地面沉降监测

y, z,t)
nh
2
0
x, y, z ,t 0
x, y, z 0,t 0 x, y, z ,t 0
(式3 1)
x, y, z 1, t 0
x, y, z 2,t 0
水平边界 北部边界：侧向径流补给作为流量边界(定水头)。南部边界：流量边界(定流量) 垂向边界 浅层含水层自由水面为系统的上边界；第四系松散层底界作为模型底部边界，定义为隔水边界。
3.动静载荷迭加 地下水开采漏斗 地表-地下交通网络 强度-频度-密度 时空边界
4.动态监测 动态优化
5.机理研究 渗流场-应力场-形变场互馈
——
4.2 研究内容与思路
区 域 渗 流 场 应 力 场 形 变 场 互 馈 机 理
——
4.2 研究内容与思路
4.3 技术路线
空间场
工具栏
功能菜单
显示区
F 3 -1 /2 3 8 .1
F 3 -9 /3 2 D 3 -4 /9 8
J3 /8 3 5 K 3 -1 /1 1 3
K 3 -3 /4 0
沟槽平面布置图
D 3 -3 /1 5 5
160
天竺站
望京站
地面沉降监测站 立体、优化
北京平原区含水层岩性分布图
潮白河A-A’水文地质剖面图 永定河冲洪积扇B-B’水文地质剖面图
星载合成孔径雷达利用，合成孔径雷达联合研究工作组， 1996—— 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 员会，NASA，1995—— 生活在多灾害的星球上，固体地球科学工作组，2002—— 龙计划，中国政府-欧洲空间局。2004—— 美国综合地球观测系统的战略计划 地球观测工作组,环境与自然资源 委员会，2004—— 全球综合地球观测系统（GEOSS）10年执行计划，地球观测组织执 行计划工作组（GEO），2004—— Tandem-X计划，第二颗TerraSAR-X卫星 ，DLR，2010—— 哨兵计划-1A（Sentinel-1A），欧洲航天局，2012——
永久散射体和小 基线技术相结合 提高相干点密度
精密轨道基准转 换及SAR图像相 关性匹配技术
区域形变提取中相干点密度低而 带来的残余误差传递、累积问题
不同视角（升降轨）SAR干涉像 元集中存在基准不一致、相对时 间误差及相干像元不统一问题
测绘地理信息发展论坛 - 2012
北京地面沉降立体监测与机理研究
一、现状与背景
欧洲-Terrafirma项目
北美—WINSAR
150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
华北平原
北京市平原区
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
国际监测研究计划-INSAR
4.1 研究基础
对
地
观
测
数
据
SAR数据
浅
一等水准观测网、114个GPS监测点；
地 表
7个基岩标、 55个分层标;
空
37个地下水位观测孔、16个孔隙水压
间
力观测孔、315个外围地下水观测孔；
监 测
地下水观测网（650）
网
InSAR观测试验场4个
北京市地面沉降监测网站系统
GPS监测
天竺站
王四营站
J3 /8 3 3 .0 2 F 3 -1 0 /2 .4
D 3 -5 /7 0
100cm K 3 -1 /1 1 3
F 3 -5 /1 0 2
F 3 -8 /4 8 .5
办公室 F 3 -6 /8 2 .3
F 3 -3 /1 4 8 .4 9
D 3 -2 /2 2 6
D 3 -4 /9 8
F 3 -9 /3 5 .4 3
实现地面沉降的科学调控。
地下水渗流场 动、静应力场
水文地质体 多层含水层系统
动态互馈过程
地表形变场 不均匀沉降
△形变场 = F{△渗流场， △应力场，T， D}
四、研究案例-北京平原区地面沉降
四、研究案例-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。
城市浅表层空间-水文地质体演化
水文地质体
地表形变场-INSAR-GPS-水准 地下水渗流场-数值模拟 动、静载荷应力场-RS-监测网
研究内容
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（渗流场、应力场）与三维形变场互馈机理研究。
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—— INSAR技术方法研究
方位向偏移（AZO），Rémi Michel etc.，1999 PS- DInSAR，Ferretti A , etc.，1999 DInSAR + AZO，Yuri Fialko etc.，1999 相干目标法，Usai, etc.，2001 升、降轨SAR，Mikio Tohita etc.，2001 小基线集， Berardino etc.，2002 多图像几何视角InSAR，Tim J．Wright etc.， 2004 DInSAR+MAI，Noa etc.，2006 高分辨率INSAR， TerraSAR-X、CosmoSkyMed ，2007
1600 60cm
结构基础
天竺站沟槽平面布置图
7200
7200
通气象站
6600
1600
4000
1500
2400
3800
1000
20cm
D 3 -1 /3 1 6 10cm
K 3 -2 /7 9
F 3 -7 /6 4 .5 60cm
F 3 -4 /1 1 7
F 3 -2 /2 1 8 .8 9
D 3 -6 /3 6
二、 INSAR与数值模拟
昌平沙河
顺义机场 平各庄
朝阳王四营
GPS+InSAR 点+线+面+体 区域沉降 体-三维不均匀形变 形变场–渗流场 – 数值场 大区域、高精度、低成本、短周期
二、 INSAR与数值模拟
1. 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。
二、 INSAR与数值模拟
4. 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、 INSAR应用
在轨星和存档数据：INSAR应用中去大气影响、SAR层析成像 （SAR Tomography）、新技术方法组合应用……
国内外现状 —— 参数与机理研究
区域含水层系统水文地质参数 P=F{△z,D,T} (Hoffmann et al., 2001, 2003; Halford et
al., 2005)、压缩时间常量(Hoffmann et al., 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(Hoffmann et al., 2003; Hanson et al., 2004; Roland Burgmann, 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(Tingting Yan and T.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。
区域构造
形变-断层监测
4.2 研究内容与思路
1.高精度立体监测网 系统优化空中-地面地下监测网络
2.互馈研究 多层含水层系统与 地表形变场演化
3.地面沉降机理 渗流场-动静载荷应 力场-三维形变场
来自百度文库
4.2 研究内容与思路
1.高精度立体监测网 空中-地面-地下 三场数据一致性问题
2.水文地质工程地质条件 地下水-岩土耦合模型 时间-空间参数
△水文地质参数 = F{△形变场，T， D}
区域渗流场-参数识别
潜水层给水度
承压层储水系数第1层
承压层储水系数第2层
承压层储水系数第3层
承压层储水系数第4层
承压层储水系数第5层
2008年平原区地下水水位
（2） 区域形变场研究
融合小基线、永久散射体技术的干涉测量方法 多视角SAR图像基准转换与相干点识别匹配 高精度三维形变场信息提取
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。
遥感与水文地质的交叉研究
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。
二、 INSAR与数值模拟
3. SAR层析成像技术（SAR Tomography）
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。
5. INSAR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 ……
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。
二、 INSAR与数值模拟
2. 高分辨率INSAR与数值模拟
传统的INSAR技术大都是基于ERS/ENVISAT SAR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TerraSARX则可以获得单个建筑的形变信息。
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
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
平各庄漏斗
顺义沉降漏斗
沙河沉降漏斗
王四营漏斗
科学问题与研究思路
开展遥感与水文地质的交叉研究； 多层含水层系统演化-地面三维形变整体研究，研究其互馈机理； 量化研究地下水超采、动静载荷对区域地面不均匀沉降的实际贡献，
巷道漫游显示区
巷道漫游导航图
坐标显示区
（1）区域渗流场-数值模拟与调控
典型区地下水数值模型
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