基于PS-InSAR 方法反演北京地區(qū)地表沉降速率*

羅三明 杜凱夫 暢 柳 萬文妮 杜雪松 余 敏 楊 博

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

1 引言

北京地表沉降最早發(fā)現(xiàn)于1935年西單至東單一帶。至1952年的17年間為北京地區(qū)地表沉降發(fā)展的初期階段，之后經(jīng)歷了1967—1973年的形成階段，1973—1982年的擴展階段，1983—1986年的緩慢發(fā)展階段，1987—1999年新的地表沉降區(qū)形成階段［1］及2000年至今的快速發(fā)展階段［2］。為了研究地表沉降的機理及與之有關(guān)的因素，在北京地區(qū)布設(shè)了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)、地面沉降專門監(jiān)測網(wǎng)、GPS 監(jiān)測網(wǎng)、地下水位動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)及InSAR 監(jiān)測網(wǎng)，構(gòu)成了地面沉降立體監(jiān)測系統(tǒng)，科技工作者從GIS［3］、In-SAR 技術(shù)［4］、地下水位［5］、沉降機理［6］等不同領(lǐng)域?qū)Ρ本┑貐^(qū)地表沉降進行了深入研究，取得了實用性突出的研究成果。本文在已有研究基礎(chǔ)上，采用基于高相干點目標的永久散射體(PS，Permanent Scatterers)技術(shù)，分析了27 期Envisat ASAR 重軌數(shù)據(jù)，獲取了北京及其周邊地區(qū)2006-08—2010-08月的地表沉降速率。

2 數(shù)據(jù)處理

為了跟蹤研究北京地區(qū)地表沉降發(fā)展趨勢，在該區(qū)已有地面沉降研究基礎(chǔ)上［7，8］，從歐空局訂購了2006-08—2010-08月共27 景ENVISAT ASAR 重軌數(shù)據(jù)，全部為降軌數(shù)據(jù)，VV 極化，數(shù)據(jù)覆蓋面積為104 km×126 km(圖1)，干涉參數(shù)如表1 所示。

經(jīng)過PS-InSAR 技術(shù)處理，獲得了研究區(qū)地表沉降速度場信息。在104 km ×126 km 范圍內(nèi)共識別出90 221 個PS 目標，每平方千米平均約6.8 個。揭示出研究區(qū)地表沉降的變化過程及其空間分布特征如圖2、3 所示。為了更加直觀地分析北京地區(qū)地表沉降發(fā)展態(tài)勢，分別在研究區(qū)不同區(qū)域選擇了若干參考PS 目標(圖4)，并繪制了參考PS 目標參考時序圖(圖5)。

為評估PS-InSAR 方法表示的速度場的可靠性，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水準點的同期地表沉降水準觀測結(jié)果①地震行業(yè)科研專項:基于PS-InSAR 技術(shù)北京地區(qū)地殼形變場特征研究(編號:201008012)驗收報告.計算了地表沉降速率，并假設(shè)每個水準點周圍100m范圍內(nèi)地表形變梯度是一致的，落在該范圍內(nèi)的PS 目標與水準測量結(jié)果具有相同的形變梯度。根據(jù)此原則，在14 個水準點中篩選出了7 個滿足該條件的水準點(圖4 中藍色三角形)，并根據(jù)雷達視線入射角，將水準結(jié)果投影到雷達視線向上，對二者表示的地表同期沉降速率進行了比較，結(jié)果見表2。

圖1 干涉數(shù)據(jù)覆蓋范圍Fig.1 The boundary descending orbit data acquired over Beijing area

根據(jù)表2 可以看出，7 個水準點的實測結(jié)果與PS-InSAR 反演結(jié)果的相對誤差均在5 mm 以內(nèi)，誤差均方差為3.62 mm。

表1 ASAR 雷達數(shù)據(jù)垂直基線、時間長度、多普勒質(zhì)心頻率(軌跡號:218)Tab.1 Interferometric parameters(perpendicular baseline，time length，frequancy of Doppler centroid)of ASAR data(Track:218)

圖2 研究區(qū)位移場(LOS)時間序列Fig.2 Unwrapped PS time series deformation field in LOS

圖3 研究區(qū)PS 目標表示的雷達視線向平均速度場及研究區(qū)主要斷裂Fig.3 PS deformation field of the study area and main faults in Beijing area

表2 PS-InSAR 結(jié)果與水準測量結(jié)果的對比(單位:mm)Tab.2 Comparison of PS-InSAR result with leveling measurement(unit:mm)

圖4 參考PS 目標分布圖(藍色三角形為水準點位)Fig.4 The location of reference PS targets(blue triangle is leveling points)

3 結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)位移場時間序列(圖2)分析，北京地區(qū)的雙橋、燕郊鎮(zhèn)、張喜莊、楊各莊、平谷、沙河鎮(zhèn)和與之鄰接的河北省廊坊市等7 個沉降中心的地表沉降一直處于發(fā)展態(tài)勢(表2)。PS 目標平均速度場表明(圖3)，北京的朝陽區(qū)、通縣至燕郊和河北省的廊坊市地表沉降速率最大(表3)，這可能與北京重點工業(yè)的東移導致地表負荷加重、地下水開采加大有關(guān);參考PS 的變化過程(圖5)顯示，沉降中心地區(qū)的沉降速率處于持續(xù)發(fā)展狀態(tài);北京市區(qū)地表沉降出現(xiàn)反彈(圖4 中參考PS 目標TS-A)，表明自20世紀80年代開始的人工回灌，緩解了地下水水位的下降。

圖5 參考PS 目標變化過程Fig.5 Change process of reference PS targets

表3 沉降中心地帶沉降速率(單位:mm/a)Tab.3 Subsidence rates of subsidence centers(unit:mm/a)

北京地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動自兩億年左右中生代以來就表現(xiàn)為山區(qū)相對上升，平原區(qū)則緩慢下降。如南口-孫河斷裂西南側(cè)從昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)，經(jīng)朝陽區(qū)太陽宮至雙橋地帶，地面處于緩慢下沉(圖3)，自1969年1977年在該斷裂上盤下降幅度6 mm，平均變位速度0.75 m/ka，并且有繼續(xù)增加的趨勢。而斷裂的北東盤則相對上升(圖4 中參考PS 目標TSE)，斷裂兩側(cè)第四系厚度相差數(shù)十米到幾百米［1］，因此北京地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動也是引起地表沉降的不可忽視的因素。

4 結(jié)論

對地下水資源的過渡開采是北京地區(qū)地表沉降的主要因素;北京地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動也是引起地表沉降的不可忽視的因素。

致謝感謝歐洲空間局提供的Envisat ASAR 數(shù)據(jù)和荷蘭TUDELFT 大學提供的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)!

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