基于InSAR和指數分析的地面沉降風險評估與預測—以城市密集高層建筑區為例

李勝天，聶 飛，王 萃

(江西省地質局地理信息工程大隊，330001，南昌)

0 引言

地面沉降是指地面高程的降低, 又稱地面下沉或地沉, 是以緩慢、難以察覺的向下垂直運動為主，是指在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面標高降低的一種環境現象。目前，地面沉降己成為城市化進程中普遍存在的生態環境問題, 成為世界范圍內制約社會經濟可持續發展的重要地質災害之一。監測方面,在傳統D-InSAR技術基礎上發展的永久散射體干涉測量技術(PS)能很好地解決相關問題,有助于提高形變的時空分辨率及數據處理的精度。Ferretti等首先提出基于幅度變化特征識別PS點的算法，并把這種技術稱為永久散射體技術。隨后在國際上眾多學者展開了深入研究,如Crosetto等'不斷完善PS干涉測量的技術方法，并在監測地表形變方面取得了很多成功的應用成果；而對地面沉降災害風險研究較少，主要集中在地面沉降危險性分級標準制定和危險性評價。

1 研究區概況

杭州市濱江區，位于浙江省杭州市南，錢塘江下游南岸，為錢塘江泥沙淤積而成的沙土平原(圖1)。地質屬錢塘江沖積平原，地勢平坦，地面自然標高為5.2～6.2 m(黃海高程)，地表以下5～14 m范圍內為粉砂、粉細砂，地耐力為100～120 kPa。由于城市建設用地的不斷擴張，尤其是城市核心區的建筑群密度的不斷增大，地面下陷等沉降災害頻發，對公共基礎設施和人民群眾的財產安全造成嚴重威脅。因此，為了減少沉降災害的發生頻率，在城市建設中有效規避沉降災害的風險，開展地質災害風險評價尤為迫切。根據《地質災害風險調查評價技術要求(試行)》對地質災害風險評價的總體要求，需采用定性與定量相結合的方法，在易發性、危險性、易損性評價基礎上，劃分為極高、高、中、低4個等級，將危險性和易損性評價結果疊加分析，形成風險評價與區劃結果。傳統的沉降風險評價依賴于實地測量監測技術，即使是一系列的觀測點數據也難以直觀地表現一定區域內地面沉降的空間分布，而有著大范圍、高密度、時效性優勢的基于合成孔徑雷達差分干涉技術(InSAR)的地面沉降監測手段可以更加方便地提取范圍內地表形變速率或形變量，為定量的沉降易發性評估提供了依據；利用層次分析法(AHP)以用地類型、建筑高程、GDP和人口分布4個權重因子評估沉降易損性；在易發性的基礎上，根據降雨對土壤孔隙水壓力的影響確定降雨工況下的沉降失穩概率，依靠危險性指數法結合10年一遇，20年一遇，50年一遇，100年一遇的降雨工況分別進行沉降災害危險性評價。將危險性和易損性評價結果疊加運算，通過矩陣分析法的方式形成風險評價結果，劃分地質災害風險區段。

圖1 濱江區區位與土地利用圖

2 研究流程與方法

本文分析思路及分析方法主要是通過D-InSAR和PS-InSAR技術分析sentinel-1A數據分別得到地面累積沉降量和年沉降速率信息，運用模糊層次分析法建立易發性指標,結合Python代碼設計的ROC曲線利用其ACU值進行檢驗易發性模型的有效性；通過危險性指數法利用不同程度的降水情況獲取失穩概率，得到不同降雨工況下的危險性指標；將獲取的土地利用類型數據、GDP和人口密度數據分權疊加計算得到沉降災害的易損性指標。對危險性和易損性指標做無量綱化處理，利用矩陣分析法得到沉降風險性結果。按照《地質災害風險調查評價技術要求(試行)》中的分級要求制作濱江區沉降風險性評價。

3 研究結果分析

3.1 D-InSAR與PS-InSAR分析結果

濱江區研究數據基于PS-InSAR的2019年7月至2021年4月21景哨兵1號數據獲取的點數據文件，利用空間克里金插值對于屬性表中的velocity字段進行掩膜濱江區制作的沉降速率柵格圖(單位:mm/a)(圖2)。濱江區研究數據基于D-InSAR的2019年12月至2020年12月哨兵1號數據獲取的累計沉降量柵格圖(單位：m)(圖3)。

圖2 濱江區PS_InSAR沉降柵格數據

圖3 濱江區D_InSAR沉降柵格數據

3.2 灰色預測

GM(1,1)模型是常用的灰色預測模型，其原理是：對某一數據序列用累加的方式生成一組趨勢明顯的新數據序列，按照新的數據序列的增長趨勢建立模型進行預測，然后再用累減的方法進行逆向計算，恢復原始數據序列，進而得到預測結果。由此本次使用灰色預測的GM(1,1)模型對濱江區高易發區(易發性綜合得分最高的區域)當中選擇4個灰色預測點進行未來的升降情況(圖4、表1、表2、圖5、圖6)。

圖4 灰色預測專題圖

圖5 點號28851的預測曲線圖

圖6 點號119447預測曲線圖

3.3 易發性評價

濱江區地形、地質構造、土質情況等自然要素作用，位于杭州灣沖擊平原，河流、錢塘江潮沖擊，堆積大量松散物，地處西湖復向斜。濱江城市的發展等人類活動；城市建筑建設施工，高樓林立；采用模糊層次分析法，根據地面沉降易發性評價指標體系，依據土地利用類型、地面沉降速率、地面沉降累計量3個指標對地面易發性沉降的影響，構建模糊一致矩陣；易發性綜合得分=地面沉降速率*0.533+累計沉降量*0.333+土地利用類型*0.134(圖7、圖8)。

表1 灰色預測屬性表

表2 灰色預測等級對照表

圖7 易發性評價模型圖

圖8 易發性分區結果圖

ROC曲線精度驗證對濱江區易發性得分利用柵格計算器進行歸一化取值，在其中獲取檢驗點來進行ROC概率驗證(圖9)。ROC曲線縱軸代表真陽性率(True Positive Rate，TPR)，在地質災害易發性評價中代表災害面積頻率；其橫軸代表假陽性率(FalsePositiveRate，FPR)，在地質災害易發性評價中代表易發區面積頻率。通常用ROC曲線下面積AUC作為一個客觀定量的評價指標來衡量模型預測的準確程度。AUC值介于0～1之間，越接近1模型預測準確性越高。AUC值結果是0.71預測結果較好，易發性模型精度較好。

圖9 ROC曲線結果圖

3.4 危險性評價

根據浙江省自然資源廳關于印發《浙江省縣(市、區)地質災害風險普查與鄉鎮(街道)地質災害風險調查評價工作方案》的通知，確定危險性評價方法為危險性指數法，結合易發性綜合得分(圖10、圖11)。計算方法如下：

Hi=Yi/Ymax×Pi

式中：Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數(危險性概率)；Yi為第i個評價斜坡單元易發性指數；Ymax為最大易發性指數；Pi為某種工況下第i個評價單元的給定時間段內的失穩概率；失穩概率：Pi=L/Lmax/day(基于極值降雨假設的Pi確定方法求出4種工況下的失穩概率)。

圖10 危險性評價模型

3.5 易損性評價

易損性是指受災體受到災害破壞機會的多少與發生損毀的難易程度。主要由受災體自身條件和社會經濟條件所決定，其目的是分析現有經濟技術條件下人類社會對地質災害的抗御能力，確定不同社會經濟要素的易損性參數。承載體易損性：道路，建筑；社會經濟易損性：GDP，年末常住人口；采用AHP法對沉降易損性指標賦予權重，利用python腳本進行分析出圖(圖12、圖13)。

圖11 危險性不同工況分級圖

圖12 易損性評價模型

圖13 易損性分級圖

3.6 風險性綜合評價

根據浙江省自然資源廳關于印發《浙江省縣(市、區)地質災害風險普查與鄉鎮(街道)地質災害風險調查評價工作方案》，利用矩陣分析法，結合易損性和危險性分析進行風險性的評價分析，通過二者進行歸一化賦值，進行風險性分級劃分(表3)。

3.6.1 風險性指標確定 地面沉降地質災害的風險性主要取決于地面沉降發生的危險性及承災體的易損性2個方面。根據濱江區易損性分區以及不同工況下危險性分區的評價結果，計算濱江區的沉降風險值，得到濱江區風險性結果評價圖，計算方法：

Ri=Hi×Vi

式中：Ri為某種工況下第i個評價單元風險性指數；Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數；Vi為第i個評價斜坡單元易損性指數。

3.6.2 沉降風險性分析 杭州市濱江區地面沉降的主要因素是建筑施工的土塊挖方導致的地面沉降，以及錢塘江等水域的對土質滲透作用的影響。由于建筑施工會導致地基沉降進而在周圍區域形成沉降漏斗，因此在水域附近和建筑工地附近區域都是重點區域，相關部門應重點關注，積極采取相關措施，如控制建筑物密度、在修建道路鐵路等設施時應避開沉降區域或者加固道路等，以減少損失。

圖14 暴雨工況下的沉降風險性評價圖

4 結論與展望

本研究在應用地質災害評價規范的基礎上建立了多層次的評價模型，整個過程基本上用模型來實現數據處理與分析，部分評價過程使用基于arcpy的python代碼來實現，可移植性和擴展性得到提升，空間適用性廣。該評價模型不僅可以用于濱江區的沉降監測，還可以用于其他城市區域的沉降監測。其中易損性評價將承災體易損性與社會經濟易損性相結合，前者通過土地利用類型和建筑高度對區域開展建筑易損性分級，通過道路等級對道路緩沖區進行賦值，較好地擬合了城市建筑密集區域特別是高層建筑密集區域的易損性特點。時效性強。哨兵1號數據免費，更新快且容易獲取，在此基礎上開展沉降監測可省去外業大范圍監測的工作量。使用PS-Insar和D-Insar獲取沉降數據可直接得到沉降量空間(時間)上的變化規律，并用ROC曲線進行精度校驗，便于后續的易發性評價。使用灰色預測模型對多個點位進行沉降速率預測，便于綜合歷史數據開展決策。隨著城市化的建設和開發，地面沉降漸漸演化成眾多城市的通病，本次項目研究的目的就是為了發現這一潛在的緩慢下沉的災害，通過考察研究，技術設計規劃，形成一套評價體系來應對地面沉降這一問題。