PS-InSAR技術在北京通州區地面沉降監測中的應用

孔祥如 羅勇 劉賀 王新惠 趙龍 沙特

摘 要：地面沉降是通州區重要地質災害，由此引發的地裂縫次生災害現象嚴重影響通州區的發展建設。以TerraSAR-X衛星影像為數據基礎，采用永久散射體干涉測量（PS-InSAR）技術獲取通州區地面沉降2015—2018年監測數據，分析了通州區地面沉降時空分布特征以及地裂縫次生災害的垂向形變特征。結果表明：（1）通州區地面沉降主要集中在西部和北部地區，形成了以通州城區—梨園—臺湖為中心的西部沉降區和以永順—宋莊為中心的北部沉降區，每個沉降區內又分布著多個小的沉降漏斗，在區域上具有不均勻沉降的特征;（2）宋莊地裂縫兩盤各存在一個沉降漏斗中心，裂縫帶沿線存在多個小沉降漏斗，由裂縫帶向兩側沉降量逐漸增大，垂直裂縫帶方向存在顯著的沉降梯度變化，差異沉降特征明顯，建議在宋莊地裂縫成因機理研究過程中考慮差異沉降對地裂縫形成的影響。

關鍵詞：地面沉降;監測技術;永久散射體干涉測量;通州區;地裂縫

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發導致的地面沉降，是制約城市可持續發展不可忽視的因素之一。為了預防和控制地面沉降，有必要對地面沉降進行長期有效的監測（殷躍平等，2005）。傳統的地面沉降監測方法包括水準測量、基巖標-分層標組測量，20世紀90年代，GPS測量技術也開始應用于地面沉降監測（劉明坤等，2012）。但是，上述監測方法不僅運行成本高、觀測周期長，而且建設測量設施需要占用一定場地，在用地緊張的人口密集城市難以實現全區域覆蓋（許言等，2017）。依靠衛星大地測量技術發展起來的合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術克服了上述問題。其中，差分合成孔徑雷達干涉測量技術（D-InSAR）以其大范圍、高精度、高時空分辨率獲取面狀分布的地表形變信息的優勢，在地震、火山運動、冰川運移、地面沉降等地表形變監測領域得到成功應用（何秀鳳等，2011）。在D-InSAR的基礎上，Ferretti等（2000;2001）提出了永久散射體干涉測量技術（PS-InSAR），該技術的核心是通過識別永久散射體（PS點），獲取PS點處相對穩定可靠的形變估算結果，克服了傳統差分干涉測量D-InSAR技術中大氣延時因素的影響，提高了InSAR 技術在形變監測中的可靠性。

2012年，通州區被確立為北京城市副中心，承擔著調整優化北京城市空間格局、疏解中心區過多功能、治理“大城市病”、拓展城市新空間、推動京津冀協同發展的重要使命。通州區地面沉降在20世紀80年代就有記錄，多年的地下水超采使地面沉降量不斷增加，截止到2017年，通州區最大累計沉降量已超過1200 mm（北京市水文地質工程地質大隊，2018）。加之隨著副中心的建設，建筑群將呈現高層、密集的特征，城市建筑物荷載對地面沉降的影響也將加劇。因此，提升通州地區地面沉降監測能力，對治理地面沉降、保障副中心地質安全以及指導副中心合理規劃具有重要意義。目前，通州區地面沉降監測主要依靠數量有限的地上監測設施，無法實現對通州區的全覆蓋監測。本文利用PS-InSAR技術，選取2015年6月至2018年7月覆蓋通州區的24景TerraSAR-X雷達衛星影像，獲得通州區高覆蓋率的地面沉降監測數據，研究通州區地面沉降時空分布特征，以及對地面沉降引發的地裂縫次生災害的垂向形變特征分析。

1 PS-InSAR技術

1.1 PS-InSAR技術原理

PS-InSAR技術的原理是利用同一地區的N+1幅SAR影像，選取其中一幅作為主圖像，其余N幅影像作為副圖像，分別與主圖像的永久散射體（如建筑物、橋梁、道路等）對應像素的相位值相減，得到N幅差分干涉圖。每幅差分干涉圖中的每個像元包含了相位的5個分量：

其中，φins為像元干涉相位，φdef為雷達視線向形變相位，φε為DEM誤差引起的地形相位，φatm為大氣延遲相位，φorb為軌道偏差相位，φnoi為由于熱噪聲與配準過程造成的誤差分量。通過PS點連接組成的網絡和各相位分量的時空特征，估算大氣誤差、DEM殘差、地表形變以及軌道誤差相位，將各項誤差從差分干涉相位中逐個分離，最終獲取每個PS點的地表形變相位。影像經差分干涉處理，提取出時空失相干和大氣延遲誤差在閾值范圍內的穩定PS點，從而可以獲得連續、可靠的地表形變信息（Colesanti et al.，2003）。通過PS-InSAR技術處理獲取的年均形變速率的精度可以達到毫米級。

1.2 處理流程

采用米蘭理工大學Daniele Perissin開發設計的SARProZ軟件平臺進行數據處理，該軟件平臺主要適用于城市區域雷達影像數據處理及相關分析。

其數據處理流程如圖1所示。

2 數據選取

2.1 研究區概況

通州區地處北京平原東部，位于永定河沖洪積扇與潮白河沖洪積扇的中下部，地表有巨厚的第四系沖積松散沉積物覆蓋。在區域構造上位于中朝準地臺華北斷坳中（Ⅱ2）大興隆起（Ⅲ7）北東部，牛堡屯-大孫各莊凹陷（Ⅳ17）西部邊沿地帶。區內主要斷裂有南苑-通縣斷裂、夏墊斷裂、張家灣斷裂、宋莊斷裂和姚辛莊斷裂。通州區地下水類型主要為第四系松散層孔隙水，100 m以上為潛水和淺層承壓水，100 m以下為深層承壓水。其中，深層承壓水是生活和工業用水的主要取水層。由于多年的地下水過度開采，通州區地下水位持續呈下降的趨勢，是誘發本地地面沉降的主要原因。通州區地面沉降的危害主要表現為引發次生災害。趙龍等（2017）對通州區北部的宋莊地裂縫進行了成因機理研究，認為地下水超采導致的地面沉降是其形成和發展的重要影響因素。宋莊地裂縫對當地造成了房屋變形、地面開裂等破壞，并且對城市規劃產生了不可忽視的影響。

2.2 SAR影像選取

選用德國航空航天中心TerraSAR-X衛星拍攝的24景雷達影像，時間跨度為2015年6月至2018年7月，利用綜合相關系數法，綜合考慮影像獲取時間間隔、空間基線及多普勒質心頻率差異，選擇2017年2月1日影像作為公共主影像，成像模式為條帶式（StripMap），影像極化方式為HH，衛星軌道號為157，影像范圍30 km×50 km，覆蓋通州區大部，以及與通州相鄰的朝陽、大興、順義、北三縣和廊坊部分地區（圖2），分辨率為3 m×3 m。采用STRM-3數據作為主要DEM數據，對配準后的數據進行差分干涉，分辨率為90 m。干涉數據時間基線和空間基線分布如圖3所示。

2.3 PS點選取

通州區開發程度較高，地表建設有大量建筑物、混凝土路面和交通軌道，基于建筑材料的物理散射特性，在SAR影像上表現為高相干點目標，并可以構成二面角、三面角等穩定的強散射結構，均可以識別為永久散射體。為了避免低相干點帶來的計算誤差，在差分干涉圖中，采用幅度離差指數法選取高相干點進行計算（Kim et al.，2007）。

通過對影像的差分干涉處理，幅度離差指數的閾值設為0.85，在研究區范圍內共識別出PS點224842個。將選取的PS點與研究區高分辨率遙感影像疊加可以發現，研究區PS點主要位于建筑物頂部、道路、橋梁以及鐵路軌道表面（圖4），在城市建筑物密集區較為集中，PS點密度可以達到400 個/km2，全區PS點平均密度為248 個/km2，監測密度和覆蓋范圍遠遠大于目前已有的常規監測手段。

3 監測結果分析

3.1 通州區地面沉降分布特征

對研究數據提取地面變形信息，可以獲得SAR影像時間序列范圍內的年度沉降速率和累計沉降量分布，如圖5所示。通過圖5可以看出，在空間尺度上，通州西北部的宋莊、永順、梨園、臺湖、馬駒橋以及通州城區地面沉降較為嚴重，其中沉降速率大于50 mm/a的區域面積為204.88 km2，大于100 mm/a的區域面積為34.23 km2;東部和南部鄉鎮地面沉降程度較緩，沉降速率則普遍小于30 mm/a;在時間尺度上，通州區每年的沉降區域和沉降速率變化不大，2016年和2017年的最大沉降速率均為131 mm/a，分別出現在臺湖鎮中部地區，2018年最大沉降速率略有增大，為136 mm/a，出現在梨園鎮東部地區，全部監測時間序列內的累計最大沉降量為390 mm，出現在臺湖鎮中部地區。具體統計結果見表1。

2016—2018年，以200 mm沉降量等值線為界線，在通州西北部劃分出了2個主要沉降區，2個沉降區以運潮減河、北運河以及兩河中間地帶為分界，總面積約200 km2。2個沉降區內又分布著多個沉降速率較大的沉降漏斗，表現出不均勻沉降的特征。沉降漏斗所在地多為地面建筑密集的城市建成區、村、鎮中心，人口集中，推斷與這些地區地下水開采量大有關。西部沉降區面積較大，位于通州城區—梨園—臺湖一帶，面積約130 km2，其中，以100 mm/a等值線為邊界的沉降漏斗位于通州城區的北部、中部、東部一帶以及臺湖鎮中心，最大沉降速率為136 mm/a，位于臺湖鎮中心附近。北部沉降區位于永順—宋莊一帶，面積約70 km2，其中，以100 mm/a等值線為邊界的沉降漏斗位于宋莊鎮周邊村以及宋莊鎮中心，最大沉降速率為123 mm/a，位于宋莊鎮北中部。

3.2 宋莊地裂縫垂向形變分析

宋莊地裂縫位置如圖6所示，沿NE-SW向展布，靠近南苑-通縣斷裂且走向一致。在圖6上可以看到，宋莊地裂縫位于多個沉降漏斗邊緣，地裂縫兩盤距裂縫帶各3 km遠處為該區域最大的沉降漏斗中心。NW盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮北中部，最大沉降速率為124 mm/a; SE盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮，最大沉降速率為108 mm/a。

沿宋莊地裂縫走向繪制沉降速率曲線（圖7），可以看出，宋莊地裂縫沿線垂向形變特征表現為裂縫帶由東北向西南垂向形變量逐漸增大，裂縫帶上的沉降速率在31～70 mm/a之間，平均沉降速率為55 mm/a。在地裂縫發育較為明顯的地段，以0.5 km等間距做8條地裂縫垂直剖面線，裂縫帶位于剖面線中點（圖8），繪制沉降速率曲線（圖9）。通過圖9可以看出，宋莊地裂縫兩盤與裂縫帶的沉降速率有明顯不同，靠近裂縫帶沉降速率減小，速率曲線坡度增大，沉降梯度呈倒“V”字形分布，在地裂縫位置出現沉降速率峰值（紅色虛線框），表現出顯著的差異性沉降特征。由此可以推斷：地裂縫兩盤的差異性沉降，導致地應力在地裂縫位置處集中，當應力值超過地層強度極限，地層開裂形成地裂縫。

4 結論及建議

4.1 結論

（1）PS-InSAR技術在通州區地面沉降監測中取得較好的應用成果。通過PS-InSAR技術監測發現：通州區地面沉降主要集中在西部和北部地區，沉降速率區間為50～130 mm/a，并以50 mm/a沉降速率等值線劃分為2個沉降區，每個沉降區內又分布著多個小的沉降漏斗，在區域上具有不均勻沉降的特征;東部和南部地區沉降較緩，沉降速率普遍小于30 mm/a。

（2）宋莊地裂縫走向方向沉降量由東北向西南逐漸增大，裂縫帶上的沉降速率在31～70 mm/a之間，平均沉降速率為55 mm/a。裂縫帶沿線存在多個小沉降漏斗，地裂縫兩盤距裂縫帶3 km各存在一個沉降漏斗中心，NW盤沉降漏斗中心位于尹各莊村，最大沉降速率為124 mm/a，SE盤沉降漏斗中心位于宋莊鎮，最大沉降速率為108 mm/a，垂直裂縫帶方向，沉降梯度呈倒“V”字形分布。

4.2 建議

（1）PS-InSAR技術監測方法相較于水準測量和GPS測量而言，具有經濟性、時效性等優點，尤其是在城市等地表構筑物較多的地區，還具有穩定PS點多、監測密度大的優勢，因此，在地面沉降嚴重的城市地區開展利用PS-InSAR技術的地面沉降監測工作，對政府部門細化地面沉降防控政策、優化地下水禁限采劃分方案具有積極的指導作用。

（2）地裂縫的形成往往與多種因素相關聯，也形成了不同的成因假說。其中，差異沉降成因說認為，不同的地下水資源開采強度和地質環境條件引發的差異沉降，會在地層結合力薄弱部位誘發地面沉降。InSAR技術揭示了宋莊地裂縫兩盤存在顯著的沉降梯度變化，差異沉降特征明顯，因此，在宋莊地裂縫成因機理研究過程中，不能忽視差異沉降對地裂縫形成的影響。

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