中國大陸典型沉降區垂直形變圖數據集

陳 欣 薄萬舉 羅三明 董運洪 王家慶 李 麗 龐麗娜 宋 雯 鄭智江 萬文妮 杜雪松 劉文龍 成立輝 李林蔚 徐佳垚

1）中國天津300180 中國地震局第一監測中心

2）中國北京100045 中國地震臺網中心

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，城市地面沉降已經對社會發展造成了顯著影響，需要密切關注典型沉降區地殼垂直形變及其變化情況。2015—2019 年，為期5 年的國家科技基礎性工作重點專項“中國大陸現代垂直形變圖集的編制與資料整編”（薄萬舉，2021；陳欣等，2021），完成了新一代多時空垂直形變圖集的編制工作，系統拯救、整編、共享了20 世紀50 年代以來全國垂直形變測量數據，編制了不同時空尺度的地殼垂直形變圖，其中包含中國大陸典型沉降區垂直形變圖17 幅，比原計劃的10 幅多7 幅，主要是考慮到華北地區沉降量級大、覆蓋面積大，同時復測資料期數多，增加了3 期該區地面沉降演化圖，包括3 期垂直運動速率矢量圖和3 幅垂直運動速率等值線圖。參考楊國華（1991）、張祖勝等（1996）、董鴻聞等（2002）、黃立人（2004）的研究，將本數據集典型沉降區垂直形變圖根據基礎數據情況可分為4 類：①用InSAR 數據給出的地面沉降形變圖；②GNSS 為主提供的沉降區形變圖；③以水準為主提供的沉降區形變圖；④ GNSS 和水準融合獲取的沉降區形變圖。

1 數據采集和處理

1.1 數據基礎

對于典型沉降區垂直形變圖，精密水準測量資料仍是數據基礎主體，包括：1950—2016 年3 期中國大陸尺度的精密復測水準資料、京津唐滄地面沉降區多期復測資料等。但對獲取和研究相關區域地面沉降的分布及特點來說，水準點的空間密度仍不足。近年來InSAR 資料用于地面垂向變形的研究成果越來越多，為解決當前所面臨的問題提供了思路和可能性，為此收集處理InSAR 資料，以對沉降區數據進行補充。

1.2 GNSS 在典型沉降區形變圖中的應用

在利用InSAR 進行數據處理和生成部分地面沉降圖像的過程中，需要采用GNSS 的約束來確定水準速率基準，并將水準速率與GNSS 垂向速率的基準進行統一，以解決沉降速率基準問題，彌補某些區域水準資料不足的缺陷。利用GNSS 數據的沉降區形變圖主要包括：水準與GNSS 給出的華北地區地面垂直形變矢量圖（1990—2015）、水準與GNSS給出的呼和浩特盆地地面垂直形變矢量圖（1990—2015）、水準與GNSS 給出的太原盆地地面垂直形變圖（1990—2015）、水準與GNSS 給出的臨汾運城盆地地面垂直形變圖（1990—2015）和水準與GNSS 給出的華東沿海地區地面垂直形變圖（1990—2015）（顧國華，2005；楊建圖等，2006）。

1.3 典型沉降區InSAR 資料收集

華北地區，包括北京、天津、河北三省市區域，是我國面積最大、量值最顯著的典型沉降區。該區域InSAR 資料收集較為充分。其他區域由于各方面原因尚未收集到相應時空尺度的InSAR 資料，地面沉降信息主要從GNSS 和水準觀測資料中獲取（羅三明等，2014a，2014b）。

1.4 典型沉降區垂直形變圖成果舉例

1.4.1基于InSAR 資料的垂直形變圖。擇優選擇InSAR 數據處理方案（Andrew Hooper，2008；Colesanti et al，2003），給出項目約定的成果信息。圖1 給出北京、天津地區利用InSAR 資料獲取的地面沉降圖。

圖1 基于InSAR 資料的北京、天津地區地面垂直形變圖（2006—2010 年）Fig.1 Vertical deformation maps of Beijing and Tianjin from InSAR (2006-2010)

1.4.2基于GNSS 資料的地面垂直形變圖。利用1999—2007 年觀測的流動GNSS 資料，圖2 給出華北平原地區地面垂直形變等值線圖。

圖2 基于GNSS 資料的華北平原地區地面垂直形變等值線圖（1999—2007 年）Fig.2 The contour map of vertical ground deformation in the North China Plain from GNSS (1999-2007)

1.4.3基于水準資料地面垂直沉降圖。如天津濱海新區在規劃與建設前，需對地面沉降歷史、現狀及未來發展趨勢有一定把握。利用中國地震局第一監測中心多年來在華北地區的地震水準復測資料（張風霜等，2010），給出天津濱海新區地面沉降圖，結果見圖3。

圖3 基于水準資料的天津濱海新區地面沉降等值線圖（2008—2013 年）Fig.3 The contour map of vertical deformation in the Tianjin Binhai Area from level survey

1.4.4基于水準與GNSS 資料的地面垂直形變圖。以太原盆地為例，多年來太原盆地是華北地面沉降較為顯著的地區之一（高旋，2012；趙強等，2017），最高可達20 mm/a。有資料顯示，2003 年以來太原市地面沉降有所恢復（張文華，2010）。基于現有GNSS 資料，同時融合部分區域水準資料，繪制太原盆地1990—2015 年地面垂直形變矢量圖和等值線圖，結果見圖4。

圖4 基于水準與GNSS 資料的太原盆地地面垂直形變圖（1990—2015 年）Fig.4 Vertical deformation map of Taiyuan basin from level survey and GNSS (1990-2015)

2 數據內容描述

2.1 基于InSAR 數據的地面沉降圖要素項

基于InSAR 數據的地面沉降圖要素項內容說明見表1，其中：①色標：表示InSAR視線向形變量，量值與量綱在各圖的圖例中給出；②比例尺：對于墨氏投影圖，圖中比例尺應以標注的經緯度計算結果為準。

表1 基于InSAR 數據的地面沉降圖要素項內容說明Table 1 Content description of InSAR data-based ground subsidence map element items

2.2 基于水準與GNSS 數據的沉降區專題圖要素項

基于水準與GNSS 數據的沉降區專題圖要素項內容說明見表2，其中：①構造區名：在圖名中給出；②垂直形變矢量：一般每個構造區給出一幅垂直形變矢量圖，量綱為mm/a，個別構造區給出不同時段的演化形變圖，有2 幅以上矢量圖，代表的時間段不同；③垂直形變等值線：將上述矢量數據網格化后給出的等值線圖；④比例尺：圖組均為墨氏投影地圖，圖幅大小不一，均標注經緯度；⑤矢量圖的矢量符號和比例尺：矢量箭頭向上表示上升運動，向下表示沉降運動，比例尺在各圖圖例給出；⑥矢量圖中的誤差：矢量圖中的色標表示矢量的1 倍中誤差，由最小二乘配置方法計算得出，量值和量綱見圖例。

表2 基于水準與GNSS 數據的垂直形變圖要素項內容說明Table 2 Description of the elements of the vertical deformation map based on level and GNSS data

2.3 時間范圍

每幅圖的圖名中均給出圖中形變信息所代表的時間范圍。

2.4 空間范圍

每幅圖均標注經緯度，用經緯度清楚地勾畫構造區空間范圍，讀者可在圖中直接判讀。

3 數據輸出質量及準確度

3.1 時間頻度

典型沉降區沉降圖因在全國形變圖數據基礎上增加局部的區域性資料，其時間頻度比全國尺度的形變圖要高，但受資料限制和目標不同，其時間頻度各異，不能給出統一描述，如：InSAR 形變圖的時間頻度受資料控制；同震形變圖的時間頻度要求資料在震前一期、震后一期，等等。每幅圖的圖名中標注了所代表的時間段，可作為形變信息時間頻度的一個參考。

3.2 空間基準和精度

空間基準使用準則如下：能使用GNSS 速率基準的，盡量使用該基準，否則采用均衡基準，若受到客觀條件制約，可采用其他基準。

關于精度，除InSAR 形變圖，其他形變圖給出了獨立的精度評定結果。在矢量圖中，使用色標表示垂直形變矢量精度的空間分布。

4 數據應用前景

隨著國民經濟的快速發展，城市地面沉降已經對社會發展造成了顯著影響，地面沉降控制工作以區域經濟可持續發展為目標，需密切關注多時空分辨率的地殼垂直形變及其變化。新一代中國大陸典型沉降區垂直形變圖將為國家各項建設，特別是經濟可持續發展、災害預測預防、資源開發、工程決策和評價、城市環境監測等，提供地表垂直形變信息。

5 結束語

本數據集包含多種手段數據提供的典型沉降區垂直形變圖，為系統研究中國大陸典型沉降區垂直形變情況提供了重要的數據支撐，但后續仍有進一步優化和拓展研究的空間，例如InSAR 給出的形變量是視線向形變量，不是準確的垂向形變，對典型沉降區，沉降量往往遠大于水平相對形變，水平形變對視線向形變的影響可以忽略，因此可以用InSAR形變近似表述典型沉降區的垂向形變，這為InSAR 數據應用于垂直形變研究提供了經驗。另外，將InSAR、水準、GNSS 三種手段融合計算產生的垂向形變結果，嘗試用于描述沉降區形變，證明理論上可行，但目前3 種資料在時間和空間上的配套程度還不理想，尚不能推廣應用，可作為后續相關研究的一個方向。