论文总字数：19035字

摘 要

城市的地面沉降是由于施工建设、地下水开采等人类活动影响下，造成的地球表面局部区域的下降运动。迄今为止，中国已经有一百多个城市发生较为明显的地面下沉。地面沉降严重影响城市的经济发展，危害城市的各类市政设施，并威胁着人们的生命财产安全。南京市是地面沉降的重灾区，深受地面沉降引起的各种危害的影响，地面沉降严重阻碍了城市的经济和社会的可持续发展。

合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）是一种近些年来新兴的测量技术，其中永久散射体即PS点是指雷达波后向散射特性占主导的各种地面分辨单元，例如建筑物的墙角和顶角、桥梁、栏杆和裸露的岩石等。本文通过收集2016年1月-2019年12月的115景哨兵观测数据，利用基于永久散射体的合成孔径雷达干涉测量技术（PS-InSAR），提取到了整个南京市区域的地面沉降分布，并分析了变形显著区的沉降机理。得出的认识有：

1.南京市市区内的沉降情况较为严重，其中浦口区、白下区、雨花台区、鼓楼区的沉降量可达到了20mm/year。

2.从长江边旁边的汉中门大街沿江东中路到梦都大街再到凤台南路到秦淮河最后到长江的这一路线为市中心区域沉降分界线，从大胜关的南京绕城高速沿浦乌北路一直到浦珠中路再到南京林业大学的路线为浦口区的沉降分界线。沉降分界线附近区域受沉降灾害情况严重。

3.通过分析沉降严重区域的形变，发现由于人口增长所引起的地下水开采是造成地面沉降的主要原因。

4.InSAR技术除监测到了市中心区域与浦口区的大面积沉降外，还监测到南京大胜关长江大桥发生形变，说明InSAR不仅可以监测大面积变形，还可以用于线性建筑物的变形监测。

关键词：南京地面沉降、合成孔径雷达干涉测量技术、PS-InSAR。

Abstract

The subsidence of urban floor is due to the reduction of local areas of the earth's surface under the influence of human activities such as construction and groundwater exploitation. So far, more than a hundred cities in China have experienced more obvious ground subsidence. Ground subsidence seriously affects the economic development of the city, endangers the city's various municipal facilities, and threatens the safety of people's lives and property. Nanjing is the hard-hit area of ground subsidence, which is caused by all kinds of damagecaused by the ground subsidence, which seriously hinders the sustainable development of the city's economy and society.

Synthetic aperture radar interference technology (InSAR) is a new measurement technology in recent years, in which the permanent scattering body PS point refers to various ground resolution units, such as building corners and top corners, bridges, railings and exposed rocks, which are mainly based on the lateral scattering characteristics of radar waves. By collecting 115 scene sentinel observation data from January 2016 to December 2019, this paper extracts the ground subsidence distribution of the entire Nanjing area by using synthetic aperture radar interferometry technology (PS-InSAR) based on permanent scattering, and analyzes the mechanism of the settlement of deformation areas. The result is:

1, Nanjing urban settlement situation is more serious, including Pukou District, Baixi District, Yuhuatai District, Gulou District settlement amount of up to 20 mm / year.

2. From Hanzhongmen Street next to the Yangtze River, along Jiangdong Middle Road, Mengdu Street, Fengtai South Road, Qinhuai River and finally to the Yangtze River, this route is the settlement boundary of the downtown area, along the Nanjing Ring Expressway from Dashengguan The route from Puwu North Road to Puzhu Middle Road to Nanjing Forestry University is the settlement boundary of Pukou District. The area near the settlement boundary is seriously affected by settlement disasters.

3. By analyzing the deformation of the heavy sedimentary area, it is found that groundwater exploitation caused by population growth is the main cause of ground subsidence.

4. In SAR technology, in addition to monitoring large-area sedimentation areas in urban areas and Pukou area, also monitored the deformation of the Yangtze River Bridge in Nanjing, showing that InSAR can not only monitor large areas of deformation, but also linear building deformation monitoring.

Keywords:ground subsidence, synthetic aperture radar interferometry technology, PS-InSAR.

目录

摘 要 1

目录 3

第一章 绪论 4

1.1.选题的目的和意义 4

1.2.国内外研究进展及发展趋势 4

1.2.1南京市地面沉降研究进展 4

1.2.2时序InSAR技术研究情况 6

1.3.研究的基本内容与方法 7

1.4 论文组织结构 8

第二章 InSAR技术原理 8

2.1 InSAR原理 8

2.1.1 InSAR基本原理 8

2.1.2.InSAR数据处理流程 10

2.2.PS-InSAR基本原理 10

第三章 南京市地面沉降数据处理及结果 11

3.1.南京市概况 11

3.2.实验数据来源 12

3.3.数据处理的流程 12

3.4.处理后的结果 14

3.4.1.南京市总体沉降概况 14

3.4.2.市中心区域沉降时间序列图 15

3.4.3.浦口区沉降时间序列图 16

3.4.4.南京大胜关长江大桥沉降时间序列图 17

第四章 南京市地面沉降机理分析 18

4.1.对市中心地区沉降的机理分析 18

4.1.1市中心区域的地质背景 18

4.1.2.对市中心区域的地面沉降成因分析 18

4.2.对南京大胜关长江大桥沉降的机理分析 19

4.3.对浦口地区地面沉降的机理分析 20

第五章 结论与展望 21

5.1.结论 21

5.2展望 21

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1.选题的目的和意义

南京市在地里位置上处于长江下游中部地区。是如今中国的发达型城市之一，也是中国的中心城市之一。南京还是孙中山先生任临时大总统时期的民国首都城市，又是中国古代的六朝都城，在中国所有的城市中，其重要地位显而易见。但是近年来却因为各种建设施工以及地下水的不合理开采导致整个南京市地表沉降非常严重。这为南京市这个国家新一线城市的健康发展带来了很大的影响。频繁的地面沉降可能会造成城市中的房屋被破坏，城市的道路被毁坏，城市的基础生产设施被破坏等等危害，对建设事业和资源的开发有着很严重的影响。在经常发生地面沉降的地区，其内部地质构造非常不稳定，正因如此该类地区在各种工程建设上会导致更多的资金浪费，大大降低了城市整体建设和资源开发的生产能力。地面沉降会对地下的基建设施以及地面上建筑物产生不利的影响。比如引起房屋坍塌，海啸，特别是在沿海地区，严重的会破坏港湾的生产生活设施。人为所造成的地面沉降现阶段主要是由于过度的开采地下的能源，如石油和天然气等，过度的开采了地下的能源就造成了地下原本密合的地方出现空隙。也就自然而然会加重地面沉降的风险。近几年城市建设的快速发展，特别是地下水的过分开采使南京市区域内的地面沉降变的越来越严重，沉降发生的越来越频繁。这对南京市经济的可持续发展造成严重的危害，甚至有可能威胁到生活在这里的人们的生命安全。因此，本课题拟利用长期的雷达卫星遥感数据监测南京城区的地表变形，圈定显著沉降区，并探讨其控制机制，为城市的健康、安全建设和发展提供相应的指导。

1.2.国内外研究进展及发展趋势

1.2.1南京市地面沉降研究进展

到目前为止，对南京市地面沉降的研究已经有了不少，并且都取得了很不错的结果。2008年罗海滨和何秀凤两人运用DInSAR方法监测南京地面沉降时，针对在这之前的InSAR技术存在的相对的预挑选受到一些因素的限制，比如时间以及大气温度等等。因此造成了不能先行判断各种不一样的基线的像对和季节变化成像的像对的可用性的问题，提出了一个概念，即基于相干系数的相对可用性判断因子，而且还对可用性判断因子检测得到的可用像对进行了差分干涉处理^[14]。成功的获取了南京市地区在一九九六年八月到两千年十二月份的地面沉降的时空分布，对沉降结果的时空分析，提出在这期间南京地区并没有出现很大的，伴有连续性的沉陷。但是发现整个南京的地面沉降受地下水位的影响非常大，而且还出现特别明显的随季节性变化的规律。2019年高二涛和他的团队凭借着二十多幅拥有高分辨率的SAR影像以及高精度的全球数字高程模型作为数据支撑，既采用PS-InSAR技术对南京市进行监测，又运用SBAS技术对整个南京市进行监测，然后对这两种方法所得到的结果进行比较分析，非常成功地得到了整个南京市较为可靠的形变结果，由这个结果来看，这两种方法获取的结果基本上是完全相同的。由于高层建筑的开挖和地下施工，整个时期地下土壤层的水含量下降，基岩和土壤之间的应力平衡被破坏。由于该区域还是软土地基，所以就造成了南京市雨花台区。宣武湖周围；长江和秦淮河汇合的地方沉降情况非常的严重，并且造成了最大沉降率达到-30mm/a,累计沉降量达到47mm的沉降漏斗。同年范雪婷、李明巨、潘九宝、王圣尧等人为了得到准确稳定的沉降监测结果，运用MCTSB-InSAR技术进行沉降监测研究，保证了建筑，路面等高相干点目标质量，获取了南京市主城区沉降漏斗主要分布特征及地面沉降信息，得出了沉降区域多位于建邺区的结论^[4]。在2019年，吴学雨，赵志胜等人运用SBAS技术，利用十多景影像数据，反演了南京市一年之内的地面沉降量，通过与可靠的沉降数据作比较，来分析沉降结果的精度，说明了SBAS技术在城市地面沉降的监测中有着很重要的作用。结果显示，CORS站沉降量与SAR沉降数据最大差值为2.9mm，最小差值为-0.6mm，均方根误差为1.74mm，两者数据基本符合，且精度满足区域沉降监测要求，说明利用SBAS技术能准确高效，大面积的监测城市地面形变^[3]。同年，张彭，朱邦彦，孙静雯等人以COSMO-SkyMed影像获取了南京市河西地区2012-2016年高精度和密度的地面高程以及轨道交通的分布信息，将其作为地面风险评价数据源，利用多层次分析法建立地面沉降评估指标和模型，从危险性和易损性因素进行分析，评估南京市河西地区地面沉降灾害风险承担，并着重分析轨道交通的沉降风险。结果表明，地面沉降低风险区主要分布于沿江地区与河西中部。而中风险区占地面积最大，大都分布于河西中部和南部。较高风险区主要位于高风险区周围及轨道交通沿线。而较高风险的区域主要分布在河西北部的江东大街，凤凰大街及莫愁湖大街^[2]。

1.2.2时序InSAR技术研究情况

InSAR技术是一种近些年发展很迅速的测量技术，可以一直连续不断的获取地面高程的变化信息和地球表面的形变信息。 InSAR技术在地球的地形监测和灾害评估等方面一直活跃了近20年，在全球的自然环境变化，例如冰川的融化、冻土的退化、能源的发掘，例如地下水的开采、石油的开采等相关的方面都得到了非常多的应用。目前时序InSAR技术包括了相位叠加技术、PS-InSAR技术、还有最小二乘方法和小基线集的方法以及相干目标方法和临时性相干点等等。在当前学术界应用最为频繁的主要是SBAS技和PSInSAR技术。

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