基于PS-InSAR、精密水准等技术的沈阳地区地面沉降研究

孙岐发，田 辉，李旭光

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

基于PS-InSAR、精密水准等技术的沈阳地区地面沉降研究

孙岐发，田 辉，李旭光

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

为了掌握沈阳地区地面沉降状况，在充分搜集研究沈阳地区国家精密水准测量成果和不同时期1∶50000地形图成果的基础上，采用永久散射体干涉测量（PS-InSAR）技术，对沈阳地区地面沉降进行深入研究.结果表明，沈阳地区在1984年以前基本稳定，1984年以后地面沉降逐步发展，2007年以后地面沉降发展迅速，局部地区已经发展为地面沉降严重区.

地面沉降；PS-InSAR；精密水准；地形图；沈阳地区

0 前言

沈阳经济区作为国家级新型工业化改革试验区，工业化、城镇化需要更加合理的规划，不能将试验区建设在地面沉降区.综合研究沈阳地区是否存在地面沉降，主要沉降区在哪里，沉降的量级是多少，是否对经济区发展有影响，具有十分重要的意义.

沈阳地区存在水源降落漏斗，水源漏斗进一步发展就形成大的区域漏斗.地下水漏斗会对环境造成很多危害，如在漏斗区会出现地面塌陷、地面沉降、岩溶塌陷、地面差异沉降等地质灾害.如果监测不及时，处理不得当，就会对建筑物、各类管线、公路、铁路、桥梁等造成严重影响和损害.在沈阳经济区的规划发展中，掌握区域内地面沉降情况是十分必要的.

1 基于精密水准技术的地面沉降研究［1］

水准测量方法可以获取高精度的监测结果.虽然覆盖面积有限，实施周期长，但是针对于局部区域，其结果的可靠性非常高.因此，为了研究沈阳地区的历史沉降情况，我们搜集了该地区两期大地水准测量资料.

第一期精密水准成果是1958年以原辽宁省水利电力建设局勘测设计院为主施测完成的，1959年纳入全国精密水准网进行统一平差计算，以沈阳为中心向外辐射有5条水准线路，分别是沈盖线、哈沈线、赤沈线、沈沟线和沈丹线，以青岛水准原点为起算，原点高程为72.2893 m.

第二期精密水准成果是1984年由国家测绘总局组织施测完成的，1986年全国统一平差计算，是以青岛的中华人民共和国国家水准原点，按照“1985年国家高程基准”起算，原点高程72.2604 m.

第一期与第二期水准点在沈阳地区重合40余座，点位分布均匀.两次精密水准监测成果基本代表了本区域、本时期地面沉降情况.两期施测成果相减，得出沈阳地区26年间垂直变化量在80 mm左右，下沉速率为3.0 mm/a.第一期与第二期水准测量的平差计算，起算水准原点是不一致的，按照“1985年国家高程基准”起算的高程为78.260 m，比1956年黄海平均海水面起算的高程值低29 mm.若按静止的观点分析，两期各水准点的高差值变化也应该是近于29 mm的常数.如果减去这一数值，沈阳地区26年间地面实际变化值为51 mm，下沉速率小于2.0 mm/a，说明这一时期沈阳地区是稳定的.

2 基于地形图比对方法的地面沉降研究［2］

沈阳地区1984～2007年没有可研究整个区域地面沉降的水准监测资料，也没有相关InSAR监测成果.通过搜集1977年及2007年沈阳地区1∶50000的地形图，利用地形图比对的方法，填补了这一时期沈阳地区没有地面沉降监测资料的空白.先搜集到沈阳地区两个时期1∶50000地形图各19张，找到两张图上同时存在的永久三角点65对，成功对不同时期的地形图进行了比对.由于两个时期的高程起算标准是不一样的，为了统一标准，将第二期的高程值同时加上常数29 mm进行计算.

数据显示，沈阳地区65个比较点中只有1个点没有沉降，其他各点都存在沉降现象，平均沉降值为480 mm，最大沉降值为1129 mm，如果按照30年的时间进行计算，年沉降率为37.6 mm/a.因前面已经对1958～1984年的地面沉降情况进行了研究，结果显示这一时期的年沉降速率小于2.0 mm/a.如果1977～1984年的地面沉降按照这一速率发展的话，7年时间沉降14.0 mm.减去这一数值，1984～2007年的23年间，最大沉降点的沉降值为1115.0 mm，年沉降速率为48.48 mm/a，这一时期沈阳地区地面沉降严重程度中等.

3 基于PS-InSAR技术的地面沉降研究［3-5］

永久散射体干涉测量（PS-InSAR）是正在发展中的极具潜力的测量微小地表形变的技术,它已在研究地面沉降、冰川漂移、火山运动、山体滑坡以及地震形变等方面表现出极好的前景；它继承了SAR的全天候、大范围、全天时、有一定穿透能力等优点；它具有低成本、近连续性动态过程的长期监测能力.因此，该技术在军事、国民经济建设中，有着极其广泛的应用.

为在较短时间内获得沈阳大范围地区地面沉降情况，采用高相干点InSAR技术对沈阳地区开展大范围的地面沉降测量工作，获取了沈阳地区地面沉降的分布信息.

3.1 区域数据情况

表1为ALOS PALSAR的track434、frame820的数据列表，共计21景数据，为ALOS PALSAR升轨数据.图1为该区域数据覆盖范围.经对数据进行质量检查，发现20070729和20100621两景数据由于数据质量较差，在本次数据处理当中未被采用.最终根据影像多普勒中心频率、时间基线及空间基线等条件，将20100506作为本次数据处理的主影像.利用PS-InSAR技术对覆盖沈阳地区的数据进行了处理，图2是覆盖沈阳地区的强度图.

表1 ALOS PALSAR数据列表

图1 沈阳地区AlOS（434）数据覆盖范围Fig.1 The AlOS(434)data covered range in Shenyang region1-工作区界线（boundary of working area）；2-地级市（city）；3-河流（river）；4-铁路（railway）；5-公路（highway）；6-下辽河平原（Lower Liaohe River Plain）；7-数据覆盖区范围（data covered range）

图2 覆盖沈阳地区影像强度图Fig.2 The intensity image of Shenyang region

3.2 结果与分析

根据PS-InSAR的数据处理原理，对SAR数据进行了影像配准、重采样、PS点选取、干涉图生成、干涉图滤波、干涉基线精化及PS点相位时序分析等处理，得到2007～2010年沈阳地区的年沉降速率图，如图3所示.从图3中可以看出，该地区未出现明显的大面积地面沉降漏斗，沉降多以局部小范围发生，沉降可能与局部煤矿开采、石油开采及地下水开采有关.经对结果仔细分析，在沈阳市周边存在6个大量级地面沉降区，值得关注.图3中红色标出了6个沉降速率在50 mm/a以上的地区.A区、B区、C区、D区、E区和F区的沉降速率分别为145.5、121.5、105.5、57.8、60和56.8 mm/a.

为了便于形变监测结果的定位与分析，将图3中各区形变结果进行了Google Earth的叠加显示.从统计的6个形变区域所处的具体位置可知，A区主要覆盖3个村镇，分别是沈阳市沈北新区石佛一村、石佛二村、马门子村（图4）；B区主要在新民市黄金村附近；C区主要在新民市高台村附近；D区主要在新民市长山子村附近；E区主要在沈阳市苏家屯区附近，呈现条带状沉降；F区主要在新民市新华村附近.

图4为将A区形变结果展示到Google Earth的结果.A区主要覆盖的3个村镇最大沉降速率达到200 mm/a，形变区域较大.图5中1号点时间序列结果显示出，累计沉降量已经达到582 mm.

为了进一步分析各区域的形变时间序列信息，提取了各沉降区的时间序列形变信息，结果如图5所示.统计结果显示A区、B区、C区、D区、E区和F区6个区域4年内累计沉降量分别达582、486、422、231、240和227 mm.

4 结论和建议

精密水准测量是地面沉降监测的最基本方法，精度高，成果可靠.本文利用水准资料及地形图比对方法，分析了1984～2007年时期内沈阳地区的地面沉降情况，并利用PS-InSAR监测技术得出一系列研究成果，获取了典型形变区的分布及形变时间序列特征.

通过本次综合研究，认为沈阳地区在1984年以前基本不存在大面积地面沉降现象；从1984～2007年，平均地面沉降值为48.48 mm/a，地面沉降严重程度为中等；从2007～2010年，出现了3个地面沉降速率超过80 mm/a的区域，沉降最严重的沈北新区地面沉降速率已经达到145.5 mm/a，属于严重地面沉降区.综上所述，沈阳地区的地面沉降从无到有，目前已经出现多个地面沉降严重区域.

为此，建议沈阳新型工业化基地规划建设要尽量避开地面沉降影响区，同时加强地面沉降灾害的监测，及时掌握地面沉降发展的规律，为科学防治提供依据；加强对人类经济活动与工程活动中可能引起地面沉降区域的监测，做到早发现早预防.

图3 沈阳市及周边年沉降速率图Fig.3 Rates of ground subsidence in Shenyang City and the surroundings

图4 A区域在Google Earth上显示的结果Fig.4 The results of Area A on Google Earth

图5 各形变区域相应点位的累积形变统计结果Fig.5 Statistics for the cumulative deformation of the corresponding points in the deformation areas

［1］孙岐发，田辉，张扩.下辽河平原地区历史地面沉降情况研究［J］.地质与资源,2014,23（5）:450—452.

［2］刘毅.地面沉降研究的新进展与面临的新问题［J］.地学前缘,2001, 8（2）:273—277.

［3］Zebker H A,Goldstein R M.Topgraphic mapping from interferometric synthetic aperture radar observations［J］.J Geophysical Research,1986, 91（B5）:4993—4999.

［4］刘国祥，丁晓利，陈永奇，等.极具潜力的空间对地观测新技术：合成孔径雷达干涉［J］.地球科学进展,2000,15（6）:734—740.

［5］Gabriel A K,Goldstein R M,Zebker H A.Mapping small elevation changes over large areas:Differential radar interferometry［J］.Journal of Geophysical Research,1989,94（B5）:9183—9191.

SUN Qi-fa,TIAN Hui,LI Xu-guang

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China

In order to recognize the status of land subsidence in Shenyang region,the permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar（PS-InSAR）and other technologies are adopted on the basis of local precise leveling data and the 1∶50000 topographic maps of the region in different periods.The result shows that,before 1984,Shenyang area is basically stable;since 1984,the land subsidence has gradually developed;then after 2007,the rapid development of land subsidence in localareas became more serious.

land subsidence;permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar（PS-InSAR）;precise leveling; topographic map;Shenyang region

2015-03-04；

2015-10-19.编辑：张哲.

中国地质调查局国土资源大调查项目“东北平原地面沉降调查与监测”（编号12120113011500）；辽宁省国土资源厅项目“下辽河平原地区地面沉降监测工程”（编号2013102）.

孙岐发（1966—），男，博士，教授级高工，主要从事水文、工程、环境地质研究工作，通信地址：辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，

E-mail//152468435@qq.com