北京地面沉降InSAR监测效果分析

杨 艳

（1. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京地面沉降InSAR监测效果分析

杨 艳1,2

（1. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

在分析北京地面沉降灾害现状、现有监测方法和技术手段基础上，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，以助于推进首都减灾防灾工作进程。

地面沉降；监测技术；InSAR；效果分析

北京市是一个以地下水资源为主要供水水源的超级大都市，其2/3的供水水源来源于地下水[1]。受1999年之后持续出现的干旱，以及城市建设快速发展、人口急剧膨胀等因素影响，北京市地下水超量开采一直难以得到有效控制[2]，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100mm，最大累计沉降量超过1.4m，沉降区域面积超过整个平原区的2/3，成为我国地面沉降发育严重地区之一[3]。地面沉降灾害已经造成地面高程损失、市政设施和构建筑物破坏，威胁轨道交通安全运行，成为影响北京城市建设发展和安全的重要环境地质问题[4]。

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，监测网络分布基本覆盖主要沉降区域[5]。水准测量、GPS测量每年一次，分层自动化动态监测为每小时取值一次，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，一次性投入资金量大，网点布设有限；GPS测量点易被破坏，维护保养难度大等。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（Interferometry Synthetic Aperture Radar, InSAR）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技术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；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24d，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。

2 InSAR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性等具有较高要求。

高精度地面沉降专门水准测量近几年的年度测量里程约为3500km，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，尤其是德国宇航中心（DLR）2007年设计制造的TerraSAR-X，其重复周期仅为11d，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。

通过对比不难看出，单从区域地面沉降监测的时效性而言，InSAR监测优势十分明显。

2.2 精确性分析

（1）点监测精确性分析

一般认为高精度水准测量用于区域地面沉降，其测量成果的精确性相对较高，且测量数据稳定性较好。因此，为了验证InSAR监测成果数据的准确性，选取某年度北京平原区7个典型监测点，对InSAR与三种不同监测方法的同期监测成果数据进行对比（图1）。

图1 不同监测方法测量成果对比Fig.1 Comparison of the monitoring results using different methods

由图可看出，InSAR监测、分层标监测与水准测量值的吻合程度都比较高，而GPS测量成果值相对偏差较大。若以水准测量值为真值的话，InSAR监测精度基本能够满足区域地面沉降监测要求。

（2）区域监测精确性分析

以某区域InSAR监测成果为例，区内最大沉降量在金盏西南至东坝地区，沉降速率超过100mm/a。与此前几年InSAR监测成果比较，该区域地面沉降整体仍呈快速发展趋势。

而水准测量成果显示，金盏西南一带年度最大沉降量超过120mm，北马房、东坝一带最大年沉降量均超过100mm。其结果与InSAR监测成果基本接近（图2），而前几年的水准测量成果也反映出呈现沉降快速发展，两者揭示的变化趋势是一致的。

因此，从整个区域监测分析，InSAR监测成果与水准测量反映出的北京平原区地面沉降发展趋势基本吻合。

2.3 经济性分析

地面沉降灾害监测、研究和防治工作历来为北京市政府所重视，尤其是本世纪以来，基础监测设施建设、沉降机理分析、控沉关键技术研究、城市规划前期勘查与评价等相关项目陆续开展，综合行政管理、区域联动制度建立等工作得到加强，政府财政投入力度不断加大，地面沉降灾害防治基础工作得到快速发展。

2004年、2008年先后建设完成的北京市地面沉降监测网站预警预报系统建设一、二期工程，共建设完成7个地面沉降监测站（包括基岩标7座、分层标55座、地下水动态监测井37口、孔隙水压力孔16眼、气象监测站2座以及InSAR角反射器7个）、114个永久性GPS测量点、100个地面沉降专门监测点，累计财政投资数千万元。

2004年至今，北京市地面沉降监测工作持续开展，但大部分的资金投入均用于水准测量、GPS测量、监测网站（水准、GPS、监测站及地下水动态监测井）设备管理和维护。以近几年北京市地面沉降监测系统运行项目的资金使用情况为例，水准测量和GPS测量的资金投入约占当年该项目总经费的63%；监测网站设备管理和维护约占33%：为了保证监测数据的准确性和连续性，需要对地面沉降监测站进行专项管理和维护；重点沉降区和城市重点发展区域均需要不断增建新的水准点和GPS测量墩；对于遭受破坏的测量点也需要不断维修和更新。在持续获得较为理想的监测成果的前提下，与同期相比，InSAR监测的资金量仅占不到2%，其经济效益的优越性十分明显。

3 InSAR监测轨道交通工程实例分析

地面不均匀沉降对城市轨道交通工程的影响主要体现在：引起工程沿线高程急剧变化；影响工程结构建设、铺轨和设备安装等工作进程；长期不均匀沉降导致的巨大高程差异破坏既有道床设施等线结构，降低路基稳定性；最终降低工程质量，威胁运营安全[6]。

InSAR监测作为一种新兴的地表形变监测手段，其用于线性工程专项监测相对于传统的水准测量而言，尚处于起步阶段。本文以北京地铁13号线某一年度InSAR监测为例，分析该地铁沿线年度内地面沉降发展状况。

北京地铁13号线西起西直门，东至东直门，全长40.5km，于2003年1月9日全线开通。全线除西二旗到龙泽、柳芳到东直门部分区间（约3km）为地下段外，其他均为地面或高架铁路。全线共设16个车站，其中大钟寺站、知春路站、五道口站、龙泽站、霍营站为高架车站，高出地面6m，设计最高行车时速80km。已开通的10号线从13号线路下穿过，多条轨道工程的结合对地面沉降控制提出了新的要求。

地铁13号线线路在北京市中心城区北部呈n字形，其北部处于昌平沙河—八仙庄沉降区，东北部位于朝阳来广营沉降区。沿线地面不均匀沉降较为突出的地区有回龙观、东小口和来广营等，局部地区近年来最大沉降速率一直保持在50mm/a以上。

根据某年度13号地铁沿线InSAR监测结果，全线地面沉降速率分布状况如图3所示。

从图中可看出，该年度内整个13号线全线主要沉降中心集中在市区北部，线路经过五道口站后有轻微沉降，小于15mm/a；经清河镇上地车站后逐步进入沉降区，沉降幅度从15mm/a逐步增大到30mm/a；在黄土店一带稍有所减缓，进入东小口、霍营和兰各庄一带沉降幅度增加，为50～75mm/a，成为13号线上沉降最大处。清河营地区有所减缓，但经过北苑站后进入来广营一带，沉降速率急剧增加，超过40mm/a；经过北湖渠后逐步减小。沿线地面沉降速率剖面如图4所示。

图3 北京地铁13号线沿线地面沉降速率InSAR分析结果Fig.3 The land subsidence along Beijing subway No.13 by InSAR

图4 北京地铁13号线地面沉降速率剖面Fig.4 The cross-sectional profile of land subsidence velocity along Beijing subway No.13

通过进一步分析，尽管目前该地铁沿线的地面沉降量发育情况与纵坡最大坡度20‰的要求相比而言，不会在短期内对线路设计坡度造成破坏性影响，但其对地基和桥梁结构的稳定性仍存在一定的负面影响。如若该地铁线路长期以如此快速的沉降速率发展下去，不均匀沉降的积累势必加速突破该轨道交通工程的变形安全限值，引起破坏，威胁其安全运营。

随着近几年北京平原区地面沉降灾害的快速发展，在部分沉降中心区域内，1km距离范围内年差异沉降量最大能达到35～45mm，且区内分布有大量重要轨道交通工程。随着差异沉降量的累计增加、城市建设速度及规模居高不下、轨道交通工程的大规模建设及运行，地面沉降对轨道交通工程的影响将越来越明显，其对线性工程的影响研究及灾害防治工作也是北京市地面沉降防治规划的重要内容之一。而InSAR监测方法由于具有高频、高密度等特点，在表现线性工程在时间、空间上的细节变化特征等方面具有其他测量方法所无法比拟的优势，具有推广应用的重要价值和现实意义。

4 存在的不足

北京地面沉降InSAR监测存在的不足主要体现在以下几个方面：

（1）在地面沉降机理研究方面存在不足。与传统的分层动态监测相比，InSAR监测只能观测到地表的形变，但是对于为什么会产生地表形变的更深层原因，尤其是地下水位变化、地层结构影响等无法深入了解；

（2）在相干目标较少的区域应用效果不理想，为了提高测量精度，对SAR的数据量要求较高。如个别水准最大沉降量点所在区域由于缺乏理想的相干目标，从而在InSAR监测成果中无法显示出来；

（3）与传统的高精度水准测量相比，当周期内沉降量过小，超过InSAR方法观测上限的时候监测效果不理想，且数据的稳定性相对较差；

（4）不合理数据的剔除难度大。如水准测量结果显示，一般基岩地区不发生构造因素之外的不均匀地面沉降，但是受大气、植被等干扰因素影响，InSAR解译成果则显示在北京的西、北部山区基岩地区有明显的地面沉降现象发生，且该沉降量通过合理的数据处理途径难以消除。

5 结语

总体而言，InSAR监测在北京平原区地面沉降监测中的监测效果较为理想，首先是因为北京地面沉降区域范围内，尤其是城区内相干目标较多，有利于有效SAR数据的获取；其次是有持续的资金投入和技术研究力量等的支撑，使得InSAR监测工作能够持续稳定进行。

InSAR监测方法与传统高精度水准测量、分层动态监测以及GPS测量而言，在时效性、经济性等方面具有一定优势，精确性优于GPS测量，是区域地面沉降监测的有效补充，在线性工程不均匀沉降监测方面具有很大的发展空间。但由于其仍存在一定的不足，因此将InSAR监测与其他各种监测方法结合使用，监测效果将更为理想。

鸣谢：本文得到中国国土资源航空物探遥感中心葛大庆博士的大力帮助，在此深表感谢！

References)

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Chen B B, Gong H L, Li X J, et al. The evolvement of groundwater system and process of land subsidence in Beijing[J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012,42(S1):373-379.

[2]贾三满,王海刚,赵守生,等. 北京地面沉降机理研究初探[J]. 城市地质,2007,2(1):20-27.

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[3]杨艳,贾三满,王海刚. 北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析[J]. 上海地质,2010,31(4):23-28.

Yang Y, Jia S M, Wang H G. The status and development of land subsidence in Beijing plain[J].Shanghai Geology, 2010,31(4):23-28.

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[5]刘明坤,贾三满,褚宏亮. 北京市地面沉降监测系统及技术方法[J]. 地质与资源,2012,21(2):244-249.

Liu M K, Jia S M, Chu H L. The monitoring system and technologies of land subsidence in Beijing[J].Geology and Resources, 2012,21(2):244-249.

[6]秦长利. 地面沉降对轨道交通的影响和应对措施[J]. 都市快轨交通,2010,23(5):72-74.

Qin C L. Impact of surface subsidence on urban rail transit and countermeasures[J].Urban Rapid Rail Transit, 2010,23(5):72-74.

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

杨艳(1982-),女,硕士,工程师,主要从事地面沉降监测与研究.

电子邮箱：yangyanhunan1982@126.com

联系电话：010-51560322

中国地质调查局地调项目(1212011 220180);北京市国土资源局科研项目(京国土环函[2009]493)