天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估_于海若.pdf
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1、第 卷,第 期自 然 资 源 遥 感,年 月 ,:引用格式:于海若,宫辉力,陈蓓蓓,等 天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估 自然资源遥感,():(,():)天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估于海若,宫辉力,陈蓓蓓,周超凡,(山东工商学院公共管理学院,烟台;自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室,北京;地理信息工程国家重点实验室,西安;首都师范大学资源环境与旅游学院,北京;首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室,北京;首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地,北京;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;首都师范大学地面沉降机理与防控教育部重
2、点实验室,北京;首都师范大学水资源安全北京实验室,北京)摘要:新兴技术的发展在优化城市建设和改善人类生活的同时,也存在着一定的风险,进而引发城市安全问题。天津市是中国的沿海城市,其沿海海平面的不断上升,南水进津改变水循环,地下空间的开发利用,这些因素与地面沉降进行叠加耦合都将成为天津市新兴风险评价的重要因素。文章首先对天津市南部平原沉降信息进行获取,叠加海平面上升速率预测天津市自然海岸线后退情况。基于此,利用机器学习方法()预测天津市相对海平面上升带来的高风险因素。此外,针对南水北调 地下空间开发的应用带来的新兴风险进行分析,揭示南水进津和地铁建设运行对天津市城市安全的响应规律。这些地面沉降与
3、现代人类活动结合带来的新兴风险分析研究将为区域防灾减灾提供科学依据,提高城市抵御灾害的能力。关键词:地面沉降;新兴风险;相对海平面上升;中图法分类号:;文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修订日期:基金项目:国家自然科学基金重点项目“京津冀典型区地下空间演化与地面沉降响应机理研究”(编号:)、国家自然科学基金面上项目“南水进京背景下地面沉降演化机理”(编号:)、地理信息工程国家重点实验室和自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室开放课题项目“天津沿海地区地面沉降与海平面上升叠加效应及其风险分析”(编号:)共同资助。第一作者:于海若(),女,讲师,主要从事地面沉降机理和应用研究。:。通信
4、作者:宫辉力(),男,博士生导师,主要从事地理信息系统和遥感的教学与应用研究。:。引言随着全球化进程的不断推进,科学技术不断发展,风险也不断演变并逐渐超出传统风险的界限。新兴技术的发展带来的风险被称为新兴风险。新兴风险的产生不仅是环境自身变化的结果,而且与人类社会的经济发展和制度环境有着直接关系,正是剧烈的人类活动才提高了风险的复杂性、不可预测性和不确定性。天津市因漕运而兴起,现今是我国北方航运、经济、文化的核心区。天津市地下空间开发利用在保障城市高速发展、缓解城市交通压力中起到了重要作用,同时它的开发也改变了原有的地质结构,引发或者加剧了地面沉降现象的发生,地面沉降是一种累进性的缓变地质现象
5、,严重威胁城市安全,反过来又制约着城市地下空间的开发利用。天津作为沿海城市,海岸带的特殊地理优势使得国家很多重大项目在此建设,沿海地区的海平面上升本就是威胁城市安全的重要因素,如果与地面沉降叠加,风险性将大幅提高。地下水的变化是地面沉降的最主要影响因素,近年来南水北调背景下城市水循环规律也在慢慢改变,区域水循环系统的变化将直接改变区域地面沉降的动态平衡。这些新兴的人类活动在优化城市建设的同时,也存在着一定的风险。综上,天津市因地面沉降而引发的新兴风险分别是地面沉降叠加海平面上升而形成的相对海平面上升风险和南水北调 地下空间开发的新兴风险。南水北调 地下空间开发的新兴风险可具体为因南水北调工程而
6、引起的天津市响应风险和因地铁建设引起的地面沉降的响应风险。对城市新兴风险第 期于海若,等:天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估进行评估可在南水北调背景下重新发现地面沉降响应规律,优化面向地下空间安全的新兴风险预警机制,建立陆海统筹的监测系统,实现对区域的科学调控。根据已有的研究成果预测,年,天津市相对海平面将上升 。如果海平面上升 而不加防护和治理,天津市的自然海岸线将后退,到达天津市区,淹没土地约 。如果海平面上升 ,海岸线将后退 ,而海水可能影响到的总面积约 。随着时间的推移,沿海地区地面沉降范围逐年扩大、沉降量逐年增加,且空间分布不均匀程度逐渐加剧。天津市沿海地区沉降虽然较天津市城区发育
7、程度较低,但在微量沉降和城区安全设防要求极高的前提下,海平面的上升,叠加地面沉降,使得天津沿海地区城市安全问题非常突出。天津地铁作为天津城市交通建设的重大工程项目,也是天津市地下空间开发的重大工程,这些运营的或在建设中的地铁线路穿过多个天津市地面沉降活跃区,这给地铁的建设施工及建成后的安全管理、平稳运营带来严重的安全隐患。然而,关于天津市地铁建设和运行与地面沉降之间相互影响的研究尚不完善,仅在 年吕传振等对地铁沿线区域进行水准测量获得地铁沿线的地面沉降特征,并对地铁建设对地面沉降的影响做出分析,这对天津市地铁规划建设和地面沉降影响因素分析具有重要意义。关于天津市南水北调的研究多是直接研究南水进
8、津对地下水变化的影响,而对于南水进津背景下,地面沉降具体的响应模式没有过多讨论。因此本文的重点将围绕相对海平面上升来进行研究,对南水北调 地下空间开发的新兴风险研究将从历史资料和现有数据的角度进行分析。对于沿海相对海平面上升(地面沉降叠加海平面上升)全球很多沿海地区都有所研究,研究最深入的是雅加达地区。雅加达由于地面沉降和海平面上升双重影响正在以最快的速度逐渐下沉,根据监测数据该地 后可能消失。而相对海平面上升带来的城市安全风险的研究方法和模型研究目前也仅有雅加达对其进行了保守情景和悲观情景的海水淹没模拟。这是已经存在的较为完整的相对海平面风险模型。然而,目前天津还未对相关模型展开研究。仅有以
9、海平面变化、地面高程状况、潮汐特征结合经济指标来描述天津市因海平面上升成为高脆弱高风险地区的研究。其他还对于地面沉降和海平面上升方面做了现状分析和预测工作。因此需要研究新技术、新方法的集成与优化,进行地面沉降新兴风险评价。本文尝试引入极限梯 度 提 升 算 法(,)进行天津市城市安全风险评价,模型是最为强大的机器学习算法之一,采用错误率取样,从一个弱学习器逐步增强,获得好的学习结果,泛化能力更强也更专注于模型的可解释性。根据最新研究成果,模型逐步应用到地质灾害领域中,例如滑坡、地面沉降和公路崩塌的风险预测中。天津市地面沉降主要位于南部平原区,因此本文以天津市南部平原为研究对象,通过小基线集合成
10、孔径雷达干涉测量(,)技术,获取天津市地面沉降监测信息。将渤海海平面高度数据与地面沉降年沉降量融合,获取相对海平面年际变化量,预测天津市自然海岸线后退情况。结合已有的海平面上升的观测数据、沿海平原地面沉降监测数据、分层地下水数据以及土地分类现状等资料,引入 机器学习法,从地球科学角度分析海平面上升与地面沉降叠加作用与城市安全问题,建立陆海统筹的 城市安全评估模型,分析主要贡献因素。此外,随着南水北调 地下空间开发影响不断加深,针对这些技术的应用带来的新兴风险也做简要探索,以期从多角度分析地面沉降与新的人类活动结合带来的新兴风险,为区域防灾减灾提供科学依据。研究区及其数据源天津市位于中国华北平原
11、,平原区面积约 。因天津市沉降主要集中于南部平原,因此研究区以 ,为中心点,基本覆盖天津南部平原区,地理位置如图 所示。天津市流域分区分为北三河山区、北四河下游平原、大清河淀东平原等。天津市北部为全淡水区第四系含水层组地下水,南部为有咸水体上部的第四系含水层组地下水。根据研究需要,使用 数据来获取天津市地面沉降信息,选取 年 月年 月 ()个条带的 景数据以及 年 月 年 月 ,的 景升轨影像开展天津市平原区地面沉降的时空演化研究,数据图幅覆盖范围见图。使用 年天津市水资源公报统计数据水资源公报数据获得分层地下水水位变化情况。对 年第一含水层、第二承压含水层、第三承压含水层等值线进行矢量化,并
12、提取 年累计水位变化等值线,将其和同自 然 资 源 遥 感 年时期累计地面沉降量以及海平面数据叠加,分析天津市城市安全的影响因素。海平面高度来源于法国国家空间中心 数据中心提供的融合多颗卫星高度计的海平面高度年平均产品,计算出的数据结果与中国海平面公报中给出海平面年际变化量进行对比和校正。获取渤海海平面高度数据()为 ,年中国海平面公报显示,近 来,中国渤海海平面平均上升速率为 ,因此 数据平台获得的海平面变化数据真实可信。图 天津市地理位置与影像覆盖范围示意图 研究方法与技术路线 研究方法 研究使用 对 和 数据进行处理,获取地表形变信息。技术其基本思想是在数据量较少的情况下,以像对基线短为
13、原则,选择多个主影像组成多个短基线子集进行组合,尽可能多得获取观测值的个数,可以解决依靠单个子集时间提取形变序列问题,以此来求解形变速率。本文选取拍摄于 年 月 日和 年 月 日作为主影像。确定主影像后,将其他辅影像配准到主影像上,使所有合成孔径雷达(,)图像都使用相同的坐标进行配准。图像配准包括 个步骤:基于图像参数文件的粗配准和基于最小二乘法的精确配准方法。通过设置时间基线、空间基线阈值构建干涉相对,生成多个小基线集,集合内基线距较小,集合间基线距较大。小基线集的自由组合可以获取更多高相干性的干涉像对,提高监测的时间采样率,同时可以选取更多的高相干点,从而减弱时空失相关和大气相位的影响,提
14、高相位解缠精度。选取了空间和时间基线分别小于 和 的干涉图像对。利用空间分辨率为 的 数据去除地形相位。经过差分干涉处理后每个像元包含的组分为:,(),()式中:为差分干涉相位;为形变相位,包括线性形变 和非线性形变相位;为地形相位;为大气相位;为轨道相位;为噪声相位。在后续数据处理过程中,去除这些误差组分,是准确获取地表形变值的关键。本质上是一个梯度提升决策树(,)。它以一种迭代的方式建立模型,在不针对某个明确的学习任务的情况下先学习出一个模型,将前一次训练中的无法正确分类的样本提取出来,作为下次训练中重点关注的对象,继续学习第二个模型。以此类推,直到模型可以正确分类所有样本。针对具体的研究
15、需要使用 语言编程建立 机器学习模型,具体步骤如下:首先使用 对原始数据进行标准化处理,目的是使得数据更规范,便于训练的收敛;随机划分数据集,其中作为训练集,作为测试集;使用 集成算法对数据进行训练,调节 模型中的学习率、迭代步数、回归树最大深度、最小样本权重 等参数;采用随机切分的方法对测试机的数据进行测试,对比预测值的曲线和实际的曲线,计算测试集的平均相对误差来评估模型的精度,使训练模型在测试集的预测结果上达到较高的准确率;根据模型生成过程中的信息,按 排序,得到特征的重要性。技术路线研究技术流程为首先利用 方法处理多景 和 数据获取天津市 年地面沉降监测信息并对天津市沿海地区地面沉降总体
16、特征进行分析;为了将地面沉降数据与地下水数据、土地分类数据、海平面上升数据统一到共同数据尺度,将研究区域划分为 的栅格,以简化数据并保证主要成分不丢失。在机理研究的基础上,继续对天津市沿海地区地面沉降对海平面变化的响应进行研究。将海平面高度变化数据与地面沉降年沉降量叠加,获取相对海平面年际变化量,预测未来天津市自然海岸线后退区域。第 期于海若,等:天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估结合光学遥感数据,使用最大似然分类法对天津市南部平原土地利用现状进行分类;采用 机器学习的方法,综合地面沉降、地下水和数字高程模型(,)等多种因素建立指标体系对相对海平面上升所引发的新兴风险评估。将天津市建设的地铁
17、线和南水北调的水站点叠加到地面沉降背景下,分析南水北调 地下空间开发与地面沉降的相互影响作用,以期从多角度分析地面沉降与新的人类活动结合带来的新兴风险,提高抵御灾害的能力。具体技术流程如图 所示。图 技术流程 结果与分析 天津市南部平原地面沉降监测结果 年间,研究区地面累计沉降量最大值为 ,年均最大沉降速率为 。从图()中可以大致看出天津市存在 个沉降区,分别是以王庆坨为中心的武清沉降区和以大丰堆为中心的静海沉降区。天津市年均沉降速率在 年间,数据所覆盖地区内最大沉降中心沉降速率仍高于 。天津市最大沉降中心仍位于武清区王庆坨镇,最大沉降速率与上一时段相比减小,为 ,累计沉降量最大为 (图()。
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