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地球信息科学学报 >

2016 , Vol. 18 >Issue 11: 1551 - 1562

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2016.01551

基于PS-InSAR和GIS的北京平原区建筑荷载对地面沉降的影响

  • 周朝栋 , 1, 2 ,
  • 宮辉力 1, 2 ,
  • 张有全 , 1, 2*, * ,
  • 段光耀 3
展开
  • 1. 首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048
  • 2. 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 100048
  • 3. 天津城建大学地质与测绘学院,天津 300384
*通讯作者：张有全（1979-）,男,博士,讲师,主要从事微波遥感、城市地面沉降、水文地质方面研究。 E-mail: zhangyouquan1361@gmail.com

作者简介：周朝栋（1989-）,男,硕士生,主要从事微波遥感、城市地面沉降方面研究。E-mail:

收稿日期: 2016-06-14

  要求修回日期: 2016-08-31

  网络出版日期: 2016-11-20

基金资助

国家自然科学基金重点项目“北京地区地面沉降三维形变及演化机理研究”（41130744）

国家自然科学基金面上项目“地下水降落漏斗区动静载荷演化诱发地面沉降机理研究”(41171335)

国家自然科学基金项目“地下水流场稳定区动静载荷差异模式下地面沉降响应机理”（4140010982）

收起

The Influence of Building Load to Land Subsidence in Beijing Plain based on PS-InSAR and GIS

  • ZHOU Chaodong , 1, 2 ,
  • GONG Huili 1, 2 ,
  • ZHANG Youquan , *, 1, 2 ,
  • DUAN Guangyao 3
Expand
  • 1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
  • 2. Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry, Capital Normal University, Beijing 100048, China
  • 3.School of Geology and Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
*Corresponding author: ZHANG Youquan, E-mail:

Received date: 2016-06-14

  Request revised date: 2016-08-31

  Online published: 2016-11-20

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

北京平原区地面沉降问题日益突出,成因复杂,既包括人为地下水开采和城市建筑荷载作用,又包括自然土体固结和活动构造影响。地下水开采和建筑荷载是重要的驱动因素。如何提取区域尺度建筑载荷,评价其对地面沉降影响,是地面沉降灾害防治工作需要开展的重要环节。本文以简化后的容积率表征建筑载荷,首先利用PS-InSAR技术获取研究区地面沉降信息,然后使用GIS空间分析的方法提取出同等地下水开采影响下的不均匀沉降分布,其次采用阴影长度法提取了研究区建筑体高度,最终结合空间分析和回归分析方法研究建筑容积率与地面沉降之间的关系。主要研究结论：① 北京地区地面沉降比较严重,沉降速率大于30 mm/a的区域占比21.08%;② 地下水开采同等影响下的不均匀沉降区呈H形分布于平原区中部和北部;③ 阴影长度法能够较准确的评估出建筑容积率,可用于区域尺度静载荷的提取与分析;④ 在地质条件相似、水位变化相同的局部区域内,地面沉降速率与建筑容积率具有一定相关性,但相关系数较低。

关键词： 地面沉降; PS-InSAR; 建筑载荷; 容积率; GIS

本文引用格式

周朝栋 , 宮辉力 , 张有全 , 段光耀 . 基于PS-InSAR和GIS的北京平原区建筑荷载对地面沉降的影响[J]. 地球信息科学学报, 2016 , 18(11) : 1551 -1562 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2016.01551

Abstract

Land subsidence in Beijing plain is becoming increasingly acute. The causes of land subsidence are complicated, including artificial over-exploration of groundwater and building load as well as natural soil consolidation and the influence of active structure. Over-exploration of groundwater and building load are the two important driving factors in the land subsidence of Beijing Plain. What we have focused on is how regional scale building load should be extracted and evaluated. In this paper, the simplified plot ratio stands for the building load and the land subsidence information of the study area is measured by PS-InSAR technique. We get the uneven subsidence distribution under the same groundwater exploration by the way of GIS spatial analysis. Meanwhile, building height is extracted by the way of Shadow's Length Method with high-resolution optical images. At last, the relationship between building load and land subsidence is studied by spatial analysis and regression analysis. The main conclusions obtained are as follows: (1) Land subsidence in Beijing is very serious during 2003-2010, the percentage of 30mm/a-41.89mm/a area is 21.08%. (2) The uneven subsidence distribution under the same groundwater exploration is located in the central and northern Beijing as an H shape. (3) Shadow's Length Method can accurately estimate the plot ratio, which can be used to extract regional scale building load. (4) Land subsidence rate has a correlation with building plot ratio in similar geological condition and ground water level changing area but the correlation coefficient is small.

Key words： land subsidence; PS-InSAR; building load; plot ratio; GIS

1 引言

地面沉降是由多种因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现象,近年来已经成为影响全球多个国家可持续发展的严重地质灾害[1]。华北平原北部是中国地面沉降严重区域[2],尤其是特大城市北京[3-4],在其城市发展的过程中面临着地下水常年超量开采、工程建设动静载荷等地面沉降诱发因素的作用。地面沉降对基础设施和人们的生产、生活造成了严重的影响[5],获取准确的地面沉降监测信息,分析其演化规律,讨论建筑载荷与地面沉降之间关系是地面沉降防控的重要依据[6]。
90年代以来,InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）测量技术经过长期积累,成功地应用于地表长时间序列的形变监测。InSAR测量可以通过雷达图像的相位差信息,利用传感器的系统参数和几何关系精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化,具有主动式、全天候、高空间分辨率覆盖范围大的优势。常规D-InSAR（Differential-InSAR）技术在时间、空间去相干以及大气延迟严重的区域很难达到理想效果。Ferretti在1999年提出了PS-InSAR（Persistent Scatterers for SAR Interferometry）的地表形变监测技术方法[7-9],该方法能够有效地抑制时空失相干和大气引起的误差组分,大幅度提高了地表形变监测的精度和可靠性[10]。
影响北京地面沉降的因素众多,主要的人为因素有地下水超采和地表静载荷。在较大尺度上,长期地下水超采是地面沉降的主要因素。整个北京平原区上,超采地下水形成的地下水位降落漏斗与地面沉降区域在时间和空间上的分布具有高度的相关性[11-14]。然而,在较小范围内,地表静载荷对地面沉降的贡献仍不明确。在一定范围内（如1 km2）,地质条件相似,水位变化相似,地下水位的差异对不均匀沉降贡献有限。此时,地表静荷载主要为地表建筑单元产生的重力载荷,其有可能是导致局部不均匀沉降发生的主要因素[15-18]。随着近几十年城市化进程的加快,北京市高层和超高层建筑逐渐增多。高层建筑作为地面沉降诱导因素之一,其作用逐渐凸显,造成的危害也越来越严重。整体上,地下水抽取和高层建筑物荷载的叠加会对地面沉降产生更大的影响[19]。并且伴随城市的扩展,可能改变现有不均匀沉降的分布,导致新的不均匀沉降发生。目前就城市建筑对地面沉降影响的研究,针对建设过程中基坑降水导致沉降的情况讨论较多[20-21],而对建筑完工之后建筑物自重应力的载荷与地面沉降的关系研究相对较少。相关学者曾采用建筑密度[16]或建筑指数[22-23]来表达地表建筑载荷,但是这些方法都是在二维平面上考虑建筑密度对地面沉降的影响,并没有明确的表达出不同高度建筑物在垂向上对沉降的贡献。
本文在现有容积率计算方法[24]的基础上进行改进,得到新的容积率指标作为建筑载荷的计算方法。利用时序PS-InSAR和GIS（Geographic Information System）技术监测、分析北京市平原区2003-2010年地面沉降情况;使用高分辨率光学影像提取的建筑高度信息进而得到典型区建筑容积率;通过GIS空间分析工具,在区域内地下水位影响作用相同的情况下,极大弱化地下水对不均匀沉降的影响,凸显地表建筑载荷的作用,研究其与地面沉降的相关关系,进而讨论地面建筑载荷对局部不均匀沉降的影响。

2 研究区概况、数据和流程

2.1 研究区概况、数据

研究区（115º25'~117º35'E、39º28'~41º05'N）位于北京市的中部及南部,包括朝阳、顺义、通州等区域（图1）。北京平原区由永定河、潮白河的冲洪积物堆积塑造而成[25]是地面沉降的主要发生区域。
Fig. 1 Location of study area

图1 研究位置

实验选取欧空局ESA（European Space Agency）的EnvisatASAR影像共48景（Track:1490,Frame:2799）,影像覆盖范围（图1）、轨道号和获取时间 （表1）。影像的波长为5.6 cm,VV极化方式,空间分辨率为30 m。外部DEM数据为美国国家航空航天局NASA提供的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数据,其空间分辨率为90 m。验证沉降监测结果的数据为北京地质水文队工程队的水准测量结果。高分辨率光学遥感影像为QuickBird和GeoEye-2数据,共4个多光谱波段（分辨率2 m）和一个全色波段（分辨率0.5）,融合得到0.5 m分辨率多光谱数据。验证容积率提取结果的数据为实地调查数据。
Tab. 1 Main data types and sources

表1 研究区主要数据类型及来源

序号 轨道号 影像时间 序号 轨道号 影像时间 序号 轨道号 影像时间
1 09290 2003-12-10 17 25322 2007-01-03 33 34340 2008-09-24
2 09791 2004-01-14 18 25823 2007-02-07 34 34841 2008-10-29
3 10292 2004-02-18 19 26324 2007-03-14 35 35342 2008-12-03
4 10793 2004-03-24 20 26825 2007-04-18 36 35843 2009-01-07
5 11294 2004-04-28 21 27827 2007-06-27 37 36344 2009-02-11
6 11795 2004-06-02 22 28328 2007-08-01 38 36845 2009-03-18
7 12296 2004-07-07 23 28829 2007-09-05 39 38348 2009-07-01
8 12797 2004-08-11 24 29330 2007-10-10 40 38849 2009-08-05
9 13298 2004-09-15 25 29831 2007-11-14 41 39350 2009-09-09
10 13799 2004-10-20 26 30332 2007-12-19 42 39851 2009-10-14
11 14801 2004-12-29 27 30833 2008-01-23 43 40352 2009-11-18
12 15803 2005-03-09 28 31334 2008-02-27 44 40853 2009-12-23
13 19811 2005-12-14 29 31835 2008-04-02 45 41354 2010-01-27
14 21815 2006-05-03 30 32336 2008-05-07 46 41855 2010-03-03
15 23318 2006-08-16 31 33338 2008-07-16 47 42356 2010-04-07
16 24320 2006-10-25 32 33839 2008-08-20 48 45133 2010-10-18

2.2 处理技术流程

建筑载荷主要由建筑物的尺寸、材料以及建筑群的密度等因素决定。建筑学里的容积率（建筑面积毛密度）为建筑总面积与建筑面积之比,其很好地表达出不同高度载荷的差异。不考虑建筑材料之间的差异,容积率和载荷存在正比关系,即可以用容积率来表示建筑载荷。本文借助容积率为指标来表征城市建筑载荷的大小,进而探究局部建筑载荷差异对沉降的影响（图2）。
Fig. 2 Technique flow chart

图2 研究技术流程图

首先,利用2003-2010年48景Envisat ASAR数据通过PS-InSAR技术方法,通过瑞士的GAMMA软件IPTA（Interferometric Point Target Analysis）模块进行图像的配准、差分干涉、干涉点目标提取、相位解缠、形变提取等过程,获取北京市平原区时序地面沉降信息[26];并采用水准监测的沉降值进行验证。在此基础上,选用kriging插值方法对所有PS点的沉降值进行空间插值,得到研究区沉降速率分布栅格图（90 m分辨率）;GIS空间分析的方法确定局部不均匀沉降区的位置,选取具有代表性的4个子研究区域。此时,使用高分辨率光学影像提取各个子研究区内建筑单元体的阴影信息,建立建筑高度、阴影长度、太阳高度角、太阳方位角、卫星高度角、卫星方位角之间的函数关系,进而计算建筑物高度获取建筑容积率;并以实际采样的准确数据验证遥感结果的准确度,进而得到研究区各建筑单元体的层数。最后,建立子研究区建筑载荷和地面沉降之间的回归模型,对其结果进行分析。

3 研究方法

3.1 PS-InSAR地面沉降监测

3.1.1 PS-InSAR算法模型
将SAR影像按照时间序列排序,考虑影像之间的时间基线、空间基线、多普勒质心频率差这3个 因素建立如下综合相关模型进行主影像选取（式（1）、（2））：
ρ m = 1 K ∑ k = 1 k [ c ( B ⊥ k , m , B c ) ] × { c ( T k , m , T c ) } × [ c ( f DC k , m , f c ) ]
c ( x , a ) = 1 - x a , ( x < a ) （2）
式中： ρ m 表示干涉对综合相关系数; B ⊥ k , m 、 T k , m 和 f DC k , m 分别为影像k和影像m干涉对的垂直空间基线、时间基线、多普勒质心频率差; B c 、 T c 和 f c 分别为各要素的临界条件。计算主影像与各从影像整体相关系数 ρ ,选取 ρ 最大值时对应的影像为主影像,以达到优化主影像选取目的。
选取干涉对垂直基线小于600 m的像对进行差分处理,构建K幅初始差分干涉图。此时差分干涉相位 ϕ i , j (第i幅差分干涉对、第j个像元的相位)包含以下组分,如式（3）所示：
ϕ i , j = ϕ def , i , j + ϕ e , i , j + ϕ orbit , i , j + ϕ atm , i , j + ϕ n , i , j （3）
式中： ϕ def , i , j 为视线方向的形变相位; ϕ e , i , j 是参考面地形起伏引起的相位; ϕ orbit , i , j 指轨道误差引起的相位; ϕ atm , i , j 为大气延迟相位差; ϕ n , i , j 指噪声引起的相位。借助外部DEM数据可以除去 ϕ e , i , j 相位。永久散射体PS（Persistent Scatterer）点为SAR影像中记录高信噪比、时间序列上保持高干涉相干性、相位稳定的点目标后向散射比较稳定,其 ϕ n , i , j 足够小,不能模糊差分干涉相位的信号,可以忽略。根据PS点的特点,常用的相干点目标检测方法有相干系数阈值法、振幅离差阈值法、相位离差阈值法等。Ferretti等发现高信噪比的PS点振幅离差指数和相位偏差近似,可以利用振幅离差的倒数进行PS点的识别[7-8]（式（4））。
MSR = m t σ t （4）
式中： MSR 为振幅离差倒数; m t 为时序振幅均值; σ t 为时序振幅标准差。
使用统计方法探测出成像区域内时间相关性较高的目标点（即PS点）,基于PS点的相位时间序列进行建模分析,进而分离形变、大气等相位获得形变相位。对PS点相位进行回归计算是一个迭代优化的过程。利用空间域、时间域的相位解缠方法分析相位变化过程,将差分相位进行分类,依次迭代出形变速率、高程改正值和误差等（式（5）-（8））。
Δ ϕ diff = ϕ lin_def + ϕ topo_res + ϕ res （5）
ϕ unw = K × 2 π + ϕ lin_def + ϕ topo_res + ϕ res （6）
ϕ res = ϕ non_def + ϕ atm + ϕ noise （7）
ϕ def = ϕ lin_def + ϕ non_def （8）
式中： Δ ϕ diff 为去除参考面和地形相位的差分干涉相位; ϕ lin_def 为地表在视线方向的相位变化; ϕ topo_res 为外部DEM不精确引起的误差相位, ϕ res 包括 ϕ non_def 非线性形变相位、 ϕ atm 大气扰动相位和 ϕ noise 噪声相位; ϕ def 为视线向实际形变量; ϕ non_def 为非线性形变相位。
选取高程相对稳定的PS点为参考点,确保大气扰动引起的相位变化最小,由参考点向周围各个PS点展开,生成每个PS点的线性速率和高程改正值。参考线性速率和高程改正值对迭代的影响,进行原始相位的修正。然后进行滤波,滤波之后的相位与残余相位之差为大气和噪声的影响,剔除大气和噪声的影响即为非线性形变相位（式（7））。非线性形变和线性形变之和为地表实际形变量（式（8））[24]。
3.1.2 数据处理
使用2003-12-10至2010-10-14的48景ASAR影像,根据主影像选取时对时间失相干、空间失相干的要求（根据式（1）、（2）,选取2007-06-27为主影像,组成47对时序差分干涉对。干涉对空间基线、时间基线（图3（a））。结合空间、时间基线和干涉效果剔除第1、3、4、9、10、15、16、17、19、26、38、41、42幅,剩余34幅干涉对。根据精密轨道数据将其他影像配准到主影像上（配准精度小于0.2个像元大小）。重采样后的从影像与主影像进行差分干涉处理去除平地效应。
依据振幅离差阈值法进行永久散射体点目标的选取,设置MSR=1.3的像元为初始相干点集。研究区内共有56万个PS点,329 675个PS点保持相干性超过0.6,一定程度上保证了干涉处理中PS点的空间密度（图3（b））。
PS点集的计算过程：① 由SRTMDEM去除地形相位,得到PS点对应的模拟地形相位;② 干涉点相位与模拟相位做差得到PS点差分干涉相位;③最小费用流(MCF)方法解缠,获取PS点相位差的整周期数;④ 迭代计算去除轨道误差、大气延迟和 噪声。
迭代过程中进行解缠时选取海淀区玉渊潭公园内形变量较小的控制点(经度：116.51°,纬度：39.91°)为参考点。大气相位和非线性形变在时间和空间上的频率特征不同：大气相位在空间域上表现为低频信号,时间域上表现为高频信号;非线性形变在空间上相关度较小,时间域上具有低频特征。所以结合时间域和空间域滤波,滤波完成后,利用残余相位与滤波后相位之差可以得到大气和噪声的影响。剩余的部分即为目标非线性形变。将其与线性形变相结合得到PS点的形变信息。

3.2 典型区的选择

较大尺度上,地面沉降漏斗与地下水漏斗的分布具有很高的相关性。较小尺度上,建筑荷载是局部不均匀沉降的一个重要因素,即建筑与地下水抽取对地面沉降的影响具有明显的尺度差异。如何设定合适的尺度界限,在地质条件相似、水位变化相同的情况下研究不同建筑体对不均匀沉降的影响,是首先需要讨论的问题。设定500 m作为尺度界限,选取1 km2的4个子研究区,最大程度上弱化地下水的差异作用,讨论建筑荷载对地面沉降的影响[27]。特征区的选择采用均值滤波与地图代数相结合的方法获取。在子研究区大小确定的基础上,首先进行均值滤波,同样以30个像元作为滤波窗口,对InSAR监测到的沉降速率插值结果进行平滑操作（图4（a））。该窗口内的所有像素平均沉降值为地下水抽取的贡献,并对原始沉降速率图与平滑后速率图做差,即得局部不均匀沉降值（图4（b））。对不均匀沉降值进行重分类,然后把分类结果在光学影像上进行叠加（图4（c））,可以得到不均匀沉降的区域不仅仅是集中在沉降漏斗边缘地区,其整体上呈现H型分布于平原区的中部和北部。在朝阳区和通州区西部,不均匀沉降的密度比较高,这一区域也是2003-2010年沉降发生严重的区域。以不均匀沉降的布局和地表地物的特征作为标准,进行子研究区的选择。
Fig. 3 PS-InSAR data processing procedures

图3 PS-InSAR数据处理过程图

Fig. 4 The computation of uneven subsidence

图4 不均匀沉降区域计算

Fig. 5 Sub study area

图5 子研究区域

根据不均匀沉降发生的区域,结合光学影像,采用目视的方法选择地表建筑体分布基本没有发生变化的区块。综合筛选的4个子研究区大小均为1 km2（图5）。理论上,1 km2的尺度可以认为地下水抽取对沉降的差异性影响可以忽略不计。其中,子研究区1、2、3位于朝阳区,地下水位在10-15 m之间;子研究区4位于通州,地下水位在10 m左右。使用2008年11月和2009年8月的QuickBird和GeoEye-2高分辨率影像数据,采用超分辨率贝叶斯法（Pan Sharpening）分别对其多光谱数据和全色波段进行融合,得到0.5 m分辨率光谱数据真彩色显示如图5（b）所示。4个子研究区内的建筑体多样性比较丰富,既有较高的住宅商业楼,也分布着中等高度的建筑群,同时也存在单层的平房建筑和无建筑区域。子研究区1位于CBD（Central Business District）附近,建筑单元比较密集,分布多栋高层建筑体（15层以上）,该区域沉降速率在-25~ -12 mm/a之间,沉降速率相对较高。子研究区2沉降比较严重,沉降速率在-27~ -20 mm/a之间。该区域存在大量农田,建筑体形态相对简单,多集中在中低层,高层建筑仅有几栋。子研究区3位于沉降漏斗中心附近,属于沉降严重发生的区域,沉降速率在 -31~ -13 mm/a之间。子研究区2、3内均有农田用地,工厂用地,相对高层的建筑体较少,多为厂房和中层居民区建筑。子研究区4位于通州区,沉降速率在-25~ -15 mm/a之间,相对子研究区2和3,其地面沉降发生程度较弱该区域属于发展较快的新城区,建筑密度相对较高,多商场和高层居民楼,主要集中在10~30层之间。4个子研究区不同形态的建筑体分布,可以从不同视角讨论建筑单元对地面沉降的影响。

3.3 阴影法计算容积率

使用改进的建筑容积率为建筑载荷的指标。容积率本是表征城市建筑容量的一个概念,其计算公式可以表示为式（9）、（10）。
R = F / A （9）
F = A × H （10）
式中：F为总建筑面积/m2;A为地块面积/m2;H为建筑层数。由式（9）可知,容积率是区域建筑总面积与区域面积的比值,容积率是一个区域概念,区域可小可大,小到单栋建筑,大到整个街区。为了突出建筑个体载荷之间的差异,本文以单栋建筑为容积率计算单元,结合式（10）可以得到式（11）。
R = H （11）
改进的容积率简化为了单体建筑的层数,由此可得：在忽略建筑材料差异的情况下可以用建筑层数表征建筑体的静载荷。
通过大比例尺的地形图直接可以量算出城市容积率,但是这种方法测绘时间周期长、成本高。遥感技术可以快速获取大区域的城市容积率。目前主要的容积率估算方法有：直接调查法、阴影长度法、高差与投影法。直接调查法使用大比例尺航片记录建筑层数,通过量测获取长度、面积数据。阴影长度法采用高分辨率影像获取建筑物阴影长度,反演建筑物高度,推算出建筑物层数。高差法与投影法：建筑物顶部与底部只差为建筑物高度,通过影像基线长和左右视差较获取高程差,进而估算楼层[29-31]。综合各个方法优缺点以及数据源,本文采用阴影长度法估算容积率。
图6中,太阳高度角和卫星高度角为0~180°。其中,AB为建筑高度H;BD为实际阴影长度;DE为卫星探测到的阴影长度;DF为建筑法线方向;α危机太阳方位角;β危机卫星方位角;θ为太阳高度角;γ为卫星高度角由几何关系可得式（12）-（16）。
∠CBD = α - β （12）
BC × tanγ = AB = H （13）
D C 2 = B D 2 + B C 2 - 2 × BD × BC × cos∠CBD （14）
DC × sin∠CDB = BC × sin∠CBD （15）
DE = DC / cos∠CDB （16）
高分辨率影像提取阴影范围、计算阴影长度、反演建筑高度：根据获取的高分辨率影响太阳方位角、太阳高度角、卫星方位角、卫星高度角（表2）,基于建筑及其阴影之间特定的几何关系（图6）,建立阴影长度和建筑高度之间的转换模型（式（12）-（16））, 反演研究区所有建筑物高度。根据《住宅建筑规范》GB 50368-2005,北京建筑物层高2.8 m,以2.8 m为建筑单层高度,计算每栋建筑物的楼层 数[32]（式（17））。
H = h / 2.8 （17）
根据以上所获取的建筑物层数数据和地面沉降数据,采用统计分析的方法建立二者之间的关系模型。对每个子研究区均匀采样,获取采样点对应的建筑容积率（楼层数）,分别建立各个研究区内所有建筑单元的容积率和地面沉降速率之间的相关模型。同时合并计算所有研究区内建筑单元容积率和地面沉降速率之间的相关关系。
Tab. 2 The parameters of high resolution image

表2 高分辨率影像参数

影像
类型		 太阳方位角/° 太阳高度角/° 卫星方位角/° 卫星高度角/° 时间
QuickBird
GeoEye		 171.30
142.89		 34.40
60.97		 236.20
177.52		 68.60
73.63		 2008-11-04
2009-08-11
Fig. 6 The relationship between building shadow, sun and satellite’s altitude and azimuth angles

图6 太阳和卫星高度角、方位角与地面建筑阴影的关系

4 结果与分析

4.1 沉降结果和验证

利用ArcGIS空间统计克里金插值及栅格重分类的方法对PS点集的沉降信息进行分析[28],获取北京市平原区2003-2010年的沉降结果（图7）。时序沉降结果（图7（a））反映出北京平原区沉降中心形成的过程。平均沉降速率（图7（b））整体上反映了地面沉降的幅度和趋势,可以得到2003-2010年北京地区的地面沉降比较严重,最大年沉降速率为41.89 mm/a,研究区内沉降速率大于30 mm/a的区域占比高达21.08%;沉降区域主要集中在主城区东部和北部：其中朝阳区,通州北部和顺义的西部最为严重。早期形成的昌平沙河-八仙庄沉降趋势明显,平各庄和天竺沉降漏斗有扩大连接趋势,朝阳区来广营沉降中心向东扩展,东八里庄-大郊亭沉降中心与通州三间房沉降中心有扩大趋势已经连城一片;整体上沉降区域由北向东及东南方向扩展。
Fig. 7 The result of land subsidence

图7 沉降结果图

Fig. 8 Timeseriesof subsidence rate of the funnel center

图8 漏斗中心时序沉降速率图

2003-2010年五大沉降区域中心的年平均沉降速率的变化如图8所示,东八里庄-大郊亭沉降中心（A）为沉降速率最大的区域,历年沉降速率都为各个沉降漏斗之最,具有波动性增长的趋势。通州三间房沉降中心（B）2005-2008年沉降速率基本稳定在80 mm/a,2009年沉降速率突然增加。朝阳区来广营沉降中心（C）2003-2006年沉降速率较低保持在30 mm/a左右,2007/2008年和2010年是沉降量增加的年份,整体上呈现波动性增加的趋势。平各庄和天竺沉降中心（D）2003-2010年沉降速率保持在50 mm/a,该区域沉降范围有向东扩展趋势,整体上沉降速率保持不变。昌平沙河-八仙庄沉降中心（D）的沉降速率变化可以得到该沉降区域发生晚于其他沉降区域,2006年之前沉降速率保持在20~30 mm/a,2006-2010年沉降速率逐年增加,是沉降速率增加最快的区域,增量可达20 mm/a。
PS-InSAR监测结果对地面垂直向形变比较敏感,忽略水平形变的情况,可以把视线向形变量约等于垂向形变量。为了验证监测结果的准确性,选取水准监测的沉降结果与其进行比较（表3）。比较2种测量手段的差异,发现3个站点的差异值分别为1.45、1.67和0.05 mm,可以判断InSAR监测结果具有较高的准确性。
Tab. 3 Comparison between leveling and PS-InSAR measurements

表3 水准结果与PS-InSAR测量结果对比

水准测点 纬度/° 经度/° 水准形变/mm PS-视线向形变/mm 差值/mm 时间
天竺 40.06674 116.58833 -32.91 -34.36 1.45 2010-01-27至2010-10-18
新建村 39.92544 116.65795 -37.50 -35.83 1.67 2009-10-14至2010-10-18
龙旺庄 39.92245 116.68558 -30.50 -30.55 0.05 2009-10-14至2010-10-18

注：水准测量值为与SAR影像监测同期的水准测量结果

4.2 容积率结果验证

为确保遥感测得楼层数的准确度,对影像获取的建筑层数进行抽样验证：标准数据采用2种手段进行获取,百度街景获取研究区周边道路沿线的建筑楼层数;研究区内部非道路沿线建筑进行抽样实地调查,统计各建筑体层数,合并以上2组数据作为建筑高度真实值;建筑高度真实值添加至Google Earth中（图9（b））,生成具有地理位置的建筑高度分布图,与阴影长度法获取的数据进行校对,验证阴影法获取的建筑高度的准确性。
针对研究区1,均匀布置100个样本点,随机选取50个样点进行验证（图9（c））,统计结果显示：准确测得楼层样点所占的比例高于80%。遥测值与实际值之间误差占实际值比重极低,8个采样点建筑体存在1层的偏差,一个采样点存在2层偏差。可以得到遥感值与实际值之间的差异可以忽略,采用阴影法获取建筑物楼层数的方法具有较高的准确度。
Fig. 9 The floors’ acquisition and proof

图9 楼层提取与校对

4.3 建筑容积率与沉降量关系

各区域沉降速率与楼层的散点图、相应的拟合公式和R2（图10）,由于沉降速率为负值,建筑层数为正值,拟合曲线斜率为负则表示二者呈正相关。
Fig. 10 The result of regression analysis

图10 回归分析结果

子研究区1内随着楼层数的增加,地面沉降速率总体呈上升趋势,拟合直线斜率为-0.26,即在此区域内,楼层数与地面沉降速率总体上呈正相关的关系（图10（a））。并且在该区域内当楼层数在0~10之间时地面沉降速率较稳定的分布在-23 ~ -12 mm/a之间;当楼层数大于10时,地面沉降速率的值增长较大,沉降速率基本都低于-20 mm/a。以10层为界,10以上楼层对于地面沉降的差异贡献明显较大。
子研究区2随着楼层数的增加,此区域内地面沉降速率基本稳定,拟合直线斜率为仅为0.06 （图10（b））。此区域内楼层数大多集中于0-10层之间,并且在此区域内基本没有10-20层之间的建筑,仅有2座楼层数为20的高层建筑,其对于该区域地面沉降的影响非常有限。整体上该区域建筑载荷对不均匀地面沉降的贡献非常小。结合图3（b）和 图4（d）可知：与区域1、3、4对比,区域2内各点沉降速率的差异性较小。
子研究区3内随着楼层数的增加,此区域地面沉降速率总体呈下降趋势,拟合直线斜率为-0.38,楼层数与地面沉降速率总体上呈正相关的关系（图10（c））。并且楼层数在0-5的范围内时,沉降速率在-17~-12 mm/a之间,大于10层时候,地面沉降速率均低于-20 mm/a。楼层数为4层与6层的2个建筑体地面沉降速率偏离拟合直线较远,原因可能是由于该区域的其他因素所导致沉降量偏大。
子研究区4随着楼层数的增加,地面沉降速率总体呈下降趋势,拟合直线系数为-0.21,楼层数与地面沉降速率总体上呈正相关的关系（图10（d））。当楼层数为0-10层之间时,地面沉降速率浮动范围在-25 mm/a至-15 mm/a之间,但在楼层数大于10时,地面沉降速率浮动范围在-28 mm/a到-20 mm/a之间,相对于高层建筑,超高层建筑对地面沉降的贡献更大。
对4个子区域进行综合分析发现：地面沉降与楼层数之间依然有较明显的相关关系,拟合直线的斜率为-0.28,二者成正相关,楼层数越大的区域地面沉降越严重。在0-10层之间的建筑单元对应的地面沉降速率为：-28~-12 mm/a;10层以上的建筑单元对应的地面沉降速率为-28~-20 mm/a。然而部分样点偏离拟合直线距离较远：建筑单元楼层较低对应的沉降速率却较高,可能是因为4个子区域距离相对较远,地下水位具有一定的差异（图10（e））,综合在一起进行分析,其影响因素相对复杂,回归关系具有更多的不确定性。进一步印证了建筑载荷对地面沉降速率的影响在相对较小的范围内具有一定规律。

5 结论与讨论

本文通过时序PS-InSAR技术获取了北京平原区2003-2010年地面沉降监测结果。分析地面沉降的空间分布特征,得到北京平原区最大年沉降速率为41.89 mm/a,沉降速率大于30 mm/a的区域占比高达21.08%。5大沉降漏斗沉降趋势更加严峻,其中朝阳区来广营沉降中心向东扩展,东八里庄-大郊亭沉降中心与通州三间房沉降中心有扩大趋势已经连城一片,沉降区域整体上由北向东及东南方向辐射发展。
北京平原区不均匀沉降区域呈现H型分布。基于地面沉降监测结果进行GIS空间分析,提取不均匀沉降发生区域,发现不均匀沉降不仅仅发生在沉降漏斗的边缘地区,其零散的分布于整个平原区的中部和北部。
阴影法提取建筑物高度具有高效、准确的特点,该方法提取建筑体层数准确度达到80%以上。使用高分辨率光学影像,提取典型不均匀沉降区的建筑体阴影,通过相关参数计算得到建筑体楼层数。楼层监测数据与实际数据抽样验证,发现阴影法监测建筑体楼层具有较高的准确度,能够较好地应用于城市建筑体容积率的估算。
较小范围内地面沉降与容积率之间表现出一定的相关性。1 km2范围内的子研究区内的地面沉降速率与容积率之间的相关系数可达到0.38。建筑体容积率越高的区域沉降速率相对较高。低于10层的建筑体和高于10层的建筑体对应沉降速率的差异较大,相对于低层建筑,高层建筑对于地面沉降的贡献更明显。多个子研究区的综合分析发现,地面沉降速率和建筑容积率虽有一定的相关关系,表现一定的趋势性,但仍有较多样点偏离拟合曲线,主要是因为子研究区距离相对较远,不同研究区内水文地质条件和地下水位变化情况存在差异,地下水抽取等其他因素对沉降速率的差异影响不能忽略。此时引起地面沉降差异性的因素更为复杂,这也进一步印证了建筑体载荷对沉降速率的影响在相对较小尺度具有一定规律。
城市地面沉降是各种因素综合作用的结果,其中地下水抽取、建筑载荷等都是其主要诱发因素,未来可在各种诱发因素的贡献比例进行深入研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Joseph F P.Guidebook to studies of land subsidence due to ground-water withdrawal.United States of America: the United Nations Educational Scientific and Cultural Organization,1984:3-16Guidebook to studies of land subsidence due to ground-water withdrawal prepared for the International Hydrological Programme, Working Group 8.4, Joseph F. Poland, chairman and editor （Studies and reports in hydrology, 40） Unesco, c1984 pbk.

[2]
殷跃平,张作辰,张开军.我国地面沉降现状及防治对策研究[J].中国地质灾害与防治学报,2005,16(2):1-8.文章以长江三角洲、华北平原及汾渭地堑地区为重点提出开展全国地 面沉降防治的建议.地面沉降主要是由于不合理开采地下水引发的一种区域性的缓变地质灾害,成灾慢,但损失大,不易治理.同时,在上述三大地区由于地面沉降 还伴发了地裂缝灾害.粗略统计,1949年以来,我国地面沉降造成的损失累计高达4500～5000亿元,其中,年均总损失为90～100亿元,年均直接 损失8～10亿元.文章建议:利用10～15a时间,综合研究第四系结构、含水层结构及地下水环境、基底地形与断块构造特征,建立三维可视化数字平台;查 明全国地面沉降灾害分布状况和演化规律,开展地灾风险评估及地质环境安全功能区划;建成全国地面沉降现代化监测控制网络;开展地面沉降防治,严格控制地下 水开采,实施以控制地面沉降为目标的含水层修复等减灾工程.文章总结了禁采或限采地下水、优化地下水开采层位、浅层地下水开发利用、地下水人工回灌与含水 层修复等地面沉降防治经验.

DOI

[ Yin Y P, Zhang Z C, Zhang K J.Land subsidence and counter measures for its prevention in China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2005,16(2):1-8. ]

[3]
Zhang Y Q, Gong H L, Gu Z Q.Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in the plain of Beijing city, China[J]. Hydrogeology Journal, 2014,22:397-409.The plain of Beijing city in China suffers severe land subsidence owing to groundwater overdraft. The maximum subsidence rate could reach 6 cm/year through the 2000s. An integrated subsidence-monitoring program was designed, including levelling survey, borehole extensometers and multilayer monitoring of groundwater level, with the aim to understand both hydrological and mechanical processes and to characterize the land subsidence. From multilayer compaction monitoring, the major compression layers were identified. The major strata contributing to compression deformation are the second (64.5-82.3 m) and third (102-117 m) aquitards, which contributed around 39 % of the total subsidence. Meanwhile, irrecoverable deformations were also observed in the second (82.3-102 m) and third (117-148 m) confined aquifers; they exhibit elasto-plastic mechanical behavior, which is attributed to the thin beds of silt or silty clay. Stress-strain analysis and oedometer tests were conducted to study the aquifer-system response to pumping and to estimate the specific storage of the major hydrogeologic units. The results reveal the creep behavior and elasto-plastic, visco-elasto-plastic mechanical behavior of the aquitards at different depths. The compressibility of the aquitards in the inelastic range is about one order of magnitude larger than for the elastic range.

DOI

[4]
薛禹群,张云,叶淑君,等.中国地面沉降及其需要解决的几个问题[J].第四纪研究,2003,23(6):585-592.我国地面沉降主要出现在东、中部17个省市,总面积超过5×104km2,同时在17个省市出现成因上与它有关的地裂缝,危害是多方面的.沉降发生在经济高速发展的东部地区,造成的危害和损失也更大.我国地面沉降有下列特点:过量开采地下水是主要原因;各土层变形量既与其压缩性有关,也与它本身的厚度有关;砂土变形基本特征是压缩过程中总的应力与应变关系为非线性,压缩变形以塑性变形为主并包含有蠕变;水位恢复到开采前水平,沉降仍在继续,存在滞后等.从目前研究,特别是模拟研究的现状出发,指出存在8个方面的不足,进而提出需要研究解决的6个科学问题,为提高我国的研究水平献策.

DOI

[ Xue Y Q, Zhang Y, Ye S J, et al. Land subsidence in China and its problems[J]. Quaternary Sciences, 2003,23(6):585-592. ]

[5]
刘秀英,牛琪瑛,邸国平.城市地面沉降防治措施的现状及展望[J].山西建筑,2003,29(7):44-45.介绍了国内外地面沉降概况,对其防治措施的现状进行了分析探讨,指出在今后的沉降防治中,须加强地下水采灌优化方案的设计,熟练地运用新技术对地面沉降进行监测.

DOI

[ Liu X Y, Niu Q Y, Di G P.The current situation and prospect of city ground subsidence and its counter measures. Shanxi Architecture, 2003,29(7):44-45. ]

[6]
殷小庆,段怡红,闫竞新. InSAR用于地理国情监测中地面沉降监测的现状及分析[J].测绘标准化,2013,29(2):11-13.地面沉降监测是地理国情监测的重要任务之一,传统的监测方法作业周期长、耗费大,且获取的是离散数据。介绍基于常用InSAR技术进行地面沉降监测的方法,分析国内外应用实例,阐述InSAR技术用于地面沉降监测的现状,并探讨其在地理国情监测中的优势。

[ Yin X Q, Duan Y H, Yan J X.Status and analysis of land subsidence monitoring using InSAR. Standardization of Surveying and Mapping, 2013,29(2):11-13. ]

[7]
Ferretti A, Prati C, Rocca F.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatters in differential SAR interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000,38(5):2202-2212.

[8]
Ferretti A, Prati C, Rocca F.Permanent Scatters in SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001,39(1): 8-20.Differential SAR interferometry measurements provide a unique tool for low-cost, large-coverage surface deformations monitoring. Limitations are essentially due to temporal decorrelation and atmospheric inhomogeneities. Though temporal decorrelation and atmospheric disturbances strongly affect interferogram quality, reliable deformation measurements can be obtained in a multi-image framework on a small subset of image pixels, corresponding to stable areas. These points, hereafter called Permanent Scatterers, can be used as a `natural GPS network' to monitor terrain motion, analyzing the phase history of each one. In this paper, results obtained using 45 ERS SAR images gathered over the Italian town of Camaiore (within a time span of more than 6 years and a range of normal baseline of more than 2000 m) are presented. The area is of high geophysical interest because it is known to be unstable. A subterranean cavity collapsed in October 1995 causing the ruin of several houses in that location. Time series analysis of the phase values showed the presence of precursors three months before the collapse.

DOI

[9]
Colesanti C, Ferretti A, Novali F, et al. SAR monitoring of progressive and seasonal ground deformation using the permanent scatterers technique[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003,41(7):1685-1701.Spaceborne differential radar interferometry has proven a remarkable potential for mapping ground deformation phenomena (e.g., urban subsidence, volcano dynamics, coseismic and postseismic displacements along faults, as well as slope instability). However, a full operational capability has not been achieved yet due to atmospheric disturbances and phase decorrelation phenomena. These drawbacks can often be-at least partially-overcome by carrying out measurements on a subset of image pixels corresponding to natural or artificial stable reflectors [permanent scatterers (PS)] and exploiting long temporal series of interferometric data. This approach allows one to push the measurement precision very close to its theoretical limit (in the order of 鈭1 mm for C-band European Remote Sensing (ERS)-like sensors). In this paper, the detection of both time-uniform and seasonal deformation phenomena is addressed, and a first assessment of the precision achievable by means of the PS Technique is discussed. Results highlighting deformation phenomena occurring in two test sites in California are reported (Fremont in the Southern Bay Area and San Jose in the Santa Clara Valley).

DOI

[10]
廖明生,裴媛媛,王寒梅,等.永久散射体雷达干涉技术监测上海地面沉降[J].上海国土资源,2012(3):5-10.在地下水开采以及工程建设活动的双重影响下,城市地面沉降问题突 出.传统的地面沉降监测水准测量虽精度高,但点密度低、成本较高.永久散射体雷达干涉技术(PSInSAR)监测地面沉降,具有低成本、大面积和高精度特 点.选用2003~2005、2007~2008、2008~2009年间覆盖上海城区的中等分辨率Envisat ASAR影像,获得上海不同时期沉降速率图.其中2003~2005和2007~2008年间的结果与水准数据进行了比较验证,达到了毫米级精度.利用 2008~2010年间获取的TerraSAR-X影像得到的沉降速率图还表明:基于序列高分辨率SAR数据不仅可以监测地面沉降,还可对大型单体建筑物 及地铁等线状地物进行形变监测,证实了PSInSAR方法的有效性和应用潜力.

DOI

[ Liao M S, Pei Y Y, Wang H M, et al. Subsidence monitoring in Shanghai using the PSInSAR technique[J]. Shanghai Land & Resoures, 2012,3:5-10. ]

[11]
Devin L G. Thomas J B.Review: regional land subsidence accompanying groundwater extraction. Hydrogeology Journal, 2011,19:1459-1486.The extraction of groundwater can generate land subsidence by causing the compaction of susceptible aquifer systems, typically unconsolidated alluvial or basin-fill aquifer systems comprising aquifers and aquitards. Various ground-based and remotely sensed methods are used to measure and map subsidence. Many areas of subsidence caused by groundwater pumping have been identified and monitored, and corrective measures to slow or halt subsidence have been devised. Two principal means are used to mitigate subsidence caused by groundwater withdrawal鈥攔eduction of groundwater withdrawal, and artificial recharge. Analysis and simulation of aquifer-system compaction follow from the basic relations between head, stress, compressibility, and groundwater flow and are addressed primarily using two approaches鈥攐ne based on conventional groundwater flow theory and one based on linear poroelasticity theory. Research and development to improve the assessment and analysis of aquifer-system compaction, the accompanying subsidence and potential ground ruptures are needed in the topic areas of the hydromechanical behavior of aquitards, the role of horizontal deformation, the application of differential synthetic aperture radar interferometry, and the regional-scale simulation of coupled groundwater flow and aquifer-system deformation to support resource management and hazard mitigation measures.

DOI

[12]
Zhu L, Gong H L, Li X J, et al. Land subsidence due to groundwater withdrawal in the northern Beijing plain, China. Engineering Geology, 2015,193:143-255.Beijing is an international metropolis, where over-exploration of water resource makes land subsidence becoming more and more serious. The related problems cannot be avoided in the coming years because of the giant increase of population. The aims of this study are to quantify land subsidence over the period 2003 to 2010, grasp the evolution of the process, and investigate the relation with the triggering factors in the northern area of the Beijing plain. Various data, including deep compaction from vertical multiple borehole extensometers, land subsidence from Persistent Scatterer Interferometry and leveling surveys, groundwater levels, hydrogeological setting from wellbores, and Landsat TM image were collected and effectively used to detect the spatial and temporal features of land subsidence and its possible relation with groundwater level changes, compressible layer thickness, and urban development. Results show that land subsidence is unevenly distributed and continuously increased from 2003 to 2010. The average loss of elevation over the monitoring period amounted to 92.5聽mm, with rates up to 52聽mm/y. The distribution of the subsidence bowl is only partially consistent with that of the groundwater depression cone because of the variable thickness of the most compressible fine deposits. In fact, extensometers reveal that silty-clay layers account for the larger contribution to land subsidence, with the 15聽m thick silty-clay layer between 102 and 117聽m depth accounting for about 25% of the total subsidence. Finally, no clear correlation has been observed between the subsidence rates and the increase of the load on the land surface connected to the impressive urban development. This study represents a first step toward the development of a physically-based model of the subsidence occurrence to be used for planning remediation strategies in the northern Beijing plain.

DOI

[13]
Chen B B, Gong H L, Li X J, et al. Spatial-temporal characteristics of land subsidence corresponding to dynamic groundwater funnel in Beijing municipality, China. Chinese Geographical Science, 2011,21(6):753-764.Due to long-term over-exploitation of groundwater in Beijing Municipality,regional groundwater funnels have formed and land subsidence has been induced.By combining a groundwater monitoring network,GPS monitor-ing network data,radar satellite SAR data,GIS and other new technologies,a coupled process model based on the dy-namic variation of groundwater and the deformation response of land subsidence has been established.The dynamic variation of groundwater funnels and the land subsidence response process were analyzed systematically in Beijing.Study results indicate that current groundwater funnel areas are distributed mainly in the southwest of Shunyi District,the northeast of Chaoyang District and the northwest of Tongzhou District,with an average decline rate of groundwa-ter level of 2.66 m/yr and a maximum of 3.82 m/yr in the center of the funnels.Seasonal and interannual differences exist in the response model of land subsidence to groundwater funnels with uneven spatial and temporal distribution,where the maximum land subsidence rate was about-41.08 mm/yr and the area with a subsidence rate greater than 30 mm/yr was about 1637.29 km2.Although a consistency was revealed to exist between a groundwater funnel and the spatial distribution characteristics of the corresponding land subsidence funnel,this consistency was not perfect.The results showed that the response model of land subsidence to the dynamic variation of groundwater was more revealing when combining conventional technologies with InSAR,GIS,GPS,providing a new strategy for environmental and hydrogeological research and a scientific basis for regional land subsidence control.

DOI

[14]
赵常洲,龚固培,王晖.地面沉降成因与危害[J].西部探矿工程,2006(1):261-263.介绍了地面沉降的成因和危害,提出防治措施。

DOI

[ Zhao C Z, Cong G P, Wang H.Cause of formation and harm of the land subsidence. West China Exploration Engineering. 2006,1:261-263. ]

[15]
陈鹏,李正媛,刘妙龙.地下水位对定点形变观测干扰的抽水实验[J].大地测量与地球动力学,2004,24(3):79-83.抽水所造成的地下水位的变化会即时在局部范围内造成地表的形变,干扰定点地壳形变观测.在蓟县地震台进行的抽水实验表明:这种干扰的幅度与抽水水井到形变监测仪器的距离有关,也和抽水水井水位的最大降深有关.根据实验数据得到了抽水对定点形变观测的影响范围的经验公式.

DOI

[ Chen P, Li Z Y, Liu M L, et al. Experiment of pumping from well to explore disturbance arising from dynamic groundwater level to deformation observation. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2004,24(3):79-83. ]

[16]
严学新,龚士良,曾正强.上海城区建筑密度与地面沉降关系分析[J].水文地质工程地质,2002,29(6):21-25.工程建设逐渐成为上海近年来新的地面沉降制约因素.本文选择4个典型的高层建筑及多层建筑密集区段,分析了建筑密度与地面沉降的关系,探讨了其时空变化特征.建筑规模及其增长速度直接导致工程性地面沉降同步增长,集中建设较分散建设、新区建设较旧城改造、高层建筑较多层建筑地面沉降效应明显.建筑密度越大,建筑容积率越高,地面沉降越显著.城市规划宜选择低密度、低容积率的建设模式,降低建筑高度、扩大建筑间距.提出了沉降控制条件下适宜的建筑容积率应在0.9～1.2之间,从而为城市规划提供了决策性技术指标.

DOI

[ Yan X X, Gong S L, Zeng Z Q.Relationship between building density and land subsidence in Shanghai urban zone. Hydrogeology & Engineering Geology, 2002,29(6):21-25. ]

[17]
赵慧,钱会,李渊,等.抽水和建筑载荷双重作用下的地面沉降模型[J].地球科学与环境学报,2008,30(1):57-68. ]依据含水层质量守恒原理,推导了非固结地层在建筑荷载作用下的地面沉降机理模型,并将其与 Jacob假定下抽水引起的地面沉降弹性模型相比较,结果发现两种模型的机理表达式完全一致,仅区别于水动力原因或实质的不同。在同一坐标系中,根据线性 叠加原理,抽水沉降漏斗和荷载沉降漏斗可能都落在地下水位降落漏斗内。假定两者为相互独立事件,给出了抽水和建筑荷载双重作用下的地面沉降模型,表明其如 果以水位降深为制约因子,则可以对水动力实质完全不同的两种沉降过程进行线性叠加计算。

DOI

[ Zhao H, Qian H, Li Y, et al. Land subsidence model under dual effects of groundwater pumping and construction loading. Journal of Earth Sciences and Environment,2008,30(1):57-68. ]

[18]
唐益群,严学新,王建秀,等.高层建筑群对地面沉降影响的模型试验研究[J].同济大学学报,2007,35(3):320-324.通过室内模型试验,研究了上海地区典型地质条件下高层建筑群工程 环境效应对地面沉降的影响,探讨了在高层建筑群工程环境效应作用下不同土层的变形特点、相邻建筑物之间的相互影响状况、高层建筑群对中心及周边区域地面沉 降的影响以及沉降影响范围、土层中应力(包括土压力、孔隙水压力)的变化规律等.试验研究结果表明:上海软土层是地面沉降的主要组成部分;高层建筑群工程 环境效应造成的城区地面沉降的特点是距建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑本身的沉降,尤以相邻建筑之间中心区域地表的沉降量最大;密集高层建筑 群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应,并使沉降量超过容许值,从而带来不稳定因素.

DOI

[ Tang Y Q, Yan X X, Wang J X, et al. Model test study of influence of high-rise building on ground subsidence[J]. Journal of Tongji University, 2007,35(3):320-324. ]

[19]
丁德民,马凤山,张亚民,等.高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征[J].工程地质学报, 2011,19(3):433-439.在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂。以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算。结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3~4 a内将产生可观的地面沉降量;抽水和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独荷载作用下地面沉降值之和。

DOI

[ Ding D M, Ma F S, Zhang Y M, et al. Characteristics of land subsidence due to both high-rise building and exploitation of groundwater in urban area. Journal of Engineering Geology, 2011,19(3):433-439. ]

[20]
张勇,赵云云.基坑降水引起地面沉降的实时预测[J].岩土力学,2008,29(6):1593-1596.由于基坑降水引起周围土体应力的重新调整,造成基坑相邻建筑物地基不均匀沉降,情况严重则造成相邻建筑物破坏,因此对不均匀沉降量的预测具有现实意义。利用地下水动力学的非稳定流原理及土力学基本理论,介绍了基坑降水设计中引起周围地面沉降的实时预测方法,探讨了不同土层在降水过程中孔隙水压力消散对土层固结的影响,通过实例分析了公式中不同参数的取值合理性,编制了相关程序。该方法对分析、预测由于基坑降水所引起的周围地面沉降有一定参考价值。

DOI

[ Zhang Y, Zhao Y Y.Real time prediction of land subsidence caused by foundation pit dewatering. Rock and Soil Mechanics, 2008,29(6):1593-1596. ]

[21]
骆祖江,李朗,姚天强,等.松散承压含水层地区深基坑降水三维渗流与地面沉降耦合模型[J].岩土工程学报,2007,28(11):1947-1951.以上海环球金融中心基坑降水为例，根据基坑降水过程中有效应力和孔隙水压力的转化关系，建立了基坑降水与地面沉降的耦合模型，并采用有限差分数值模拟方法，模拟了在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达145m、基坑周围挡水连续墙埋深达34m、抽水井埋深达55m、抽水井过滤器埋深为34-55m，单井抽水量为1420m^3／d的8口抽水井联合降水情况下，基坑中心下伏第1承压含水层上部降压段水位降至埋深26m时的地下水复杂流动状态及其地面沉降特征。经后续工程验证，该结果正确、可靠，该理论用于模拟预测此类地区深基坑降水引起的地下水流场变化及其地面沉降具有较高的可信度。

DOI

[ Luo Z J, Li L, Yao T Q, et al. Coupling model of three dimensional seepage and land-subsidence for dewatering of deep foundation pit in loose confined aquifers. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007,28(11):1947-1951. ]

[22]
陈蓓蓓,宫辉力,李小娟,等. PS-InSAR技术与多光谱遥感建筑指数的载荷密度对地面沉降影响的研究[J].光谱学与光谱分析,2013,33(8):2198-2202.城市快速发展带来的载荷增加在一定程度上加剧着局部的地面沉降.选取覆盖北京平原区的TM多光谱遥感影像,反演基于指数的建筑用地指数,表征建筑用地(载荷)时空密度差异信息；进而基于永久散射体干涉测量监测技术和遥感建筑指数,结合GIS空间分析方法,从像元角度,分析典型区域载荷变化与地面沉降的相关性.结果表明:(1)载荷的密度与沉降的不均匀性存在正相关关系,尤其在高沉降速率地区体现的较为明显；(2)由于地质结构、土体结构的复杂性、滞后性等特点,使得在相对较短周期研究内,载荷的增加对地面沉降的影响并不十分凸显；(3)高密度建筑群使得局部地面荷载增加,各单体建筑的附加沉降互相叠加,对区域性地面沉降的贡献是不容忽视的问题.

DOI

[ Chen B B, Gong H L, Li X J, et al. The Impact of load density differences on land subsidence on build-up index and PS-InSAR technology[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013,33(8):2198-2202. ]

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陈蓓蓓,宫辉力,李小娟,等.北京典型地下水漏斗区载荷密度与地面沉降相关性[J].应用基础与工程科学学报,2013,21(6):1046-1056.地面沉降是由于地表高程降低所诱发的区域环境地质灾害.城市快速发展带来的载荷的增加影响地面沉降的发展.选取覆盖北京平原区的TM遥感影像,以北京典型地下水漏斗区为研究区,在NDBI、MNDWI、SAVI指数基础上,计算遥感建筑用地指数(IBI),获取建筑用地(载荷)时空密度差异信息;结合永久散射体干涉测量(Persistent Scatterers for SAR Interferometry,PS-InSAR)监测结果,基于GIS空间分析技术和统计分析方法,从3种不同的空间采样角度,分析载荷密度差异与地面沉降的相关性.结论显示,(1)地面沉降的不均匀性与载荷密度的正相关性表现为:沉降速率值越大,Spearman秩相关系数越大;(2)动静载荷的共同作用相对于单纯的静载荷对地面沉降的影响更明显;(3)在较短时间周期内,相对于地下水开采,载荷对地面沉降的影响较小,但仍旧是不容忽视的问题,需要长期系统性的研究.

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[ Chen B B, Gong H L, Li X J, et al. Relationship between load densityand land subsidencein typical groundwater funnel area of Beijing, China[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2013,21(6): 1046-1056. ]

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唐益群,宋寿鹏,陈斌,等.不同建筑容积率下密集建筑群地面沉降规律研究[J].岩土力学与工程学报,2010,29(1):3425-3431.随着城市规模的发展,密集建筑群所引起的工程性地面沉降问题越来越引起重视。借助离心模型试验手段,探讨建筑容积率因素对上海软土地区密集建筑群区工程性地面沉降的影响规律。试验结果表明:软土地层沉降是工程性地面沉降的主要组成部分,地层及区域各点随时间的沉降变化量均符合指数函数关系;密集建筑群区的地面沉降存在明显的叠加效应,并随建筑容积率的增大呈增加趋势;在试验指定的建筑容积率下,地面沉降的叠加效应存在明显的时间效应;建筑容积率需控制在一定的范围内,以防止地面沉降超过其容许沉降量,而成为引起城市环境问题的不稳定因素。

[ Tang Y Q, Song S P, Chen B, et al. Study of land subsidence rule of dense building under different floor area ratios[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2010,29(1):3425-3431. ]

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蔡向民,栾英波,郭高轩,等.北京平原地区地质系统[J].城市地质,2009(3):6-12.经过几代人的工作,北京平原地 质工作取得了丰硕的成果,在基础地质、水文地质、工程地质和环境地质等领域都有重要进展。本文通过北京平原三维地质结构分析,认为北京平原的地下水资源、 工程地质、地面沉降、地裂缝灾害等地质问题均受三维地质结构控制,各种地质现象都处在一个统一的地质系统之内。第四系三维结构控制着第四系孔隙水资源的赋 存、平原的工程地质特征和地面沉降的分布和演化;基岩的三维结构控制基岩裂隙水、岩溶水资源和地热资源的赋存状态;平原隐伏断裂对平原的地貌、基底形态起 控制作用,对地裂缝,地面沉降等地质灾害的形成和发展有重要影响。这些由三维地质结构控制的地下水子系统,隐伏断裂子系统以及工程地质、地面沉降等地质问 题,共同组成了北京平原区地质系统。

DOI

[ Cai X M, Luan Y B, Guo G X, et al.Geological system in Beijing plain area. China Academic Journal Electronic Publishing House.. 2009,3:6-12. ]

[26]
Manjunath D.Point Target interferometry as applied to the characterization of localized deformation features. University of Missouri-Columbia: Doctor of Philosophy, 2008.Monitoring of ground deformation is a critical component of geotechnical engineering practice. This study investigated the application of synthetic aperture radar interferometry (InSAR) using point target analysis (IPTA) for detecting and characterizing localized deformation features that are often associated with geotechnical engineering activities. In contrast to discrete point in-situ deformation measurement techniques, InSAR can be used to obtain a broader view of deformation processes at a site.

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陈鹏,李正媛,刘妙龙,等.地下水对定点形变观测干扰的抽水实验[J].大地测量与动力学,2004(8):79-83.

[ Chen P, Li Z Y, Liu M L, et al. Experiment of pumping from well to explore disturbance arising from dynamic groundwater level to deformation observation. Journal of Geodesy and Geodynamics. 2004,8:79-83. ]

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陈基炜. InSAR-GPS-GIS数据整合在地面沉降研究中的应用.大地测量与地球动力学. 2004,24(3):87-91.讨论了利用GPS提供的精确地理信息和大气参数辅助实现InSAR亚毫米级探测精度方法的可行性,进一步讨论分析了利用GIS对InSAR GPS成果进行合成、解译和分析的过程和方法.对利用3种数据整合技术开展城市地面沉降观测的前景作了展望.

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[ Chen J W.InSAR-GPS-GIS data integration and application to detection of land subsidence. Journal of Geodesy and Geodynamics. 2004,24(3):87-91. ]

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Hiroyuki Y, Manabu O.An approach for analysis of urban morphology: methods to derive morphological properties of city blocks by using an urban landscape model and their interpretations. Computers Environment and Urban Systems. 2005,29:223-247.An approach to analyze urban morphology is presented in this study. It is based on an urban landscape model, and a 2 km脳2 km area in Tokyo is used as a study site. The approach has the following two characteristics. Firstly, city blocks are used as spatial units for morphological properties to be derived and interpreted. Secondly, the morphological properties derived are interpreted on quantitative basis. The morphological properties featured in this study are: (1) surface area per projected area; (2) volume per projected area; (3) building to land ratio; (4) mean height of buildings; (5) surface area of buildings per unit volume of buildings; and, (6) mean volume of buildings. These six properties are calculated for each block, and interpreted with attentions to their interrelationships as well as geographical distributions. This attempt reveals gradations of morphological properties of blocks in feature spaces and the geographical space, which has potentials to enable quantitative comparisons of cities domestically and internationally.

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查勇. 测定城市建筑容积率的遥感方法.地理科学进展,2001,12(20):378-383.基于航片测定城市建筑容积率,首先需要确定建筑物的高度或楼层数,旨在比较利用直接法、投影 法、阴影法和高差法估算城市容积率的精度,本文在1∶2500和1∶4000航片上测定了21个建筑物的高度/楼层数.比较分析表明:直接法估算城市容积 率的精度最低,高差法在测定地物高度时最精确,阴影法和投影法在估算楼层数时最精确.航片比例尺对容积率的影响因量测方法而异,随比例尺减小,直接法精度 提高,投影法精度几乎不变,但阴影法和高差法精度明显下降.

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[ Zha Y.A study on remote sensing methods in estimating urban built-up volume ratio based on aerial photographs. Progress in Geography, 2001,12(20):378-383. ]

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鲍振洪,李朝奎.城市建筑容积率研究进展.地理科学进展, 2010,29(4):396-402.容积率是描述城市土地开发强度的重要指标,在人地矛盾日益尖锐的今天,"高容积、低密度"的城市开发思想得到人们的青睐,然而当该政策实施于实践中时,却暴露出很多的问题,如交通堵塞、日照不足、易发火灾等,严重影响着人们的身心健康和城市的可持续发展。如何合理确定建筑容积率成为当前研究的焦点。文章从容积率的概念、特征、影响因素等方面入手,对城市规划中的容积率进行研究和分析,包括容积率对地价的影响、现状容积率的估算和规划容积率的确定。比较了城市地价评估中容积率修正系数确定方法的优缺点,阐述了高分辨率遥感影像在城市现状容积率估算中的应用及进展,探索了一条确定合理容积率的有效途径——综合平衡法。通过对容积率研究脉络的梳理,得出环境容量限制将是制约容积率提高的瓶颈,试图探索一种基于3DCM日照分析模型的极限容积率的求取方法。

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[ Bao Z H, Li C K.Progress on the study of urban architecture far. Progress in Geography, 2010,29(4):396-402. ]

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中华人民共和国建设部.中华人民共和国国家标准住宅建筑规范GB 50386-2005.

[ Ministry of housing and urban-Rural development of the People’s Republic of China. Residential building code GB50386-2005. ]

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