地面沉降监测

北京地面沉降立体监测与机理研究北京地面沉降立体监测与机理研究测绘地理信息发展论坛测绘地理信息发展论坛--20122012地面沉降严重威胁城市安全地面沉降严重威胁城市安全全球性、综合性、多学科交叉的复杂系统问题全球性、综合性、多学科交叉的复杂系统问题北美—WINSAR欧洲-Terrafirma项目华北平原北京市平原区一、现状与背景150150多个国家、地区发生地面沉降，一系列的国际科学计划多个国家、地区发生地面沉降，一系列的国际科学计划95个城市地面沉降国际监测研究计划国际监测研究计划--INSARINSAR星载合成孔径雷达利用星载合成孔径雷达利用，合成孔径雷达联合研究工作组，，合成孔径雷达联合研究工作组，19961996————星载合成孔径雷达：目前地位及今后发展方向，星载合成孔径雷达：目前地位及今后发展方向，地球空间科学研究委地球空间科学研究委员会，员会，NASANASA，，19951995————生活在多灾害的星球上，生活在多灾害的星球上，固体地球科学工作组，固体地球科学工作组，20022002————龙计划，龙计划，中国政府中国政府--欧洲空间局。欧洲空间局。20042004————美国综合地球观测系统的战略计划美国综合地球观测系统的战略计划地球观测工作组地球观测工作组,,环境与自然资源环境与自然资源委员会，委员会，20042004————全球综合地球观测系统（全球综合地球观测系统（GEOSSGEOSS））1010年执行计划，年执行计划，地球观测组织执地球观测组织执行计划工作组（行计划工作组（GEOGEO），），20042004————TandemTandem--XX计划，计划，第二颗第二颗TerraSARTerraSAR--XX卫星卫星，，DLRDLR，，20102010————哨兵计划哨兵计划--1A1A（（SentinelSentinel--1A1A），），欧洲航天局，欧洲航天局，20122012————二、二、INSARINSAR与数值模拟与数值模拟顺义机场平各庄昌平沙河朝阳王四营GPS+InSARGPS+InSAR点点++线线++面面++体体区域沉降区域沉降体体--三维不均匀形变三维不均匀形变形变场形变场––渗流场渗流场––数值场数值场大区域、高精度、低成本、短周期大区域、高精度、低成本、短周期二、二、INSARINSAR与数值模拟与数值模拟1.1.研究形变的重要技术研究形变的重要技术火山和地震都是灾害性事故，利用SAR全天候/全天时的优势可以获取地震/火山爆发前、中、后等不同时期的影像，利用干涉技术能获得不同时间段内的形变，利用INSAR获取的形变资料作为输入和约束，可以大幅提高地震/火山形变反演的精度，从而更准确地描述这些灾害的孕灾和成灾机制，为研究地球内部结构服务。2.2.高分辨率高分辨率INSARINSAR与数值模拟与数值模拟传统的INSAR技术大都是基于ERS/ENVISATSAR影像，分辨率为30米，目前新一代的雷达卫星如TerraSAR-X，CosmoSkyMed等具有3米乃至1米的分辨率，利用这些高分辨率影像能获得更为细致的形变信息。如利用NVISAT数据能获得城市区域建筑群的形变信息，而利用TerraSAR-X则可以获得单个建筑的形变信息。二、二、INSARINSAR与数值模拟与数值模拟3.SAR3.SAR层析成像技术（层析成像技术（SARTomographySARTomography））传统的INSAR或DINSAR技术只能获得表面的信息，即表面的高程或形变。SAR层析成像技术利用空间中不同位置获取的多个SAR影像构成在垂直方向的合成孔径，从而获取反射目标在不同高度的信息，实现真正的三维成像。二、二、INSARINSAR与数值模拟与数值模拟4.4.多种技术的大气参数综合估计多种技术的大气参数综合估计大气不均匀造成的影响一直是传统INSAR处理中最难以解决的问题。利用GPS信号反演电离层大气水汽模型或者利用数值天气预报模型反演大气水汽参数，并将这些结果直接应用于INSAR处理中，这些先进技术已在多个实验中取得了良好效果。二、二、INSARINSAR与数值模拟与数值模拟5.5.INSARINSAR与其他监测技术的配合应用与其他监测技术的配合应用测量、地球物理探测、GPS测量浅部工程地质层倾斜计、变形测量计、原位测试等针对区域地面沉降和形变的地下水动态长期监测、地下水压力监测…………二、二、INSARINSAR应用应用三、地下流体开采引发的地面沉降三、地下流体开采引发的地面沉降加拿大A.I.Calderhead等对墨西哥Toluca流域利用InSAR数据、场地数据和地下水变形耦合模型开展了抽水引发的地面沉降效应研究。美国R.T.Hanson等以加州中部流域城市化和气候变化的过去与未来为主题开展了地面沉降和城市用水之间的综合模拟研究。伊朗S.A.Masoudzade等开展了地面沉降增大与非饱和渗流之间的一维渗透分析，研究表明，地下水位抬升仍然可能产生沉降，主要是由于当水位抬升时在非饱和土地带向下渗流的水产生渗透力，从而使有效应力增加引发沉降。三、地下流体开采引发的地面沉降三、地下流体开采引发的地面沉降美国摩根州立大学李江开展了基于速度场的三维地面运动理论研究，发展了地面运动速度场的新理论。南京大学张云等开展了长江三角洲南部地下水开采引发的含水砂层的变形特征研究，研究认为该地区地面沉降的主要变形土层为含水砂层，而非粘性土和粉质粘土层，通过长期沉降数据分析，重新认识了含水砂层的变形特征。日本K.Fujisaki等对Saga-Shiroishi平原开展了地面沉降模拟后评估，结果表明，现有地面沉降预测模型的准确性不稳定，必须通过吸收观测数据改进模型，并重新预测来指导地下水资源管理。国内外现状国内外现状————INSARINSAR技术方法研究技术方法研究方位向偏移（方位向偏移（AZOAZO），），RRéémimiMicheletc.Micheletc.，，19991999PSPS--DInSARDInSAR，，FerrettiFerrettiA,etc.A,etc.，，19991999DInSAR+AZODInSAR+AZO，，YuriYuriFialkoFialkoetc.etc.，，19991999相干目标法，相干目标法，UsaiUsai,etc.,etc.，，20012001升、降轨升、降轨SARSAR，，MikioMikioTohitaTohitaetc.etc.，，20012001小基线集，小基线集，BerardinoBerardinoetc.etc.，，20022002多图像几何视角多图像几何视角InSARInSAR，，TimJTimJ．．Wrightetc.Wrightetc.，，20042004DInSAR+MAIDInSAR+MAI，，NoaNoaetc.etc.，，20062006高分辨率高分辨率INSARINSAR，，TerraSARTerraSAR--XX、、CosmoSkyMedCosmoSkyMed，，20072007在轨星和存档数据：在轨星和存档数据：INSARINSAR应用中去大气影响、应用中去大气影响、SARSAR层析成像层析成像（（SARTomographySARTomography）、新技术方法组合应用）、新技术方法组合应用…………国内外现状国内外现状————参数与机理研究参数与机理研究区域含水层系统水文地质参数区域含水层系统水文地质参数P=P=F{F{△△z,D,Tz,D,T}}(Hoffmannetal.,2001,2003;Halfordetal.,2005)、压缩时间常量(Hoffmannetal.,2003)、可压缩层厚度和水力扩散系数（Burbey,2001），地下水流模型的约束因子(Hoffmannetal.,2003;Hansonetal.,2004;RolandBurgmann,2006)，Mahdi（2007）含水层的渗透系数和存储能力等水文地质条件的不同会导致地面沉降的速度。含水层系统释水形变机理含水层系统释水形变机理(TingtingYanandT.J.Burbey,2008;S.Stramondo,2008)，不同水位变化模式下土层的变形特征（薛禹群，2008），土层形变特性研究（张云、叶淑君，2005，2006），三维渗流和三维固结耦合模型来研究抽水引起的地面沉降（李云安，2004，2005）等采用。渗透固结联合试验释水形变机理研究（王秀艳，张云等，2003，2006）等。同一水文地质体、动态变化同一水文地质体、动态变化*InSAR监测只能获取地面沉降、形变信息，无法探究其成因机制。*地下水流场与地面形变场演化的互馈研究，揭示三维沉降机理。动静载荷动静载荷对地面沉降的影响多采用工程力学的方法，局部特点明显，由于区域水文地质条件的非均一性，需要区域尺度的整体研究区域尺度的整体研究。区域地下水降落漏斗、城市动、静载荷对地面沉降的作用研究。区域地下水降落漏斗、城市动、静载荷对地面沉降的作用研究。遥感与水文地质的交叉研究遥感与水文地质的交叉研究地下水流场演变及地面沉降响应特征；复杂环境条件下区域不均匀沉降成因机制；多层含水层系统演化与地面三维形变的互馈机理多层含水层系统演化与地面三维形变的互馈机理沙河沉降漏斗顺义沉降漏斗平各庄漏斗王四营漏斗遥感与水文地质的交叉研究遥感与水文地质的交叉研究开展遥感与水文地质的交叉研究交叉研究；多层含水层系统演化-地面三维形变整体研究整体研究，研究其互馈机理互馈机理；量化研究量化研究地下水超采、动静载荷对区域地面不均匀沉降不均匀沉降的实际贡献，实现地面沉降的科学调控科学调控。科学问题与研究思路科学问题与研究思路地下水地下水渗流场渗流场水文地质体水文地质体多层含水层系统多层含水层系统地表地表形变场形变场不均匀沉降不均匀沉降动、静动、静应力场应力场动态互馈过程动态互馈过程△△形变场形变场=F{=F{△△渗流场渗流场，，△△应力场，应力场，TT，，D}D}四、研究案例四、研究案例--北京平原区地面沉降北京平原区地面沉降研究区北京城市供水2/3来自地下水，长期超采，诱发区域地面沉降呈快速增长趋势，沉降中心最大累计沉降量1000mm，累计沉降300mm的地区达到1300km2，以30~60mm/a的速率扩展，严重威胁城市安全。四、研究案例四、研究案例--北京平原区地面沉降北京平原区地面沉降城市浅表层空间城市浅表层空间--水文地质体演化水文地质体演化地表形变场地表形变场--INSARINSAR--GPSGPS--水准水准地下水渗流场地下水渗流场--数值模拟数值模拟动、静载荷应力场动、静载荷应力场--RSRS--监测网监测网水文地质体典型沉降区高精度三维地表形变信息提取技术方法研究；结合区域水文地质条件及地面沉降演化特征的立体监测网优化；含水层系统演化（含水层系统演化（渗流场、应力场渗流场、应力场）与）与三维形变场三维形变场互馈机理互馈机理研究。研究内容研究内容SARSAR数据数据对对地地观观测测数数据据一等水准观测网、114个GPS监测点；7个基岩标、55个分层标;37个地下水位观测孔、16个孔隙水压力观测孔、315个外围地下水观测孔；地下水观测网（650）InSAR观测试验场4个浅浅地地表表空空间间监监测测网网4.14.1研究基础研究基础北京市地面沉降监测网站系统北京市地面沉降监测网站系统地面沉降监测站立体、优化立体、优化天竺站王四营站望京站160720072006600160040001500240038001000160020cm100cm60cm60cm办公室10cmF3-2/218.89J3/835K3-1/113D3-4/98F3-9/32D3-1/316K3-2/79D3-5/70D3-4/98K3-3/40D3-3/155F3-1/238.1