北京地面沉降InSAR测量效果分析.pdf

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1、北京地面沉降InSAR监测效果分析1,2杨艳（北京大学地球与空间科学学院，北京市水文地质工程地质大队，北京100195）摘要：在分析北京地面沉降灾害现状、现有监测方法和技术手段的基础上，对比InSAR监测与传统分层动态监测、高精度水准测量、GPS测量等在区域地面沉降监测时效性、精确性和经济性等之间的差别，并以北京地铁13号线地面沉降InSAR监测为例，分析其优势与不足，为优化北京地面沉降监测资源、全面开展线性工程地面沉降灾害监测提供参考，有益于推进首都减灾防灾工作进程。关键词：InSAR；地面沉降；监测；效果分析0引言北京市是一个以地

2、下水资源为主要供水水源的超级大都市，其三分之二的供水水源来源[1]于地下水。受1999年之后持续干旱年的出现，以及城市建设快速发展、人口急剧膨胀等[2]因素影响，北京市地下水超量开采一直难以得到有效控制，区域地下水位持续下降、局部地下水位降落漏斗明显，导致本世纪以来北京平原区一直处于地面沉降快速发展阶段，尤其是近几年，区域内最大年沉降量均超过100毫米，最大累计沉降量超过1.4米，沉降区域面[3]积超过整个平原区的三分之二，成为我国地面沉降发育严重的地区之一。地面沉降灾害已经造成市政设施和构、建筑物破坏，地面高程损失，威胁轨道交通安全

3、运行等影响，成为北[4]京城市发展建设和安全的重要影响因素。目前，北京地面沉降监测方法和技术手段主要包括：传统的高精度水准测量、分层动态监测（基岩标、分层标、地下水动态监测等）和现代的GPS测量、InSAR监测，监测网络分[5]布基本覆盖主要沉降区域。水准测量、GPS测量每年一次，分层动态监测每个小时取一次数，InSAR数据信息提取周期基本与水准测量一致。随着北京近年来地面沉降的快速发展，沉降区域不断扩大，监测网络布设和测量难度也不断加大：水准测量点覆盖存在空白区，且测量周期长，人力、物力和资金耗费巨大；分层动态监测建设选址难度大，一

4、次性投入资金量大，网点布设有限；GPS测量点易被破坏，维[6]护保养难度大等。在此情况下，InSAR监测由于具有区域性、快速和准确等优势，一定程度上弥补了上述测量方法的不足，是实现北京平原区地面沉降灾害监测全覆盖的有效补充。1北京地面沉降InSAR监测合成孔径雷达干涉测量（InSAR，InterferometrySyntheticApertureRadar）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经[7]相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。北京将InSAR监

5、测系统性用于区域地面沉降监测始于2008年，初期主要利用获取工作区内的ERS-1/2和ENVISAT数据成功解译了1992-2000年、2003-2007年北京地区地面沉降速率图。此后每年都定期获取覆盖北京地面沉降区域范围内不同时期的SAR图像及数据，以此进行地面沉降监测，数据信息提取的时间间隔尽量与其他测量周期同步。北京目前开展的InSAR调查监测工作主要采用RadarSAT-2卫星获取的雷达数据作为主要SAR数据。该数据为C波段雷达获取，其重复访问周期为24天，地面分辨率为30m×30m，满足区域性地面沉降监测需要，完整覆盖整个北

6、京平原区及部分山区。为提高监测精度，地面沉降信息提取采取相干目标干涉相位时序分析方法，主要利用相干目标差分干涉相位时间序列进行地表形变信息解算，根据差分干涉相位的时空频谱特性来解算地面沉降速率，实现地面沉降监测的目的。主要用于区域地面沉降监测，并逐步开展部分线性工程形变监测和趋势分析。2InSAR监测优势分析2.1时效性分析北京市传统的地面沉降分层动态监测目前基本实现自动化监测，监测数据提取周期可根据需要调整到每小时一个数据，甚至更短，但需要专门的技术人员进行仪器设备保养和运行维护管理，且要保证数据的连贯性，对供电、网络传输系统的稳定

7、性等具有较高要求。高精度地面沉降专门水准测量近几年年度测量里程约为3500千米，10个测量小组同时开展野外测量工作，测量周期约为2个月，加上前期踏勘、后期数据整理等工作，到最终获取高程数据历时约4个月。北京采取的GPS测量方法是将现有GPS测量点按照观测环境分为框架网与监测网，外业测量按同步环逐个进行，分10个观测小组，每个观测点观测时段数为3，每观测时段长23～24h，加上114个点的前期踏勘、测量数据获取以及成果解译等工作，全部完成需历时3个[8]多月。而InSAR监测高程数据获取周期远小于上述水准测量和GPS测量，尤其是德国宇航

8、中心（DLR）2007年设计制造的TerraSAR-X，其重复周期仅为11天，采用X波段，对快速发展的地表形变监测极为敏感。由于InSAR监测重复周期短，对于分析区域内不同时期的地面沉降变化情况十分有效。当前几种雷达传感