综合时序+InSAR和GIS技术地面沉降时序演化规律研究

第３４卷，第４期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ畅３４，Ｎｏ畅４，ｐｐ１０１７‐１０２５２０１４年４月 ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＡｐｒｉｌ，２０１４　

综合时序ＩｎＳＡＲ和ＧＩＳ技术地面沉降时序演化规律研究陈蓓蓓１，２，３，宫辉力１，２，３倡，李小娟１，２，３，雷坤超１，４，段光耀１，２，３，颉晋荣１，２，３１畅首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京　１０００４８２畅首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京　１０００４８３畅首都师范大学资源环境与旅游学院，北京　１０００４８４畅北京市水文地质工程地质大队，北京　１００１９５

摘　要　长期超量开采地下资源、动静载荷逐年增加均在一定程度上影响着区域地面沉降的发生与发展，选取覆盖北京平原地区２９景ＥｎｖｉｓａｔＡＳＡＲ数据，采用融合永久散射体（ＰＳ）和小基线合成孔径雷达干涉测量技术，获取区域地面沉降时序监测信息。结合ＧＩＳ空间分析方法，在区域浅表层空间（地铁、城市密集建筑群（ＣＢＤ）、立体交通网络设施）不同的利用模式下，选取５个典型地面沉降区域，结合土地利用分类信息、多光谱遥感影像、地质资料等，分析时间序列的不均匀沉降的演化规律。结果表明：浅地表空间利用的复杂情况在一定程度上影响着区域的不均匀沉降态势，空间利用情况越简单，沉降的梯度相对越小，不均匀沉降趋势越小。

关键词　地面沉降，雷达干涉测量，地理信息系统，演化中图分类号：Ｐ６４２畅２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０畅３９６４／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１０００‐０５９３（２０１４）０４‐１０１７‐０９

　收稿日期：２０１３‐０６‐１３，修订日期：２０１３‐１１‐０３

　基金项目：国家自然科学基金重点项目（４１１３０７４４／Ｄ０１０７），国家自然科学基金面上项目（４１１７１３３５／Ｄ０１０７０２）和（９７３计划）前期研究专项课题项目（２０１２ＣＢ７２３４０３）资助　作者简介：陈蓓蓓，女，１９８５年生，首都师范大学讲师 ｅ‐ｍａｉｌ：ａｐｐｌｅｃｈｅｎｂｅｉｂｅｉ＠１２６畅ｃｏｍ倡通讯联系人

引　言 长期超量开采地下资源、动静载荷逐年增加而引起的区域地面沉降问题，已成为影响全球多城市可持续发展的地质灾害之一，获取实时准确的地面沉降监测信息，进而分析其演化规律是预防、控制和减缓地面沉降发生、发展的首要任务。相对于水准测量、分层标测量等常规监测方法，ＩｎＳＡＲ技术可以实时动态获取大范围、高精度的地表形变细节信息。永久散射体干涉测量（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｓｃａｔｔｅｒｅｒｆｏｒＳＡＲｉｎｔｅｒ‐ｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ＰＳ‐ＩｎＳＡＲ）技术、小基线集雷达干涉测量（ｓｍａｌｌｂａｓｅｌｉｎｅ‐ＩｎＳＡＲ，ＳＢＡＳ）是目前具有代表性的时序ＩｎＳＡＲ监测技术，克服了传统Ｄ‐ＩｎＳＡＲ技术空间、时间去相干影响，减弱大气延迟带来的误差组分，提高形变监测信息的时、空分辨率及数据处理的精度［１‐５］，在城区或植被覆盖稀少地区可以达到毫米级的地表形变监测精度。国内外众多专家学者不断改进该两种方法，并取得了成功的应用［６‐９］。Ｈｏｏｐｅｒ［１０］提出一种新的融合小基线（ＳＢＡＳ）和ＰＳ技术监测地表形变的算法，证明了小基线（ＳＢＡＳ）技术和ＰＳ方法虽然用不同的离散模型，但二者存在优势互补之处，融合两者数据集不仅能够增加相干像元数量，而且提高了像元的信噪比，大幅度减小了解缠空间的偏差［１１］，这一优势是单一小基线技术或ＰＳ

技术都无法比拟的。在时序ＩｎＳＡＲ技术获取地面沉降监测信息基础上，借助地理信息系统强大的空间数据管理和分析能力，可以更全面地揭示地面沉降时空演化过程［１２］。因此，时序ＩｎＳＡＲ与

ＧＩＳ技术的集成应用，是地面沉降监测和演化研究的重要发

展方向［１３，１６］。

选取覆盖北京平原地区２９景ＥｎｖｉｓａｔＡＳＡＲ数据，采用融合ＰＳ和小基线干涉测量方法，获取区域地面沉降监测信息，结合ＧＩＳ空间分析方法，在区域浅表层空间（地铁、城市密集建筑群（ＣＢＤ）、立体交通网络设施）不同的变异模式下，选取５个典型地面沉降区域，结合土地利用分类信息、可见光遥感影像、地质资料等，分析时间序列的不均匀沉降的演化规律。１　实验部分１畅１　数据和研究区选取北京平原地区（东经１１５°２５′～１１７°３５′、北纬３９°２８′～４１°０５′）作为实验研究区，采用的数据有雷达影像、ＳＲＴＭＤＥＭ数据和交通、居民点矢量图、可见光遥感影像、地质资料等。其中雷达影像是覆盖北京平原地区２９景ＥｎｖｉｓａｔＡＳＡＲ降轨影像数据。Ｆｉｇ畅１　ＬｏｃａｔｉｏｎｏｆｓｔｕｄｙａｒｅａＦｉｇ畅２　Ｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍｏｆｍｕｌｔｉ‐ｔｅｍｐｏｒａｌＩｎＳＡＲｍｅｔｈｏｄｉｎｃｏｒ‐ｐｏｒａｔｉｎｇｂｏｔｈｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔｓｃａｔｔｅｒｅｒａｎｄｓｍａｌｌｂａｓｅｌｉｎｅａｐ‐ｐｒｏａｃｈｅｓ１畅２　方法１畅２畅１　融合ＰＳ和小基线干涉测量方法选取２００３年—２００９年的覆盖研究区的２９景降轨Ｅｎｖｉ‐ｓａｔＡＳＡＲ数据，以２００５年１２月１４日为主图像，具体的参考区域为：（经度：Ｅ１１７畅１８０°～１１７畅２２０°；纬度：Ｎ４０畅３４０°～４０畅３５５°），针对两种技术的不同特点，从相干点目标散射特性角度出发，将ＰＳ和ＳＢ干涉方法进行融合，评估、分离像元相位中的地形相位、轨道误差、大气延迟影响及噪声去相关组分［１１］，优化干涉数据集中ＰＳ和ＳＢＡＳ像元子集的选取

方法，在融合像素子集的基础上进行相位解缠，通过奇异值分解及范数约束提取像元形变信息，获取２８景辅图像中５８３１００个ＰＳ和小基线点相对于参考区域的主图像的时间序列形变值，选取地面沉降水准数据进行精度评价（图２）。１畅２畅２　ＧＩＳ空间分析方法基于时序ＩｎＳＡＲ监测结果，结合典型沉降区交通、居民点矢量图、可见光遥感影像、地质资料等，采用ＡｒｃＧＩＳ空间分析模块中重分类、内插分析、叠置分析、栅格运算、统计运算等方法，分析浅表层空间利用差异模式下地面沉降时空演化规律。１畅２畅３　浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律综合分析方法基于融合ＰＳ和小基线干涉测量技术获取的地面沉降监测信息，以６ｋｍ２大小的正方形范围为移动窗口，选取５个典型地面沉降区域，采用ＧＩＳ空间分析方法，研究时间序列的不均匀沉降的演化规律，技术流程如图３。

Ｆｉｇ畅３　Ｗｏｒｋｆｌｏｗｆｏｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ

２　结果与讨论２畅１　融合ＰＳ和小基线干涉测量技术获取区域地面沉降监测信息采用融合ＰＳ小基线ＩｎＳＡＲ干涉测量技术，基于所选取的覆盖研究区２９景时间序列的ＥｎｖｉｓａｔＡＳＡＲ图像，提取出

８１０１光谱学与光谱分析 第３４卷时间序列的地面沉降形变信息。干涉测量结果如图４。Ｆｉｇ畅４　Ｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｏｆｌｉｎｅ‐ｏｆ‐ｓｉｇｈｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ 基于ＰＳ点和小基线点时序测量结果，采用空间地统计克里金插值和栅格重分类方法，获取北京平原区域沉降速率趋势图（图５），趋势图和实际ＰＳ点沉降速度值相关系数大都达到０畅９３以上，能有效的反映地面沉降整体趋势。 从图５地面沉降年平均速率空间分布趋势图，可以发现，２００３年—２００９年间，北京地区的地面沉降发展较为迅速，最大年沉降速率为４１畅４３ｍｍ・ａ－１；虽然从ＰＳ和小基

线点的统计分布显示，ＳＡＲ影像监测范围内，大于３０ｍｍ・

Ｆｉｇ畅５　Ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｏｆｌａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｒａｔｅｓａ－１的ＰＳ和小基线点在数量上的占得比例不高，但是空间分

布所覆盖的面积却不容小觑，其覆盖面涉及朝阳、昌平、顺义、通州等主要区县，并沿着中心城区往西北、正北、东及东南方向成辐射状展布。２畅２　浅表层空间差异模式下地面沉降演化规律

分析北京平原地区区域地面沉降空间分布图（图５），在地面沉降较为严重区域选取５个典型区域（图６），其不同的浅表层空间的（地铁、城市密集建筑群（ＣＢＤ）、立体交通网络设施）利用模式、沉降速率（ｍｍ・ａ－１）分布及区域内包含的

ＰＳ和小基线点个数分别如表１。

Ｔａｂｌｅ１　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐａｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｏｆ５ｔｙｐｉｃａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｒｅａｓ典型区浅表层空间利用情况包含的ＰＳ点个数平均沉降速率／（ｍｍ・ａ－１）最大沉降速率／（ｍｍ・ａ－１）最大上升速率

／（ｍｍ・ａ－１）区域１基本无交通线穿过３１５９－２４畅２０－４１畅４３３畅２９区域２八达岭高速公路和多条铁路穿过６４６０－２３畅２４－３５畅３４８畅６２区域３ＣＢＤ及其影响区域，铁路、高速公路、地铁穿过１１３２５－１２畅６９－４１畅３３１２畅６９区域４京津城际铁路辐射区域，同时有高速公路４５９７－１８畅２４－４１畅４３５畅３９区域５顺义机场辐射区域，同时有机场轻轨、铁路、高速公路穿过５８４０－‐２８畅８０－４０畅１６１９畅１１

Ｆｉｇ畅６　Ｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｒａｔｅｏｆ５ｔｙｐｉｃａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｒｅａｓ

２畅２畅１　基于每个典型区域的地面沉降时序演变规律（１）典型区域１。 图７（ａ１）表明典型区域１的浅地表空间利用情况，该地区位于顺义区的西北部地区，基本无交通线通过，多为村庄居民地和农田，土地利用类型比较简单，因此可以推断地面沉降的产生多受地下水开采和自然沉降的影响，相对受地表动静载荷影响较小；图７（ａ２）为该区域的沉降速率情况，该区域２００３年—２００９年的沉降速率在－３５畅３３～－８畅６２ｍｍ・ａ－１之间；这说明该区域近年来地面沉降发展极为迅速，且不

均匀沉降情况明显。基于ＧＩＳ空间分析技术，将区域的可压缩层厚度、断裂分布与沉降情况叠置分析，如图７（ａ２）所示，黄色线为黄庄～高丽营断裂，可以明显看出断层两侧差异性沉降明显；进一步发现在断层的东南侧，可压缩层厚度在５０～６０ｍ之间的区域，相干点的沉降速率大都在－３５畅３３～－２５畅３８ｍｍ・ａ－１；而可压缩层厚度在５０ｍ以下的区域，ＰＳ点的沉降速率则大都分布于－２５畅３８ｍｍ・ａ－１以下，随着距离黄庄‐高丽营断裂的远近成正向的变化，即是距离越远，

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