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(guó)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(cè)

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(guó)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(cè)量(D-InSAR)技術(shù)對(duì)于城市地面沉降的監(jiān)測(cè)具有精度高、連續(xù)監(jiān)測(cè)、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(cè)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(gè)沉降中心，進(jìn)而分析了地面沉降發(fā)展的趨勢(shì)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(shì)。

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(shì)。目前在東郊八里莊、大郊亭，東北郊來廣營(yíng)，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(gè)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(yíng)沉降區(qū)西起大屯—太陽(yáng)宮，東到朝陽(yáng)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(yíng)。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?duì)象，利用高分辨率的TerraSAR影像，采用差分雷達(dá)干涉測(cè)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(shì)，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(cè)方法

目前地面沉降的監(jiān)測(cè)方法有地面水準(zhǔn)測(cè)量、GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)和InSAR檢測(cè)技術(shù)等方法。水準(zhǔn)測(cè)量是早期用于地面沉降監(jiān)測(cè)的主要方法之一，其垂向監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。GPS沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有周期短、精度高、布網(wǎng)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)?；贗nSAR的地面沉降監(jiān)測(cè)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(cè)量和GPS測(cè)量相比，D-InSAR方法監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)等優(yōu)勢(shì)。D-InSAR與地面水準(zhǔn)測(cè)量、GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)相比，在測(cè)量精度、監(jiān)測(cè)范圍、空間分辨率等方面優(yōu)勢(shì)明顯[2]，見表1。

表1　3種地面沉降監(jiān)測(cè)方法的比較

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于D-InSAR監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)了羅馬城市的地面沉降狀況及河流對(duì)沉降的影響[3]；Zbigniew Perski監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)京津城際鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響方式和影響程度, 并提出針對(duì)性的防治措施和對(duì)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(duì)京滬高速鐵路經(jīng)過地區(qū)的沉降量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為高鐵安全運(yùn)營(yíng)采取處理對(duì)策提供了依據(jù)[7]；鄭佳榮、宮輝力針對(duì)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(duì)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(shì)及其對(duì)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(cè)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(duì)

根據(jù)影像之間的相干性確定干涉像對(duì)。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(cè)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(duì)本研究區(qū)域14個(gè)干涉對(duì)圖像的D-InSAR監(jiān)測(cè)沉降結(jié)果，經(jīng)過精準(zhǔn)地理編碼，獲得2010—2012年14個(gè)干涉對(duì)所對(duì)應(yīng)的沉降圖。前4個(gè)干涉對(duì)由于時(shí)間基線較短，因此沉降不明顯。干涉對(duì)5、6由于垂直基線過大導(dǎo)致降低監(jiān)測(cè)精度，沉降圖效果較差。干涉對(duì)7～14開始時(shí)間基線均大于365 d，垂直基線也符合監(jiān)測(cè)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(gè)有代表性的干涉對(duì)圖，圖中一個(gè)灰度周期變化代表著2 cm的形變量。

圖3　2010—2012年6對(duì)干涉對(duì)所對(duì)應(yīng)的形變圖

由圖3中干涉對(duì)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(gè)明顯的沉降區(qū)域A和B，區(qū)域A位于東四十條朝陽(yáng)門一帶，區(qū)域B位于北京站建國(guó)門一帶。如圖4所示。

圖4　干涉對(duì)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(cè)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(yáng)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(yáng)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(gè)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(cè)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(duì)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(cè)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(guó)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(cè)、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(cè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(5)：66-68.