基于PS-InSAR 方法反演北京地区地表沉降速率*

罗三明 杜凯夫 畅 柳 万文妮 杜雪松 余 敏 杨 博

(中国地震局第一监测中心，天津 300180)

1 引言

北京地表沉降最早发现于1935年西单至东单一带。至1952年的17年间为北京地区地表沉降发展的初期阶段，之后经历了1967—1973年的形成阶段，1973—1982年的扩展阶段，1983—1986年的缓慢发展阶段，1987—1999年新的地表沉降区形成阶段［1］及2000年至今的快速发展阶段［2］。为了研究地表沉降的机理及与之有关的因素，在北京地区布设了地面沉降监测网、地面沉降专门监测网、GPS 监测网、地下水位动态监测网及InSAR 监测网，构成了地面沉降立体监测系统，科技工作者从GIS［3］、In-SAR 技术［4］、地下水位［5］、沉降机理［6］等不同领域对北京地区地表沉降进行了深入研究，取得了实用性突出的研究成果。本文在已有研究基础上，采用基于高相干点目标的永久散射体(PS，Permanent Scatterers)技术，分析了27 期Envisat ASAR 重轨数据，获取了北京及其周边地区2006-08—2010-08月的地表沉降速率。

2 数据处理

为了跟踪研究北京地区地表沉降发展趋势，在该区已有地面沉降研究基础上［7，8］，从欧空局订购了2006-08—2010-08月共27 景ENVISAT ASAR 重轨数据，全部为降轨数据，VV 极化，数据覆盖面积为104 km×126 km(图1)，干涉参数如表1 所示。

经过PS-InSAR 技术处理，获得了研究区地表沉降速度场信息。在104 km ×126 km 范围内共识别出90 221 个PS 目标，每平方千米平均约6.8 个。揭示出研究区地表沉降的变化过程及其空间分布特征如图2、3 所示。为了更加直观地分析北京地区地表沉降发展态势，分别在研究区不同区域选择了若干参考PS 目标(图4)，并绘制了参考PS 目标参考时序图(图5)。

为评估PS-InSAR 方法表示的速度场的可靠性，根据研究区内水准点的同期地表沉降水准观测结果①地震行业科研专项:基于PS-InSAR 技术北京地区地壳形变场特征研究(编号:201008012)验收报告.计算了地表沉降速率，并假设每个水准点周围100m范围内地表形变梯度是一致的，落在该范围内的PS 目标与水准测量结果具有相同的形变梯度。根据此原则，在14 个水准点中筛选出了7 个满足该条件的水准点(图4 中蓝色三角形)，并根据雷达视线入射角，将水准结果投影到雷达视线向上，对二者表示的地表同期沉降速率进行了比较，结果见表2。

图1 干涉数据覆盖范围Fig.1 The boundary descending orbit data acquired over Beijing area

根据表2 可以看出，7 个水准点的实测结果与PS-InSAR 反演结果的相对误差均在5 mm 以内，误差均方差为3.62 mm。

表1 ASAR 雷达数据垂直基线、时间长度、多普勒质心频率(轨迹号:218)Tab.1 Interferometric parameters(perpendicular baseline，time length，frequancy of Doppler centroid)of ASAR data(Track:218)

图2 研究区位移场(LOS)时间序列Fig.2 Unwrapped PS time series deformation field in LOS

图3 研究区PS 目标表示的雷达视线向平均速度场及研究区主要断裂Fig.3 PS deformation field of the study area and main faults in Beijing area

表2 PS-InSAR 结果与水准测量结果的对比(单位:mm)Tab.2 Comparison of PS-InSAR result with leveling measurement(unit:mm)

图4 参考PS 目标分布图(蓝色三角形为水准点位)Fig.4 The location of reference PS targets(blue triangle is leveling points)

3 结果分析

根据研究区位移场时间序列(图2)分析，北京地区的双桥、燕郊镇、张喜庄、杨各庄、平谷、沙河镇和与之邻接的河北省廊坊市等7 个沉降中心的地表沉降一直处于发展态势(表2)。PS 目标平均速度场表明(图3)，北京的朝阳区、通县至燕郊和河北省的廊坊市地表沉降速率最大(表3)，这可能与北京重点工业的东移导致地表负荷加重、地下水开采加大有关;参考PS 的变化过程(图5)显示，沉降中心地区的沉降速率处于持续发展状态;北京市区地表沉降出现反弹(图4 中参考PS 目标TS-A)，表明自20世纪80年代开始的人工回灌，缓解了地下水水位的下降。

图5 参考PS 目标变化过程Fig.5 Change process of reference PS targets

表3 沉降中心地带沉降速率(单位:mm/a)Tab.3 Subsidence rates of subsidence centers(unit:mm/a)

北京地区区域地质构造运动自两亿年左右中生代以来就表现为山区相对上升，平原区则缓慢下降。如南口-孙河断裂西南侧从昌平区沙河镇，经朝阳区太阳宫至双桥地带，地面处于缓慢下沉(图3)，自1969年1977年在该断裂上盘下降幅度6 mm，平均变位速度0.75 m/ka，并且有继续增加的趋势。而断裂的北东盘则相对上升(图4 中参考PS 目标TSE)，断裂两侧第四系厚度相差数十米到几百米［1］，因此北京地区地质构造活动也是引起地表沉降的不可忽视的因素。

4 结论

对地下水资源的过渡开采是北京地区地表沉降的主要因素;北京地区区域地质构造运动也是引起地表沉降的不可忽视的因素。

致谢感谢欧洲空间局提供的Envisat ASAR 数据和荷兰TUDELFT 大学提供的卫星精密轨道数据!

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