北京大兴国际机场及周边交通干道形变时序InSAR监测_张新伟.pdf

第 卷第期 年月地 球 科 学 与 环 境 学 报 张新伟，马静，侯祖行，等 北京大兴国际机场及周边交通干道形变时序 监测 地球科学与环境学报，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：投稿网址：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（）作者简介：张新伟（），男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，：。通讯作者：马静（），女，山东菏泽人，正高级工程师，：。：北京大兴国际机场及周边交通干道形变时序 监测张新伟，马静，侯祖行，刘俊明，杨成生，安栋，于涛（北京市工程地质研究所，北京 ；长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 ）摘要：北京大兴国际机场作为国际航空综合交通枢纽，开展其周边地面形变及主要交通干道的稳定性监测，对保障机场的正常运营至关重要。利用 年覆盖北京大兴国际机场的 景升轨和 景降轨 影像，采用 技术对机场周边地面沉降及主要交通干道稳定性进行了监测。结果表明：升、降轨监测结果具有很好的一致性，以上的公共像元形变速率差值的绝对值小于年；机场西部（西胡林村、十里铺村和辛安庄村附近）、机场北部（西里河村和祁各庄村附近）以及机场东北部（河北头村和西白塔村附近）地面沉降状况相对严重，局部地区年均形变速率超过 年；形变时序结果显示在西胡林村、十里铺村和祁各庄村附近，地面累计形变分别达到了、和。通过提取北京大兴国际机场周围主要交通干道形变趋势分析可知，多条主要交通干道均存在不同程度的沉降趋势，存在潜在安全隐患，后续需要重点关注并持续监测。此外，对高架道路高度的反演结果显示，高架道路与周围部分地物在高度上形成鲜明对比，且与实际情况较为相符。关键词：；地面沉降；技术；交通干道；时序分析；残余高程反演；机场中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，；（，），（）（），；，：；引言地面沉降是地表受到自然和人为等因素的作用（主要是地下物质如地下水、矿产等的抽取）而产生的地表垂直向变形现象，具有长期性、渐进性的特点，是影响城市基础设施安全的主要因素。北京大兴国际机场是建设在北京市大兴区与河北省廊坊市广阳区之间的超大型国际航空综合交通枢纽，配套交通网络由“五纵两横”构成，极大地方便了群众出行。然而，周围的地面沉降可能会为机场和周边交通干道的安全运营带来隐患。自 世纪六七十年代在北京及河北廊坊地区发现地面沉降以来，该地区地面沉降呈快速发展的趋势，并严重威胁到城市道路和基础设施的安全。坐落于该地区的北京大兴国际机场是 级国际机场、世界级航空枢纽，因此，开展周边地面沉降及交通干道的稳定性监 测 对 保 障 机 场 安 全 及 高 效 运 行 具 有 重 要 意义。传统地面沉降监测技术（如水准测量、测量）虽然监测精度高，但空间分辨率低，监测成本较高，且不能恢复历史形变特征 。世纪 年代以来，合成孔径雷达干涉测量（）技术 发展迅速，由于其大范围、全天候、高精度地获取地表形变信息的能力，已成为对地观测的重要手段之一。近年来，国内众多专家学者利用 技术对北京及河北廊坊地区的地面沉降状况进行监测，并取得了一定的研究成果。周吕等利用 技术对廊坊地区 年的地面沉降时空特征进行了提取分析，结果表明廊坊地区沉降漏斗的空间分布与工业区和城市建设区存在较高的相关性，各个沉降漏斗逐渐连成一片，且有向东发展的趋势。蒋喆等利用 技术获取了廊坊地区 年的地表沉降时空分布，结果表明廊坊市广阳区南尖塔镇存在明显的沉降漏斗，且廊坊地区地表沉降形成的主要原因是地下水的过度开采和城镇建设迅速发展等。雷坤超等采用时序 和 技术相结合的方法，获取了北京平原区 年的时序地表三维形变场信息，结果表明北京平原区地面沉降主要集中在东部、北部和南部地区，存在多个沉降中心，总体呈现减缓的趋势，且两种技术的监测结果均与水准测量结果具有很 好 的 一 致 性。晏 霞 等 利 用 和 技术获取了 年北京平原区的地表年均沉降速率以及沉降时序结果，将两种技术的监测结果进行了对比，并对 监测结果与地下水位间的相关性进行了分析，结果表明随着地下水位的上升，北京平原区的地面沉降速率呈现逐渐减少的趋势。技术目前已经在机场的沉降监测方面有了比较广泛的应用。吴毅彬等基于 技术获取了 年厦门新机场填海区由软土层固结压缩引起的沉降场，并对比分析了形变特征及原因、监测结果与同期水准测量结果，结果表明 监测结果与水准数据具有较高的地球科学与环境学报 年一致性。关金环等利用 技术获取了首都国际机场地区 年的高精度地表形变监测结果，并对其时空演化进行了分析，结果表明首都国际机场地区地表出现了分区性差异沉降现象，可能影响机场的安全运行。陈有东等利用 和 技术分别获取了兰州中川国际机场 年 升、降轨数据的地表形变速率及时序结果，并采用内、外部检验的方式对监测结果进行了评定，结果表明基于两种技术获取的升、降轨监测结果总体较为一致，机场西南角的形变最为显著。本文以北京大兴国际机场及 区 域 内 的 主 要 交 通 干 道 为 研 究 对 象，采 用 技术 对 年的 景 升轨影像和 景 降轨影像进行处理，获取了北京大兴国际机场周边地面沉降分布及主要交通干道的活动特征，并对监测结果进行了对比分析，为道路维护和规避风险提供数据支持。研究区概况与数据来源研究区位于北京市大兴区与河北省廊坊市广阳区之间，地处华北平原东北部，属永定河洪积冲积平原的一部分，主要包括北京大兴国际机场以及周边的主要交通干道，总面积 ，其位置概况如图所示。研究区地势比较平坦，呈西北高东南低的微倾状，海拔为 ，主要交通干道包括大广高速、国道、京九铁路、京台高速、大兴机场线、大兴机场北线、刘田路、京沪铁路、京沪高速、大礼路和首都环线高速等。研究区属暖温带大陆性季风气候，降水多集中于夏季，冬季比较干燥。该地区人口稠密，居民用水量大，降水供给不足导致地下水开采严重，再加上城市化进程加速，建筑物数量飞速增长，两种因素的共同作用导致该地区地面沉降严重且发展迅速 。为了减弱失相干及 误差对 解算结果精度的影响，调查并选取 年覆盖研究区且空间基线分布较集中的 升轨影像 景和降轨影像 景用于研究（数据下载网 站 为 ：）。影像数据的详细参数信息见表。研究中使用美国航空航天局（）空间分辨率为 的 数据（数据下载网站为 ：）来消除 干涉图中的地形相位以及进行像元的地理编码。为了去除轨道误差引起的系统性误差，研究中还用到了精密轨道卫表 影像数据的详细参数 影像数据 升轨数据 降轨数据极化方式航向角（）入射角（）波段 方位向分辨率 距离向分辨率 影像数量 时间间隔 星星历（，）数据（数据下载网站为 ：），定位精度优于 。数据处理 技术 技术最早是由 等于 年提出，该技术是在干涉图中提取出较长时间内仍能保持较好相干性的像元，即永久散射体（），并对 像元上的相位进行时序分析处理。因此，在干涉处理中，该技术能很好地克服常规差分干涉测量（）技术中的大气效应以及时间、空间失相干的影响，从而获得高质量的干涉相位。年，等对 技术进行了改进，提出了 技术，在 点的选取策略以及相位解缠方法等方面均做出了很大的完善。技术的基本原理为：假设覆盖一个地区有景 影像，综合考虑时间基线、空间基线和多普勒中心频率的影响，选择一幅影像作为公共主影像，使之与其他影像的综合相干性（）达到最大。其表达式为 （）式中：为 主 影 像 与 其 他 影 像 的 相 干 性 之 和；为时间基线对相干性的影响；为空间基线对相干性的影响；为多普勒中心频率对相干性的影响。其余景影像作为辅影像分别与主影像进行配准以及差分干涉处理生成干涉图。差分干涉相位主要由形变相位、大气延迟、轨道误差、视角误差以及噪声组成。其表达式为 ，（）式中：，为第个点目标在第个差分干涉图上第期张新伟，等：北京大兴国际机场及周边交通干道形变时序 监测图北京大兴国际机场周边影像及位置概况 的缠绕相位；代表相位缠绕符；，为两次成像期间地面目标位移引起的视线方向的相位变化；，为大气延迟相位；，为轨道不准确引起的残差相位；，为空间视角误差引起的残差相位；，为噪声相位。通过振幅离差指数阈值方法初选 点，采用相位稳定阈值（）依据时间相关性对候选点目标进行筛选，最终确定可以作为 的点目标。相位稳定阈值表达式为 （，）（）式中：代表干涉对的个数；，为第个点目标在第个干涉对上去除平地相位和经过地形相位纠正后的相位；，为 ，的平均值；，为残余相位估计值。结合 影像的分辨率，利用自适应滤波估计出干涉相位中空间相关的分量并将其去除，不断调整滤波窗口大小，迭代处理直到获得足够多的 点并网格化，然后进行三维相位解缠提取形变相位信息。值得一提的是，技术不需要提供初始形变模型，即使在非城镇区也可以获取较好的监测点密度。数据处理过程根据相干性最大化原则，本文分别选取了 年月 日和 年月 日影像作为 升、降轨影像的主影像，其余影像作为辅影像分别与各自轨道的主影像进行配准以及差分干涉处理。由于在数据选取时剔除了空间基线大于 的干涉对，最终 升、降轨数据分别生成了 幅和 幅垂直基线较短的干涉图，保证了干涉相位的质量。干涉对的时间基线和空间基线分布如图所示，其中红色为 升轨影像，蓝色为 降轨影像。将振幅离差指数 阈值设为，从配准后的 影像中选取出 候选点，最大迭代次数为，迭代计算干涉图中每个 候选点的相位噪声值，从而筛选出高质量的 点。基于时空滤波方法对地形误差、轨道误差、大气延迟误差以及空间视角误差等进行分离和剔除。采用时空三维相位解缠技术对干涉图进行解缠，并获得最终的地表形变信息。残余高程反演原理 形变监测中，利用 去除地形相位是一项必要的处理步骤。通常由于外部 数据的本身精度和分辨率亦有限，所以差分相位中存在高程残差。高程残差主要与垂直基线、波长和视角相关。其表达式为地球科学与环境学报 年图 升、降轨影像数据时间空间基线分布 （）式中：为卫星到地物目标的距离；为卫星入射角；为垂直基线；为电磁波波长；和分别表示残余高程和残余地形相位。在 时序处理中，根据残余相位与垂直基线之间的比例关系，可以通过多基线计算获取残余地形，从而通过迭代消除残余地形对形变精度的影响。残余地形反映了实际地形与外部 数据之间的差异。结果分析 实验数据结果按照上述流程，本文采用 技术分别对 升、降轨影像进行了处理，获取了北京大兴国际机场附近 年 升、降轨影像的雷达视线向（）年均形变速率。同时，根据升、降轨影像入射角，利用式（）将 雷达视线向形变速率结果转化到垂直方向，结果如图和所示（图中叠加了光学影像）。雷达视线向形变转化到垂直方向形变的公式 为 （）式中：表示投影到垂直方向的形变量；表示雷达系统在雷达视线向的形变量。本文所有图像中，负值代表地面沉降，正值代表地面抬升。从图、可以看出，升、降轨影像的监测结果基本一致。监测结果显示：在该时间段内，研究区的整体地面沉降分布并不均匀。其中，北京大兴国际机场、机场西北部西黄垡村附近及机场东南部大古营村附近的地面相对稳定，整体年均形变速率为 年；机场西部西胡林村和十里铺村附近、机场北部西里河村和祁各庄村附近及机场东北部河北头村和西白塔村的地面沉降状况比较严重，年均形变速率达到 年，局部地区甚至超过 年。相关资料表明，北京大兴国际机场所在的大兴区地面沉降主要与地下水的开采以及工程建设有关。机场西部的西胡林村和十里铺村毗邻永定河，位于永定河的东北岸边，隶属于北京市大兴区榆垡镇；机场北部的西里河村和祁各庄村毗邻天堂河，位于天堂河的北岸，隶属于北京市大兴区礼贤镇。根据水务部门的资料，这两个地区多年以来对地下水进行了超采，使得地下水位一直在下降，在榆垡礼贤等地区形成沉降漏斗，导致这几个村庄所在区域的不均匀地面沉降。机场东北部的河北头村位于京台高速和大兴机场北线的交界处，该区域的沉降区主要集中在大兴机场北线、京台高速、青礼路以及刘田路围成的矩形区域；该区域建筑物密集，而且还有许多建筑物处于正在施工的状态，导致了该区域的地表形变。内部精度验证由于未能收集到对应时段的外部监测数据（如 数据、水准数据等），本文对 监测结果进行了内符合精度评定 。本文选取个典型区域进行验证，分别是大兴国际