基于PS-InSAR、精密水準等技術的沈陽地區地面沉降研究

孫岐發，田 輝，李旭光

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110034

基于PS-InSAR、精密水準等技術的沈陽地區地面沉降研究

孫岐發，田 輝，李旭光

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110034

為了掌握沈陽地區地面沉降狀況，在充分搜集研究沈陽地區國家精密水準測量成果和不同時期1∶50000地形圖成果的基礎上，采用永久散射體干涉測量（PS-InSAR）技術，對沈陽地區地面沉降進行深入研究.結果表明，沈陽地區在1984年以前基本穩定，1984年以后地面沉降逐步發展，2007年以后地面沉降發展迅速，局部地區已經發展為地面沉降嚴重區.

地面沉降；PS-InSAR；精密水準；地形圖；沈陽地區

0 前言

沈陽經濟區作為國家級新型工業化改革試驗區，工業化、城鎮化需要更加合理的規劃，不能將試驗區建設在地面沉降區.綜合研究沈陽地區是否存在地面沉降，主要沉降區在哪里，沉降的量級是多少，是否對經濟區發展有影響，具有十分重要的意義.

沈陽地區存在水源降落漏斗，水源漏斗進一步發展就形成大的區域漏斗.地下水漏斗會對環境造成很多危害，如在漏斗區會出現地面塌陷、地面沉降、巖溶塌陷、地面差異沉降等地質災害.如果監測不及時，處理不得當，就會對建筑物、各類管線、公路、鐵路、橋梁等造成嚴重影響和損害.在沈陽經濟區的規劃發展中，掌握區域內地面沉降情況是十分必要的.

1 基于精密水準技術的地面沉降研究［1］

水準測量方法可以獲取高精度的監測結果.雖然覆蓋面積有限，實施周期長，但是針對于局部區域，其結果的可靠性非常高.因此，為了研究沈陽地區的歷史沉降情況，我們搜集了該地區兩期大地水準測量資料.

第一期精密水準成果是1958年以原遼寧省水利電力建設局勘測設計院為主施測完成的，1959年納入全國精密水準網進行統一平差計算，以沈陽為中心向外輻射有5條水準線路，分別是沈蓋線、哈沈線、赤沈線、沈溝線和沈丹線，以青島水準原點為起算，原點高程為72.2893 m.

第二期精密水準成果是1984年由國家測繪總局組織施測完成的，1986年全國統一平差計算，是以青島的中華人民共和國國家水準原點，按照“1985年國家高程基準”起算，原點高程72.2604 m.

第一期與第二期水準點在沈陽地區重合40余座，點位分布均勻.兩次精密水準監測成果基本代表了本區域、本時期地面沉降情況.兩期施測成果相減，得出沈陽地區26年間垂直變化量在80 mm左右，下沉速率為3.0 mm/a.第一期與第二期水準測量的平差計算，起算水準原點是不一致的，按照“1985年國家高程基準”起算的高程為78.260 m，比1956年黃海平均海水面起算的高程值低29 mm.若按靜止的觀點分析，兩期各水準點的高差值變化也應該是近于29 mm的常數.如果減去這一數值，沈陽地區26年間地面實際變化值為51 mm，下沉速率小于2.0 mm/a，說明這一時期沈陽地區是穩定的.

2 基于地形圖比對方法的地面沉降研究［2］

沈陽地區1984～2007年沒有可研究整個區域地面沉降的水準監測資料，也沒有相關InSAR監測成果.通過搜集1977年及2007年沈陽地區1∶50000的地形圖，利用地形圖比對的方法，填補了這一時期沈陽地區沒有地面沉降監測資料的空白.先搜集到沈陽地區兩個時期1∶50000地形圖各19張，找到兩張圖上同時存在的永久三角點65對，成功對不同時期的地形圖進行了比對.由于兩個時期的高程起算標準是不一樣的，為了統一標準，將第二期的高程值同時加上常數29 mm進行計算.

數據顯示，沈陽地區65個比較點中只有1個點沒有沉降，其他各點都存在沉降現象，平均沉降值為480 mm，最大沉降值為1129 mm，如果按照30年的時間進行計算，年沉降率為37.6 mm/a.因前面已經對1958～1984年的地面沉降情況進行了研究，結果顯示這一時期的年沉降速率小于2.0 mm/a.如果1977～1984年的地面沉降按照這一速率發展的話，7年時間沉降14.0 mm.減去這一數值，1984～2007年的23年間，最大沉降點的沉降值為1115.0 mm，年沉降速率為48.48 mm/a，這一時期沈陽地區地面沉降嚴重程度中等.

3 基于PS-InSAR技術的地面沉降研究［3-5］

永久散射體干涉測量（PS-InSAR）是正在發展中的極具潛力的測量微小地表形變的技術,它已在研究地面沉降、冰川漂移、火山運動、山體滑坡以及地震形變等方面表現出極好的前景；它繼承了SAR的全天候、大范圍、全天時、有一定穿透能力等優點；它具有低成本、近連續性動態過程的長期監測能力.因此，該技術在軍事、國民經濟建設中，有著極其廣泛的應用.

為在較短時間內獲得沈陽大范圍地區地面沉降情況，采用高相干點InSAR技術對沈陽地區開展大范圍的地面沉降測量工作，獲取了沈陽地區地面沉降的分布信息.

3.1 區域數據情況

表1為ALOS PALSAR的track434、frame820的數據列表，共計21景數據，為ALOS PALSAR升軌數據.圖1為該區域數據覆蓋范圍.經對數據進行質量檢查，發現20070729和20100621兩景數據由于數據質量較差，在本次數據處理當中未被采用.最終根據影像多普勒中心頻率、時間基線及空間基線等條件，將20100506作為本次數據處理的主影像.利用PS-InSAR技術對覆蓋沈陽地區的數據進行了處理，圖2是覆蓋沈陽地區的強度圖.

表1 ALOS PALSAR數據列表

圖1 沈陽地區AlOS（434）數據覆蓋范圍Fig.1 The AlOS(434)data covered range in Shenyang region1-工作區界線（boundary of working area）；2-地級市（city）；3-河流（river）；4-鐵路（railway）；5-公路（highway）；6-下遼河平原（Lower Liaohe River Plain）；7-數據覆蓋區范圍（data covered range）

圖2 覆蓋沈陽地區影像強度圖Fig.2 The intensity image of Shenyang region

3.2 結果與分析

根據PS-InSAR的數據處理原理，對SAR數據進行了影像配準、重采樣、PS點選取、干涉圖生成、干涉圖濾波、干涉基線精化及PS點相位時序分析等處理，得到2007～2010年沈陽地區的年沉降速率圖，如圖3所示.從圖3中可以看出，該地區未出現明顯的大面積地面沉降漏斗，沉降多以局部小范圍發生，沉降可能與局部煤礦開采、石油開采及地下水開采有關.經對結果仔細分析，在沈陽市周邊存在6個大量級地面沉降區，值得關注.圖3中紅色標出了6個沉降速率在50 mm/a以上的地區.A區、B區、C區、D區、E區和F區的沉降速率分別為145.5、121.5、105.5、57.8、60和56.8 mm/a.

為了便于形變監測結果的定位與分析，將圖3中各區形變結果進行了Google Earth的疊加顯示.從統計的6個形變區域所處的具體位置可知，A區主要覆蓋3個村鎮，分別是沈陽市沈北新區石佛一村、石佛二村、馬門子村（圖4）；B區主要在新民市黃金村附近；C區主要在新民市高臺村附近；D區主要在新民市長山子村附近；E區主要在沈陽市蘇家屯區附近，呈現條帶狀沉降；F區主要在新民市新華村附近.

圖4為將A區形變結果展示到Google Earth的結果.A區主要覆蓋的3個村鎮最大沉降速率達到200 mm/a，形變區域較大.圖5中1號點時間序列結果顯示出，累計沉降量已經達到582 mm.

為了進一步分析各區域的形變時間序列信息，提取了各沉降區的時間序列形變信息，結果如圖5所示.統計結果顯示A區、B區、C區、D區、E區和F區6個區域4年內累計沉降量分別達582、486、422、231、240和227 mm.

4 結論和建議

精密水準測量是地面沉降監測的最基本方法，精度高，成果可靠.本文利用水準資料及地形圖比對方法，分析了1984～2007年時期內沈陽地區的地面沉降情況，并利用PS-InSAR監測技術得出一系列研究成果，獲取了典型形變區的分布及形變時間序列特征.

通過本次綜合研究，認為沈陽地區在1984年以前基本不存在大面積地面沉降現象；從1984～2007年，平均地面沉降值為48.48 mm/a，地面沉降嚴重程度為中等；從2007～2010年，出現了3個地面沉降速率超過80 mm/a的區域，沉降最嚴重的沈北新區地面沉降速率已經達到145.5 mm/a，屬于嚴重地面沉降區.綜上所述，沈陽地區的地面沉降從無到有，目前已經出現多個地面沉降嚴重區域.

為此，建議沈陽新型工業化基地規劃建設要盡量避開地面沉降影響區，同時加強地面沉降災害的監測，及時掌握地面沉降發展的規律，為科學防治提供依據；加強對人類經濟活動與工程活動中可能引起地面沉降區域的監測，做到早發現早預防.

圖3 沈陽市及周邊年沉降速率圖Fig.3 Rates of ground subsidence in Shenyang City and the surroundings

圖4 A區域在Google Earth上顯示的結果Fig.4 The results of Area A on Google Earth

圖5 各形變區域相應點位的累積形變統計結果Fig.5 Statistics for the cumulative deformation of the corresponding points in the deformation areas

［1］孫岐發，田輝，張擴.下遼河平原地區歷史地面沉降情況研究［J］.地質與資源,2014,23（5）:450—452.

［2］劉毅.地面沉降研究的新進展與面臨的新問題［J］.地學前緣,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］劉國祥，丁曉利，陳永奇，等.極具潛力的空間對地觀測新技術：合成孔徑雷達干涉［J］.地球科學進展,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.編輯：張哲.

中國地質調查局國土資源大調查項目“東北平原地面沉降調查與監測”（編號12120113011500）；遼寧省國土資源廳項目“下遼河平原地區地面沉降監測工程”（編號2013102）.

孫岐發（1966—），男，博士，教授級高工，主要從事水文、工程、環境地質研究工作，通信地址：遼寧省沈陽市皇姑區黃河北大街280號，

E-mail//152468435@qq.com