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地面沉降是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是我国乃至世界范围内较为普遍的地质灾害。北京地区地面沉降已有半个世纪的历史，目前仍然处于持续发展状态，对社会经济的可持续发展影响巨大。本文在论述国内外地面沉降地质灾害特征，总结国内外地面沉降机理、类型、模型与预测等相关研究成果基础上，以北京市平原区北部为研究区，对该地区地面沉降时空演化规律、影响因素与机理以及三维可视化表达进行了深入研究，为地面沉降监测、预测与预警以及控制地面沉降发展提供科学决策依据，具有重要的理论与实践意义。
在广泛收集研究区地面沉降水准测量、分层标监测数据和InSAR影像基础上，借助遥感技术提取地面沉降信息，利用地理信息技术对研究区地面沉降进行时空演化特征分析，揭示地面沉降时空发展规律。根据地面沉降发展速度与区域发展特征，将研究区地面沉降发展过程分为成生(1955～1983年)、发展(1984～1999年)和加速(2000～2006年)三个阶段。通过不同时期地面沉降空间分布与沉降量对比分析发现：地面沉降范围由南向北、由西向东不断扩大；研究区内地面沉降总体上呈东西向和南北向两条沉降带展布；各地面沉降区范围扩大的同时.沉降中心有东移的趋势；各地面沉降区呈漏斗状分布，漏斗边缘与中心表面坡度较缓，中部较陡；八仙庄沉降中心纵深发展速度较快，来广营和东八里庄沉降中心水平发展较快。根据分层标监测数据计算对比分析发现，埋深50-150米地层压缩为研究区地而沉降主要原因。在定性分析基础上，利用地统计学原理，定量分析了1999年与2006年地面沉降空间变异性，结果显示：与1999年相比，2006年区域地面沉降空间变异性增加；空间自相关部分引起的区域地面沉降量空间变异性增大；主变程与次变程变大，说明影响范围的扩大，反映出各地面沉降区范围的扩大；主变程方向的变化，说明地面沉降区域空间发展方向的转变。按地面沉降严重程度不同，将地面沉降划分为八个不同的级别，2006年与1999年地面沉降分类转移计算结果表明，中低级别地面沉降区域发展较快。
地面沉降分布与地层分布空间分析发现，沉降区主要位于平原区沉降凹陷中心，沉降凹陷中心巨厚的更新统砂与粘土互层为地下水的贮藏提供了良好的地质条件，同时也为地面沉降的发生提供了地质基础。对研究区内地质构造分布及其活动分析发现，构造运动对于研究区内地面沉降的影响主要是由于研究区所处的大的构造单元在区域应力场的作用下整体呈缓慢下降趋势，同时，南口—孙河断裂(孙河段)两盘的相对运动对处于断层上、下两盘的地面沉降区的差异性沉降也有一定影响。不同深度地层压缩与地下水位变化相关系分析以及地下水流场多年动态与地面沉降相关性分析结果表明，中深层承压水位下降是地面沉降的主要原因。地面沉降区内，除东八里庄沉降区土地利用类型主要为建筑用地外，其他沉降区土地利用类型主要为耕地，说明城市建设并非研究区地面沉降的主要原因。对分层标监测数据分析结果说明，研究区地层形变既有弹性变形也有塑性形变，弹性形变主要为地层中砂砾层引起，塑性形变主要发生在粘土层。
初步研究了基于地质体三维可视化技术的地面沉降三维可视化表达。采用基于多层TIN的地质体三维建模方法，详细论述了第四系地层建模与可视化技术，并进一步实现纹理映射以及巷道漫游等技术。以此为基础，利用分层标监测数据及克里金插值技术，实现地面沉降的三维动态可视化。