基于PS-InSAR 方法反演北京地區地表沉降速率*

羅三明 杜凱夫 暢 柳 萬文妮 杜雪松 余 敏 楊 博

(中國地震局第一監測中心，天津 300180)

1 引言

北京地表沉降最早發現于1935年西單至東單一帶。至1952年的17年間為北京地區地表沉降發展的初期階段，之后經歷了1967—1973年的形成階段，1973—1982年的擴展階段，1983—1986年的緩慢發展階段，1987—1999年新的地表沉降區形成階段［1］及2000年至今的快速發展階段［2］。為了研究地表沉降的機理及與之有關的因素，在北京地區布設了地面沉降監測網、地面沉降專門監測網、GPS 監測網、地下水位動態監測網及InSAR 監測網，構成了地面沉降立體監測系統，科技工作者從GIS［3］、In-SAR 技術［4］、地下水位［5］、沉降機理［6］等不同領域對北京地區地表沉降進行了深入研究，取得了實用性突出的研究成果。本文在已有研究基礎上，采用基于高相干點目標的永久散射體(PS，Permanent Scatterers)技術，分析了27 期Envisat ASAR 重軌數據，獲取了北京及其周邊地區2006-08—2010-08月的地表沉降速率。

2 數據處理

為了跟蹤研究北京地區地表沉降發展趨勢，在該區已有地面沉降研究基礎上［7，8］，從歐空局訂購了2006-08—2010-08月共27 景ENVISAT ASAR 重軌數據，全部為降軌數據，VV 極化，數據覆蓋面積為104 km×126 km(圖1)，干涉參數如表1 所示。

經過PS-InSAR 技術處理，獲得了研究區地表沉降速度場信息。在104 km ×126 km 范圍內共識別出90 221 個PS 目標，每平方千米平均約6.8 個。揭示出研究區地表沉降的變化過程及其空間分布特征如圖2、3 所示。為了更加直觀地分析北京地區地表沉降發展態勢，分別在研究區不同區域選擇了若干參考PS 目標(圖4)，并繪制了參考PS 目標參考時序圖(圖5)。

為評估PS-InSAR 方法表示的速度場的可靠性，根據研究區內水準點的同期地表沉降水準觀測結果①地震行業科研專項:基于PS-InSAR 技術北京地區地殼形變場特征研究(編號:201008012)驗收報告.計算了地表沉降速率，并假設每個水準點周圍100m范圍內地表形變梯度是一致的，落在該范圍內的PS 目標與水準測量結果具有相同的形變梯度。根據此原則，在14 個水準點中篩選出了7 個滿足該條件的水準點(圖4 中藍色三角形)，并根據雷達視線入射角，將水準結果投影到雷達視線向上，對二者表示的地表同期沉降速率進行了比較，結果見表2。

圖1 干涉數據覆蓋范圍Fig.1 The boundary descending orbit data acquired over Beijing area

根據表2 可以看出，7 個水準點的實測結果與PS-InSAR 反演結果的相對誤差均在5 mm 以內，誤差均方差為3.62 mm。

表1 ASAR 雷達數據垂直基線、時間長度、多普勒質心頻率(軌跡號:218)Tab.1 Interferometric parameters(perpendicular baseline，time length，frequancy of Doppler centroid)of ASAR data(Track:218)

圖2 研究區位移場(LOS)時間序列Fig.2 Unwrapped PS time series deformation field in LOS

圖3 研究區PS 目標表示的雷達視線向平均速度場及研究區主要斷裂Fig.3 PS deformation field of the study area and main faults in Beijing area

表2 PS-InSAR 結果與水準測量結果的對比(單位:mm)Tab.2 Comparison of PS-InSAR result with leveling measurement(unit:mm)

圖4 參考PS 目標分布圖(藍色三角形為水準點位)Fig.4 The location of reference PS targets(blue triangle is leveling points)

3 結果分析

根據研究區位移場時間序列(圖2)分析，北京地區的雙橋、燕郊鎮、張喜莊、楊各莊、平谷、沙河鎮和與之鄰接的河北省廊坊市等7 個沉降中心的地表沉降一直處于發展態勢(表2)。PS 目標平均速度場表明(圖3)，北京的朝陽區、通縣至燕郊和河北省的廊坊市地表沉降速率最大(表3)，這可能與北京重點工業的東移導致地表負荷加重、地下水開采加大有關;參考PS 的變化過程(圖5)顯示，沉降中心地區的沉降速率處于持續發展狀態;北京市區地表沉降出現反彈(圖4 中參考PS 目標TS-A)，表明自20世紀80年代開始的人工回灌，緩解了地下水水位的下降。

圖5 參考PS 目標變化過程Fig.5 Change process of reference PS targets

表3 沉降中心地帶沉降速率(單位:mm/a)Tab.3 Subsidence rates of subsidence centers(unit:mm/a)

北京地區區域地質構造運動自兩億年左右中生代以來就表現為山區相對上升，平原區則緩慢下降。如南口-孫河斷裂西南側從昌平區沙河鎮，經朝陽區太陽宮至雙橋地帶，地面處于緩慢下沉(圖3)，自1969年1977年在該斷裂上盤下降幅度6 mm，平均變位速度0.75 m/ka，并且有繼續增加的趨勢。而斷裂的北東盤則相對上升(圖4 中參考PS 目標TSE)，斷裂兩側第四系厚度相差數十米到幾百米［1］，因此北京地區地質構造活動也是引起地表沉降的不可忽視的因素。

4 結論

對地下水資源的過渡開采是北京地區地表沉降的主要因素;北京地區區域地質構造運動也是引起地表沉降的不可忽視的因素。

致謝感謝歐洲空間局提供的Envisat ASAR 數據和荷蘭TUDELFT 大學提供的衛星精密軌道數據!

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