雄安新區(qū)2012～2016年地面沉降InSAR監(jiān)測

張永紅，劉 冰,2，吳宏安，程 霞,3，康永輝

(1.中國測繪科學(xué)研究院攝影測量與遙感研究所，北京 100830； 2.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引 言

2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)通知，決定設(shè)立河北雄安新區(qū)。雄安新區(qū)是繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后又一具有全國意義的新區(qū)，是千年大計、國家大事。雄安新區(qū)被明確要建設(shè)成為綠色生態(tài)宜居新城區(qū)、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展引領(lǐng)區(qū)、協(xié)調(diào)發(fā)展示范區(qū)、開放發(fā)展先行區(qū)[1]。雄安新區(qū)的環(huán)境承載容量是關(guān)乎其歷史使命能否實現(xiàn)的重要因素。

雄安新區(qū)地處京津保腹地，位于華北平原中心。華北平原因長期地下水超采是世界上地面沉降漏斗最大、沉降覆蓋面積最大的地區(qū)[2]。雄安新區(qū)的地面沉降狀況是評估其環(huán)境承載容量的重要因子。已發(fā)表的地面沉降研究文獻中完整覆蓋雄安新區(qū)的主要有葛大慶等[3]及張永紅等[4]。前者展示了中國中東部地區(qū)2012年1月至2015年10月RADARSAT-2影像的地面沉降速率圖，該圖比例尺較小，顯示了華北平原大的沉降中心分布，但缺乏相關(guān)地面沉降狀況的定量描述[3]。后者利用ERS、ENVISAT、RADARSAT-2多顆衛(wèi)星時序SAR數(shù)據(jù)研究了京津冀地區(qū)1992～2014年的地面沉降，給出了京津冀平原區(qū)(包括雄安新區(qū))2012年2月至2014年7月的沉降速率圖[4]，但對雄安新區(qū)地面沉降沒有專門的論述。Zhu等對更早時段也有研究[5-7]，但研究區(qū)都在雄安新區(qū)外圍。中國地質(zhì)調(diào)查局在最新公布的雄安新區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)論中指出“區(qū)內(nèi)場地穩(wěn)定性和工程建設(shè)適宜性總體較好，…，但應(yīng)關(guān)注地面沉降問題”[8]。由此可見，地面沉降對雄安新區(qū)的建設(shè)有直接影響，但從公開發(fā)布的文獻資料來看，目前針對雄安新區(qū)地面沉降的專門研究還是空白。

本文以2012年1月至2016年11月獲取的28期RADARSAT-2影像為遙感數(shù)據(jù)源，采用自主研發(fā)的多主影像相干目標小基線InSAR(MCTSB-InSAR)技術(shù)[4,9]，提取了雄安新區(qū)在該時段內(nèi)的平均沉降速率和時間序列累計沉降量，分析了該區(qū)域的地面沉降原因，對該區(qū)域地面沉降危險性進行了評價，以期揭示雄安新區(qū)較詳細的地面沉降狀況。

1 SAR數(shù)據(jù)

本研究使用了28期時間序列RADARSAT-2寬模式影像，數(shù)據(jù)格式為單視復(fù)數(shù)據(jù)(SLC數(shù)據(jù))，像元大小分別為11.83 m(距離向)和5.21 m(方位向)，雷達波中心入射角約為26.2°。影像的獲取時間跨度從2012年1月28日至2016年11月14日，RADARSAT-2影像時空基線參數(shù)見表1。影像覆蓋區(qū)面積約為170 km×155 km，包括天津南部，河北滄州、衡水、保定、廊坊部分區(qū)域(圖1)。圖1中方框為RADARSAT-2影像覆蓋區(qū)，以Landsat TM影像為背景。為了降低斑點噪聲，增加相干性，對單視復(fù)數(shù)據(jù)做了5×1的多視處理，多視處理后像元大小為25 m(距離向)和25 m(方位向)。本文選用了30 m格網(wǎng)間距的SRTM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)去除地形相位。另外，從天津市測繪院獲取了研究區(qū)內(nèi)天津市域2012～2015年154個水準點的觀測數(shù)據(jù)，用于精度評價。水準點分布位置見圖1。

表1 RADARSAT-2影像時空基線參數(shù)Tab.1 Spatial and Temporal Baselines of RADARSAT-2 Images

圖1 雄安新區(qū)地理位置Fig.1 Location of Xiong’an New Area

2 數(shù)據(jù)處理

MCTSB-InSAR技術(shù)主要包括小基線干涉像對選擇、高相干點提取、高相干點網(wǎng)絡(luò)連接和形變參數(shù)反演4個主要步驟。在此僅介紹本文數(shù)據(jù)的處理過程，更多細節(jié)請參閱文獻[4]和[9]。

圖2 干涉像對連接圖Fig.2 Connections of Interferograms

在干涉像對選擇方面，依據(jù)影像集的時空基線分布狀況，以干涉像對連接圖必須連通[4]和干涉相干性最優(yōu)為原則，確定了干涉像對的時間基線不超過180 d、垂直基線小于250 m的時空基線閾值，共形成了66個干涉像對(圖2)。本文采用平均相干系數(shù)、幅度離差[9]、平均幅度等參數(shù)閾值原則，共提取了約6.78×105個高相干點，這些高相干目標主要分布在建筑物、道路、橋梁、鐵路及公共設(shè)施等地物上。對于提取的高相干點，采用局部Delaunay三角網(wǎng)連接[10]，分塊大小為2 074×1 978，重疊度為50個像元，共得到4 509 200邊。

將地表形變分解為線性形變(主形變)和非線性殘余形變，對第i幅干涉圖上兩相鄰高相干點(設(shè)為m、n)構(gòu)成的邊上干涉相位差可表示為

Δφm,n(Ti)=Δδm,n(Ti)+Δβm,n(Ti)+

Δαm,n(Ti)+ΔNm,n(Ti)

(1)

(2)

為求解未知數(shù)Δhm,n與Δvm,n，建立模型相干系數(shù)方程[10-11]。其表達式為

(3)

式中：γm,n為相鄰高相干點的模型相干系數(shù)；M為干涉圖數(shù)目；j為中間參數(shù)。

式(3)中模型相干系數(shù)γm,n取得最大值的高程誤差之差與線性形變速率之差為正確解。求解這兩個參數(shù)的方法有二維周期圖法[12]或空間搜索法[13-14]。對Delaunay三角網(wǎng)上所有邊完成最大化求解后，將γm,n≥0.7的邊作為可靠的連接關(guān)系，并將模型相干系數(shù)γm,n作為權(quán)值，利用某一參考點的線性形變速率和高程誤差，采用加權(quán)最小二乘方法解算得到各高相干點上線性形變速率和高程誤差的絕對量。從差分干涉相位中去除高相干點的線性形變相位和高程誤差相位，得到高相干點的殘余相位，包括大氣影響相位、非線性形變相位以及噪聲相位。根據(jù)殘余相位3個分量的不同時空頻譜特征，利用時空域的濾波方法可以將三者分離出來[12]，并得到每個SAR成像時刻對應(yīng)的非線性形變(以第一期影像為時間參考)。將線性形變和非線性形變累加到一起，可以得到每個時刻的雷達視線方向(LOS)形變量。為了方便和水準數(shù)據(jù)進行比較，假設(shè)沉降是地面形變的主要分量，將雷達視線方向形變量轉(zhuǎn)化為垂向沉降量。轉(zhuǎn)化公式為

(4)

式中：dV為垂向沉降量；dR為雷達視線方向形變量；θ為雷達視線入射角。

3 結(jié)果分析

3.1 周邊區(qū)域的地面沉降

通過MCTSB-InSAR技術(shù)提取了整景SAR RADARSAT-2影像覆蓋區(qū)2012年1月至2016年11月平均沉降速率信息(圖3)，圖3中正值代表地面抬升，負值代表地面沉降。整個區(qū)域內(nèi)最大沉降速率為每年184 mm，位于河北省廊坊市勝芳鎮(zhèn)；與廊坊市沉降中心相鄰的是天津市武清區(qū)王慶坨鎮(zhèn)的沉降漏斗，最大沉降速率為每年181 mm；河北平原的保定東南部、衡水北部及滄州西部有連接成片的大面積沉降帶，沉降速率大都在每年45 mm以上。相對而言，雄安新區(qū)大部分區(qū)域的沉降速率在每年40 mm以內(nèi)。

將本文RADARSAT-2影像覆蓋區(qū)監(jiān)測結(jié)果與相關(guān)文獻進行了比較。張玲等研究了河北滄州地區(qū)2012年地面沉降速率，指出滄州西部存在任丘—肅寧沉降帶，肅寧最大沉降速率超過每年100 mm[15]；從本文監(jiān)測結(jié)果來看，任丘、肅寧是滄州西部的主要沉降中心，肅寧2012～2016年最大沉降速率為每年89 mm，這可能暗示2012年后肅寧地面沉降有所減緩。Zhu等利用2009年3月至2013年3月的TerraSAR-X影像獲取了天津西部沉降信息，其中最大沉降速率出現(xiàn)在王慶坨鎮(zhèn)，為每年137 mm[5]；唐嘉等利用2007年1月至2010年10月的PALSAR影像和2007年2月至2009年6月的ASAR影像分別提取了勝芳鎮(zhèn)和王慶坨鎮(zhèn)的沉降速率，勝芳鎮(zhèn)最大沉降速率為每年206.9 mm(PALSAR影像)、211.6 mm(ASAR影像)，王慶坨鎮(zhèn)最大沉降速率為每年120.2 mm(PALSAR影像)、125.5 mm(ASAR影像)[7]；本文結(jié)果顯示，2012～2016年勝芳鎮(zhèn)和王慶坨鎮(zhèn)的最大沉降速率分別為每年184、181 mm。比較三者，雖然時間范圍不一致，但都顯示勝芳鎮(zhèn)和王慶坨鎮(zhèn)是該地區(qū)沉降最嚴重的區(qū)域，進而可以推斷勝芳鎮(zhèn)沉降2010年以后呈現(xiàn)一定程度的減緩，王慶坨鎮(zhèn)沉降在2013年以后加劇?？傮w來說，這些用不同時段不同衛(wèi)星SAR影像提取的沉降信息顯示了較好的一致性，這也從側(cè)面驗證了本文研究結(jié)果的可靠性。

圖3 SAR RADARSAT-2影像覆蓋區(qū)2012年1月至2016年11月平均沉降速率Fig.3 Average Subsidence Rates Derived from SAR RADARSAT-2 Image from January 2012 to November 2016

圖4 85個水準點與最鄰近高相干點的沉降速率差值直方圖Fig.4 Histogram of 85 Difference Values of Subsidence Rates Derived from InSAR and Levelling Measurement

利用從天津市測繪院獲取的154個水準數(shù)據(jù)對MCTSB-InSAR技術(shù)獲取的地面沉降結(jié)果進行精度檢驗。這些水準點的分布見圖1，天津市測繪院每年第四季度(10月至12月)施測一次。需要說明的是，本文使用的154個水準數(shù)據(jù)為2012～2015年的，與SAR數(shù)據(jù)的獲取時段并不完全重合，對精度評估會有一定影響。將水準點逐年的沉降量累加然后除以時間，得到2011～2015年的平均沉降速率，然后選擇那些半徑80 m范圍內(nèi)有至少一個高相干點的水準點，將水準點的平均沉降速率與最鄰近高相干點的線性沉降速率進行對比。這樣的水準點共85個，二者沉降速率差值直方圖分布見圖4，其中絕大部分的差值在每年[-5 mm，5 mm]區(qū)間內(nèi)，差值絕對值超過每年8 mm的點共有9個。分析發(fā)現(xiàn)，這些差值較大點上的沉降速率均在每年75 mm以上。造成這些點上InSAR監(jiān)測與水準測量結(jié)果相差較大的原因除前述的觀測時段不一致外，水準測量本身的時點誤差也是重要因素。據(jù)了解，天津測繪院的水準測量每年大約從10月開始，12月底結(jié)束，全部完成后要經(jīng)過一次平差處理，對某個水準點而言，它的測量時刻有約2個月的時差，對于沉降速率較大的情況，2個月的時差將對水準測量的沉降速率估算產(chǎn)生較大影響。差值的平均值已用于圖3所示的沉降速率的標定，差值的標準差為每年5.2 mm，表明MCTSB-InSAR技術(shù)反演的沉降速率精度較高。

3.2 地面沉降狀況

圖5 2012年1月至2016年11月平均沉降速率Fig.5 Average Subsidence Rates from January 2012 to November 2016

圖6 2012年1月至2013年8月累計沉降量序列Fig.6 Sequence of Accumulative Subsidence from January 2012 to August 2013

圖8 2012年1月至2016年11月累計沉降量序列Fig.8 Sequence of Accumulative Subsidence from January 2012 to November 2016

將RADARSAT-2影像覆蓋區(qū)內(nèi)的雄安新區(qū)(包括雄縣、容城縣、安新縣)沉降監(jiān)測結(jié)果抽取出來，分別顯示于圖5(平均沉降速率)和圖6～8(累計沉降量)。從沉降區(qū)域的空間分布來看，雄縣沉降區(qū)域較大，主要分布在大營鎮(zhèn)、雄州鎮(zhèn)、北沙口鄉(xiāng)、米家務(wù)鎮(zhèn)、朱各莊鄉(xiāng)及昝崗鎮(zhèn)等地區(qū)，最大沉降速率為每年75 mm，位于雄縣大營鎮(zhèn)西昝村；容城縣容城鎮(zhèn)沉降較大，最大沉降速率達每年28 mm，其周邊區(qū)域沉降速率較小，不超過每年15 mm；安新縣絕大部分區(qū)域沒有發(fā)生地面沉降，只在南部的蘆莊鄉(xiāng)和劉李莊鎮(zhèn)形成了相對較大的地面沉降，沉降速率最大值分別為每年35 mm和37 mm。從地面沉降的演化進程來看，雄縣大營鎮(zhèn)至北沙口鄉(xiāng)一帶的地面沉降從2013年4月開始逐步加劇，此后隨時間推移，沉降速率和沉降范圍不斷擴展，至2016年11月，最大累計沉降量達到411 mm；而安新縣南部的地面沉降發(fā)展較緩慢，直到2013年底才有明顯的沉降，到2016年11月，安新縣劉李莊鎮(zhèn)和蘆莊鄉(xiāng)最大沉降量分別為235 mm和218 mm。由此可見，雄安新區(qū)地面沉降隨時間推移呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢。

3.3 地面沉降原因分析及危險性評價

經(jīng)分析有關(guān)資料，推斷地?zé)豳Y源的開發(fā)是引發(fā)雄縣出現(xiàn)較大沉降的最主要原因。雄縣位于華北平原牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锓秶鷥?nèi)，全縣約六成面積下蘊藏著地?zé)豳Y源，地?zé)崴畠α窟_821×108m3[16]。雄縣從2003年就開始使用地?zé)豳Y源，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，地?zé)峋拈_鑿量也隨之增加，至2017年2月，雄縣共有地?zé)峋?8眼[16-17]。其中，大營鎮(zhèn)、雄州鎮(zhèn)地?zé)衢_采條件較好，地?zé)峋當?shù)量較多[18]，沉降也較大；北沙口鄉(xiāng)、米家務(wù)鎮(zhèn)、朱各莊鄉(xiāng)及昝崗鎮(zhèn)西部也較適宜開發(fā)地?zé)豳Y源，地?zé)峋當?shù)量次之；而位于雄縣東部的雙堂鄉(xiāng)、張崗鄉(xiāng)及龍灣鄉(xiāng)地?zé)峥沙掷m(xù)開發(fā)條件較差，地?zé)峋當?shù)目也較少，地面幾乎無沉降。圖9(a)為截止至2009年底的雄縣地?zé)峋恢梅植际疽鈭D[18]，圖9(b)為2012～2016年雄縣累計沉降量，可見地?zé)峋奈恢梅植己屠塾嫵两盗糠植贾g存在著很強的空間相關(guān)性。

造成雄安新區(qū)地面沉降的另一個因素可能是塑料包裝企業(yè)及紡織企業(yè)消耗了大量的地下水。雄縣是華北地區(qū)最大的塑料包裝產(chǎn)業(yè)基地[19]，全縣的塑料包裝企業(yè)有3 000多家，主要集中在包裝印刷、塑料制品和顆粒銷售。包裝印刷及塑料制品都是高耗水行業(yè)。鑒于華北平原長期處于水資源短缺狀態(tài)[2]，推測雄縣規(guī)模巨大的塑料包裝產(chǎn)業(yè)很可能導(dǎo)致地下水開采量增多，進一步加劇了雄縣的地面沉降。安新縣劉李莊鎮(zhèn)位于白洋淀南部，也擁有多達47家塑料加工企業(yè)；蘆莊鄉(xiāng)是安新縣紡織廠的聚集地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)分布著大量的紡織廠，而紡織業(yè)也是高耗水行業(yè)之一。因此，有理由推斷安新縣劉李莊鎮(zhèn)及蘆莊鄉(xiāng)兩地的地面沉降主要是塑料包裝業(yè)及紡織業(yè)大量消耗地下水所致。

圖9 雄縣地?zé)峋恢梅植技袄塾嫵两盗縁ig.9 Geothermal Well Location and Acuumulative Subsidence of Xiongxian

在雄安新區(qū)高相干點沉降監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用克里金(Kriging)插值方法將高相干點上的沉降速率值內(nèi)插至每個像元，可以得到整個雄安新區(qū)完整的沉降速率圖，然后根據(jù)楊艷等對北京市郊區(qū)地面沉降危險性分級評價標準[20]，將雄安新區(qū)地面沉降危險性評價分為嚴重區(qū)(沉降速率大于每年50 mm)、較嚴重區(qū)(沉降速率為每年30～50 mm)、一般區(qū)(沉降速率為每年10～30 mm)和輕微區(qū)(沉降速率小于每年10 mm)(圖10)。從圖10可以看出，雄安新區(qū)約78%以上的區(qū)域為地面沉降輕微區(qū)，地面沉降較嚴重區(qū)和嚴重區(qū)都集中在雄縣，面積分別為55.76 km2和12.14 km2，二者合計僅占雄安新區(qū)面積的4.38%(表2)。

圖10 雄安新區(qū)地面沉降危險性分區(qū)Fig.10 Ground Subsidence Risk Map of Xiong’an New Area

危險性分級面積/km2占比/%嚴重區(qū) 12.140.78較嚴重區(qū)55.763.60一般區(qū)263.1917.01輕微區(qū)1 216.0378.61

4 結(jié) 語

(1)利用2012年1月至2016年11月28期RADARSAT-2影像，基于多主影像相干目標小基線InSAR技術(shù)提取了雄安新區(qū)及周邊的平均沉降速率和累計沉降量信息。利用85個水準觀測數(shù)據(jù)對InSAR獲取的平均沉降速率進行了精度驗證，標準差為每年5.2 mm。

(2)雄安新區(qū)約78%以上的區(qū)域為地面沉降輕微區(qū)(沉降速率小于每年10 mm)。雄縣部分區(qū)域發(fā)生了較大的地面沉降，容城縣容城鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域發(fā)生了較小的地面沉降，安新縣南部的劉李莊鎮(zhèn)及蘆莊鄉(xiāng)小部分地區(qū)發(fā)生了相對較大的地面沉降。雄安新區(qū)地面沉降危險性評價為較嚴重和嚴重的區(qū)域都集中在雄縣，共67.9 km2，占雄安新區(qū)面積的4.38%，最大沉降速率為每年75 mm。整體而言，雄安新區(qū)地面沉降呈現(xiàn)不斷加大的趨勢。

(3)雄安新區(qū)地面沉降的主要原因是地?zé)豳Y源開采和包裝印刷業(yè)及紡織業(yè)等導(dǎo)致的地下水開采。建議未來對雄縣的地?zé)豳Y源開采和地下水開采加以控制，以遏制雄安新區(qū)地面沉降的進一步發(fā)展，為雄安新區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的順利實施提供良好的生態(tài)環(huán)境。

本文所用水準數(shù)據(jù)為天津市測繪院提供，特此致謝！