楊 艷

（1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)效果分析

楊 艷1,2

（1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

在分析北京地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀、現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)手段基礎(chǔ)上，對(duì)比InSAR監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、高精度水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等在區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)時(shí)效性、精確性和經(jīng)濟(jì)性等之間的差別，并以北京地鐵13號(hào)線地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)為例，分析其優(yōu)勢(shì)與不足，為優(yōu)化北京地面沉降監(jiān)測(cè)資源、全面開(kāi)展線性工程地面沉降災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供參考，以助于推進(jìn)首都減災(zāi)防災(zāi)工作進(jìn)程。

地面沉降；監(jiān)測(cè)技術(shù)；InSAR；效果分析

北京市是一個(gè)以地下水資源為主要供水水源的超級(jí)大都市，其2/3的供水水源來(lái)源于地下水[1]。受1999年之后持續(xù)出現(xiàn)的干旱，以及城市建設(shè)快速發(fā)展、人口急劇膨脹等因素影響，北京市地下水超量開(kāi)采一直難以得到有效控制[2]，區(qū)域地下水位持續(xù)下降、局部地下水位降落漏斗明顯，導(dǎo)致本世紀(jì)以來(lái)北京平原區(qū)一直處于地面沉降快速發(fā)展階段，尤其是近幾年，區(qū)域內(nèi)最大年沉降量均超過(guò)100mm，最大累計(jì)沉降量超過(guò)1.4m，沉降區(qū)域面積超過(guò)整個(gè)平原區(qū)的2/3，成為我國(guó)地面沉降發(fā)育嚴(yán)重地區(qū)之一[3]。地面沉降災(zāi)害已經(jīng)造成地面高程損失、市政設(shè)施和構(gòu)建筑物破壞，威脅軌道交通安全運(yùn)行，成為影響北京城市建設(shè)發(fā)展和安全的重要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[4]。

目前，北京地面沉降監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)手段主要包括：傳統(tǒng)的高精度水準(zhǔn)測(cè)量、分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（基巖標(biāo)、分層標(biāo)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等）和現(xiàn)代的GPS測(cè)量、InSAR監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)分布基本覆蓋主要沉降區(qū)域[5]。水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量每年一次，分層自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為每小時(shí)取值一次，InSAR數(shù)據(jù)信息提取周期基本與水準(zhǔn)測(cè)量一致。

隨著北京近年來(lái)地面沉降的快速發(fā)展，沉降區(qū)域不斷擴(kuò)大，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和測(cè)量難度也不斷加大：水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)覆蓋存在空白區(qū)，且測(cè)量周期長(zhǎng)，人力、物力和資金耗費(fèi)巨大；分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)建設(shè)選址難度大，一次性投入資金量大，網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)有限；GPS測(cè)量點(diǎn)易被破壞，維護(hù)保養(yǎng)難度大等。在此情況下，InSAR監(jiān)測(cè)由于具有區(qū)域性、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，一定程度上彌補(bǔ)了上述測(cè)量方法的不足，是實(shí)現(xiàn)北京平原區(qū)地面沉降災(zāi)害監(jiān)測(cè)全覆蓋的有效補(bǔ)充。

1 北京地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（Interferometry Synthetic Aperture Radar, InSAR）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。北京將InSAR技術(shù)用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)始于2008年，初期主要利用獲取工作區(qū)內(nèi)的ERS-1/2和ENVISAT數(shù)據(jù)成功解譯了1992～2000年、2003～2007年北京地區(qū)地面沉降速率；此后每年都定期獲取覆蓋北京地面沉降區(qū)域范圍內(nèi)不同時(shí)期的SAR圖像及數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)信息提取的時(shí)間間隔盡量與其他測(cè)量周期同步。

北京目前開(kāi)展的InSAR調(diào)查監(jiān)測(cè)工作，主要采用RadarSAT-2衛(wèi)星獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)作為主要SAR數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為C波段雷達(dá)獲取，其重復(fù)訪問(wèn)周期為24d，地面分辨率為30m×30m，滿足區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)需要，完整覆蓋整個(gè)北京平原區(qū)及部分山區(qū)。為提高監(jiān)測(cè)精度，地面沉降信息提取采取相干目標(biāo)干涉相位時(shí)序分析方法，主要利用相干目標(biāo)差分干涉相位時(shí)間序列進(jìn)行地表形變信息解算，根據(jù)差分干涉相位的時(shí)空頻譜特性來(lái)解算地面沉降速率，實(shí)現(xiàn)地面沉降監(jiān)測(cè)的目的。主要用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)，并逐步開(kāi)展部分線性工程形變監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析。

2 InSAR監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 時(shí)效性分析

北京市傳統(tǒng)的地面沉降分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)目前基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取周期可根據(jù)需要調(diào)整到每小時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)，甚至更短，但需要專門的技術(shù)人員進(jìn)行儀器設(shè)備保養(yǎng)和運(yùn)行維護(hù)管理，且要保證數(shù)據(jù)的連貫性，對(duì)供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性等具有較高要求。

高精度地面沉降專門水準(zhǔn)測(cè)量近幾年的年度測(cè)量里程約為3500km，10個(gè)測(cè)量小組同時(shí)開(kāi)展野外測(cè)量工作，測(cè)量周期約為2個(gè)月，加上前期踏勘、后期數(shù)據(jù)整理等工作，到最終獲取高程數(shù)據(jù)歷時(shí)約4個(gè)月。

北京采取的GPS測(cè)量方法是將現(xiàn)有GPS測(cè)量點(diǎn)按照觀測(cè)環(huán)境分為框架網(wǎng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)，外業(yè)測(cè)量按同步環(huán)逐個(gè)進(jìn)行，分10個(gè)觀測(cè)小組，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段數(shù)為3，每觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)23～24h，加上114個(gè)點(diǎn)的前期踏勘、測(cè)量數(shù)據(jù)獲取以及成果解譯等工作，全部完成需歷時(shí)3個(gè)多月。

而InSAR監(jiān)測(cè)高程數(shù)據(jù)獲取周期遠(yuǎn)小于上述水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量，尤其是德國(guó)宇航中心（DLR）2007年設(shè)計(jì)制造的TerraSAR-X，其重復(fù)周期僅為11d，采用X波段，對(duì)快速發(fā)展的地表形變監(jiān)測(cè)極為敏感。由于InSAR監(jiān)測(cè)重復(fù)周期短，對(duì)于分析區(qū)域內(nèi)不同時(shí)期的地面沉降變化情況十分有效。

通過(guò)對(duì)比不難看出，單從區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)的時(shí)效性而言，InSAR監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)十分明顯。

2.2 精確性分析

（1）點(diǎn)監(jiān)測(cè)精確性分析

一般認(rèn)為高精度水準(zhǔn)測(cè)量用于區(qū)域地面沉降，其測(cè)量成果的精確性相對(duì)較高，且測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。因此，為了驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取某年度北京平原區(qū)7個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)InSAR與三種不同監(jiān)測(cè)方法的同期監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖1）。

圖1 不同監(jiān)測(cè)方法測(cè)量成果對(duì)比Fig.1 Comparison of the monitoring results using different methods

由圖可看出，InSAR監(jiān)測(cè)、分層標(biāo)監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)測(cè)量值的吻合程度都比較高，而GPS測(cè)量成果值相對(duì)偏差較大。若以水準(zhǔn)測(cè)量值為真值的話，InSAR監(jiān)測(cè)精度基本能夠滿足區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)要求。

（2）區(qū)域監(jiān)測(cè)精確性分析

以某區(qū)域InSAR監(jiān)測(cè)成果為例，區(qū)內(nèi)最大沉降量在金盞西南至東壩地區(qū)，沉降速率超過(guò)100mm/a。與此前幾年InSAR監(jiān)測(cè)成果比較，該區(qū)域地面沉降整體仍呈快速發(fā)展趨勢(shì)。

而水準(zhǔn)測(cè)量成果顯示，金盞西南一帶年度最大沉降量超過(guò)120mm，北馬房、東壩一帶最大年沉降量均超過(guò)100mm。其結(jié)果與InSAR監(jiān)測(cè)成果基本接近（圖2），而前幾年的水準(zhǔn)測(cè)量成果也反映出呈現(xiàn)沉降快速發(fā)展，兩者揭示的變化趨勢(shì)是一致的。

因此，從整個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)分析，InSAR監(jiān)測(cè)成果與水準(zhǔn)測(cè)量反映出的北京平原區(qū)地面沉降發(fā)展趨勢(shì)基本吻合。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

地面沉降災(zāi)害監(jiān)測(cè)、研究和防治工作歷來(lái)為北京市政府所重視，尤其是本世紀(jì)以來(lái)，基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)、沉降機(jī)理分析、控沉關(guān)鍵技術(shù)研究、城市規(guī)劃前期勘查與評(píng)價(jià)等相關(guān)項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)展，綜合行政管理、區(qū)域聯(lián)動(dòng)制度建立等工作得到加強(qiáng)，政府財(cái)政投入力度不斷加大，地面沉降災(zāi)害防治基礎(chǔ)工作得到快速發(fā)展。

2004年、2008年先后建設(shè)完成的北京市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)一、二期工程，共建設(shè)完成7個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)站（包括基巖標(biāo)7座、分層標(biāo)55座、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井37口、孔隙水壓力孔16眼、氣象監(jiān)測(cè)站2座以及InSAR角反射器7個(gè)）、114個(gè)永久性GPS測(cè)量點(diǎn)、100個(gè)地面沉降專門監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)財(cái)政投資數(shù)千萬(wàn)元。

2004年至今，北京市地面沉降監(jiān)測(cè)工作持續(xù)開(kāi)展，但大部分的資金投入均用于水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量、監(jiān)測(cè)網(wǎng)站（水準(zhǔn)、GPS、監(jiān)測(cè)站及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井）設(shè)備管理和維護(hù)。以近幾年北京市地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行項(xiàng)目的資金使用情況為例，水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量的資金投入約占當(dāng)年該項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)的63%；監(jiān)測(cè)網(wǎng)站設(shè)備管理和維護(hù)約占33%：為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，需要對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)站進(jìn)行專項(xiàng)管理和維護(hù)；重點(diǎn)沉降區(qū)和城市重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域均需要不斷增建新的水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS測(cè)量墩；對(duì)于遭受破壞的測(cè)量點(diǎn)也需要不斷維修和更新。在持續(xù)獲得較為理想的監(jiān)測(cè)成果的前提下，與同期相比，InSAR監(jiān)測(cè)的資金量?jī)H占不到2%，其經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)越性十分明顯。

3 InSAR監(jiān)測(cè)軌道交通工程實(shí)例分析

地面不均勻沉降對(duì)城市軌道交通工程的影響主要體現(xiàn)在：引起工程沿線高程急劇變化；影響工程結(jié)構(gòu)建設(shè)、鋪軌和設(shè)備安裝等工作進(jìn)程；長(zhǎng)期不均勻沉降導(dǎo)致的巨大高程差異破壞既有道床設(shè)施等線結(jié)構(gòu)，降低路基穩(wěn)定性；最終降低工程質(zhì)量，威脅運(yùn)營(yíng)安全[6]。

InSAR監(jiān)測(cè)作為一種新興的地表形變監(jiān)測(cè)手段，其用于線性工程專項(xiàng)監(jiān)測(cè)相對(duì)于傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量而言，尚處于起步階段。本文以北京地鐵13號(hào)線某一年度InSAR監(jiān)測(cè)為例，分析該地鐵沿線年度內(nèi)地面沉降發(fā)展?fàn)顩r。

北京地鐵13號(hào)線西起西直門，東至東直門，全長(zhǎng)40.5km，于2003年1月9日全線開(kāi)通。全線除西二旗到龍澤、柳芳到東直門部分區(qū)間（約3km）為地下段外，其他均為地面或高架鐵路。全線共設(shè)16個(gè)車站，其中大鐘寺站、知春路站、五道口站、龍澤站、霍營(yíng)站為高架車站，高出地面6m，設(shè)計(jì)最高行車時(shí)速80km。已開(kāi)通的10號(hào)線從13號(hào)線路下穿過(guò)，多條軌道工程的結(jié)合對(duì)地面沉降控制提出了新的要求。

地鐵13號(hào)線線路在北京市中心城區(qū)北部呈n字形，其北部處于昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)，東北部位于朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)沉降區(qū)。沿線地面不均勻沉降較為突出的地區(qū)有回龍觀、東小口和來(lái)廣營(yíng)等，局部地區(qū)近年來(lái)最大沉降速率一直保持在50mm/a以上。

根據(jù)某年度13號(hào)地鐵沿線InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，全線地面沉降速率分布狀況如圖3所示。

從圖中可看出，該年度內(nèi)整個(gè)13號(hào)線全線主要沉降中心集中在市區(qū)北部，線路經(jīng)過(guò)五道口站后有輕微沉降，小于15mm/a；經(jīng)清河鎮(zhèn)上地車站后逐步進(jìn)入沉降區(qū)，沉降幅度從15mm/a逐步增大到30mm/a；在黃土店一帶稍有所減緩，進(jìn)入東小口、霍營(yíng)和蘭各莊一帶沉降幅度增加，為50～75mm/a，成為13號(hào)線上沉降最大處。清河營(yíng)地區(qū)有所減緩，但經(jīng)過(guò)北苑站后進(jìn)入來(lái)廣營(yíng)一帶，沉降速率急劇增加，超過(guò)40mm/a；經(jīng)過(guò)北湖渠后逐步減小。沿線地面沉降速率剖面如圖4所示。

圖3 北京地鐵13號(hào)線沿線地面沉降速率InSAR分析結(jié)果Fig.3 The land subsidence along Beijing subway No.13 by InSAR

圖4 北京地鐵13號(hào)線地面沉降速率剖面Fig.4 The cross-sectional profile of land subsidence velocity along Beijing subway No.13

通過(guò)進(jìn)一步分析，盡管目前該地鐵沿線的地面沉降量發(fā)育情況與縱坡最大坡度20‰的要求相比而言，不會(huì)在短期內(nèi)對(duì)線路設(shè)計(jì)坡度造成破壞性影響，但其對(duì)地基和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍存在一定的負(fù)面影響。如若該地鐵線路長(zhǎng)期以如此快速的沉降速率發(fā)展下去，不均勻沉降的積累勢(shì)必加速突破該軌道交通工程的變形安全限值，引起破壞，威脅其安全運(yùn)營(yíng)。

隨著近幾年北京平原區(qū)地面沉降災(zāi)害的快速發(fā)展，在部分沉降中心區(qū)域內(nèi)，1km距離范圍內(nèi)年差異沉降量最大能達(dá)到35～45mm，且區(qū)內(nèi)分布有大量重要軌道交通工程。隨著差異沉降量的累計(jì)增加、城市建設(shè)速度及規(guī)模居高不下、軌道交通工程的大規(guī)模建設(shè)及運(yùn)行，地面沉降對(duì)軌道交通工程的影響將越來(lái)越明顯，其對(duì)線性工程的影響研究及災(zāi)害防治工作也是北京市地面沉降防治規(guī)劃的重要內(nèi)容之一。而InSAR監(jiān)測(cè)方法由于具有高頻、高密度等特點(diǎn)，在表現(xiàn)線性工程在時(shí)間、空間上的細(xì)節(jié)變化特征等方面具有其他測(cè)量方法所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有推廣應(yīng)用的重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

4 存在的不足

北京地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在地面沉降機(jī)理研究方面存在不足。與傳統(tǒng)的分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相比，InSAR監(jiān)測(cè)只能觀測(cè)到地表的形變，但是對(duì)于為什么會(huì)產(chǎn)生地表形變的更深層原因，尤其是地下水位變化、地層結(jié)構(gòu)影響等無(wú)法深入了解；

（2）在相干目標(biāo)較少的區(qū)域應(yīng)用效果不理想，為了提高測(cè)量精度，對(duì)SAR的數(shù)據(jù)量要求較高。如個(gè)別水準(zhǔn)最大沉降量點(diǎn)所在區(qū)域由于缺乏理想的相干目標(biāo)，從而在InSAR監(jiān)測(cè)成果中無(wú)法顯示出來(lái)；

（3）與傳統(tǒng)的高精度水準(zhǔn)測(cè)量相比，當(dāng)周期內(nèi)沉降量過(guò)小，超過(guò)InSAR方法觀測(cè)上限的時(shí)候監(jiān)測(cè)效果不理想，且數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對(duì)較差；

（4）不合理數(shù)據(jù)的剔除難度大。如水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示，一般基巖地區(qū)不發(fā)生構(gòu)造因素之外的不均勻地面沉降，但是受大氣、植被等干擾因素影響，InSAR解譯成果則顯示在北京的西、北部山區(qū)基巖地區(qū)有明顯的地面沉降現(xiàn)象發(fā)生，且該沉降量通過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理途徑難以消除。

5 結(jié)語(yǔ)

總體而言，InSAR監(jiān)測(cè)在北京平原區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的監(jiān)測(cè)效果較為理想，首先是因?yàn)楸本┑孛娉两祬^(qū)域范圍內(nèi)，尤其是城區(qū)內(nèi)相干目標(biāo)較多，有利于有效SAR數(shù)據(jù)的獲?。黄浯问怯谐掷m(xù)的資金投入和技術(shù)研究力量等的支撐，使得InSAR監(jiān)測(cè)工作能夠持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

InSAR監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)高精度水準(zhǔn)測(cè)量、分層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及GPS測(cè)量而言，在時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，精確性優(yōu)于GPS測(cè)量，是區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充，在線性工程不均勻沉降監(jiān)測(cè)方面具有很大的發(fā)展空間。但由于其仍存在一定的不足，因此將InSAR監(jiān)測(cè)與其他各種監(jiān)測(cè)方法結(jié)合使用，監(jiān)測(cè)效果將更為理想。

鳴謝：本文得到中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心葛大慶博士的大力幫助，在此深表感謝！

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Effectiveness of InSAR monitoring of land subsidence in Beijing

YANG Yan1,2
(1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China)

Based on the analysis of problems associated with land subsidence and the existing monitoring methods and technical capabilities in Beijing, this paper compares the differences in timeliness, precision, and economy of regional land subsidence monitoring among InSAR monitoring, traditional hierarchical dynamic monitoring, high-precision leveling, and GPS measurements. Using the case of land subsidence monitoring in the line 13 subway in Beijing, the advantages and disadvantages of each approach were analyzed, and advice presented for optimizing land subsidence monitoring resources and implementing linear engineering land subsidence disaster monitoring, which will help to promote the progress of disaster prevention and reduction in Beijing.

land subsidence; monitoring technology; InSAR; effect analysis

P642.26

A

2095-1329(2013)04-0021-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.006

2013-11-01

2013-11-18

楊艷(1982-),女,碩士,工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測(cè)與研究.

電子郵箱：yangyanhunan1982@126.com

聯(lián)系電話：010-51560322

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項(xiàng)目(1212011 220180);北京市國(guó)土資源局科研項(xiàng)目(京國(guó)土環(huán)函[2009]493)