沉降信息的提取技術(shù)路線如圖1所示，分為圖像配準(zhǔn)、干涉圖像生成、DEM處理、提取地形相位、生成沉降圖等步驟[10]。

圖1　D-InSAR處理流程

1. 數(shù)據(jù)分析

地面沉降監(jiān)測的垂直基線適宜范圍在50～300 m之間[11]，根據(jù)北京地區(qū)SAR影像的空間和時(shí)間相干性及該區(qū)域地面沉降的階段特征，本文首先統(tǒng)計(jì)了15景數(shù)據(jù)之間的空間基線和時(shí)間基線，見表2。選取2010年4月13日的TerraSAR影像為主圖像，其余14景影像為輔圖像進(jìn)行計(jì)算。

表2　D-InSAR干涉對

根據(jù)影像之間的相干性確定干涉像對。本研究區(qū)域城區(qū)植被分布較少，建筑分布范圍廣，數(shù)據(jù)的相干性很高，相干系數(shù)在0.8以上，如圖2(a)所示，20100413影像和20111106影像的相干圖，圖中由灰色到黑色，相干系數(shù)由低到高遞增，圖2(b)為相干圖的正態(tài)分布圖。由此可見多數(shù)點(diǎn)位的相干系數(shù)大于0.8，相干性較好，適于采用差分干涉。

圖2　相干圖及其正態(tài)分布圖

2. D-InSAR技術(shù)監(jiān)測地面沉降結(jié)果

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)處理方法和流程，得到對本研究區(qū)域14個干涉對圖像的D-InSAR監(jiān)測沉降結(jié)果，經(jīng)過精準(zhǔn)地理編碼，獲得2010—2012年14個干涉對所對應(yīng)的沉降圖。前4個干涉對由于時(shí)間基線較短，因此沉降不明顯。干涉對5、6由于垂直基線過大導(dǎo)致降低監(jiān)測精度，沉降圖效果較差。干涉對7～14開始時(shí)間基線均大于365 d，垂直基線也符合監(jiān)測要求，能看出很明顯的地面沉降周期變化，如圖3所示選取的6個有代表性的干涉對圖，圖中一個灰度周期變化代表著2 cm的形變量。

圖3　2010—2012年6對干涉對所對應(yīng)的形變圖

由圖3中干涉對11經(jīng)過差分干涉后得到的形變圖可以清晰地看到，在研究區(qū)內(nèi)存在2個明顯的沉降區(qū)域A和B，區(qū)域A位于東四十條朝陽門一帶，區(qū)域B位于北京站建國門一帶。如圖4所示。

圖4　干涉對解纏后的差分圖

為進(jìn)一步分析地面沉降形成的原因，本文將差分干涉測量得到的地面沉降結(jié)果與北京市地圖在GIS軟件中進(jìn)行疊加分析后，得到北京市城區(qū)沉降圖，如圖5所示。圖中形變量的單位為mm，由灰度的漸變表示沉降量的逐漸改變，由圖可見，東四十條朝陽門地區(qū)和北京站周邊有明顯沉降，兩年的累計(jì)沉降量最大處可達(dá)2 cm左右。經(jīng)實(shí)地考察，東四十條朝陽門地區(qū)在2010—2012年期間有大規(guī)模的地鐵建設(shè)在進(jìn)行，而北京站周邊高層和超高層建筑林立，且有大量的在建項(xiàng)目，這均可能是導(dǎo)致該地區(qū)地面沉降的原因。

圖5　2010—2012年北京市城區(qū)沉降量

三、結(jié)　論

本文基于D-InSAR技術(shù)，利用15景TerraSAR-X數(shù)據(jù)獲取了北京市2010年4月—2012年2月期間的地面沉降信息，并分析得到兩個典型的地面沉降區(qū)域。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，D-InSAR監(jiān)測地面沉降技術(shù)可以準(zhǔn)確地反映出沉降的位置和沉降量，而在城市這種相干性相對好的地區(qū)，排除了植被的干擾，更能夠展示出該技術(shù)在監(jiān)測地面沉降中的適用性、優(yōu)越性和實(shí)用價(jià)值。

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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

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130744)；北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(4102015)；973計(jì)劃前期研究專題課題(2012CB723403)；首都師范大學(xué)文化研究院重點(diǎn)項(xiàng)目(ICS-2013-A-01)

王彥兵(1972—)，男，博士，副教授，主要從事基于InSAR的地面沉降監(jiān)測、三維空間建模研究。E-mail：wyb@cnu.edu.cn

P23

B

0494-0911(2016)05-0066-03

引文格式： 王彥兵，洪偉，李小娟，等. 基于D-InSAR技術(shù)的北京城區(qū)地面沉降監(jiān)測[J].測繪通報(bào)，2016(5)：66-68.