SBAS-InSAR技術的廣州市地面沉降監(jiān)測

聶運菊 計玉芳 熊 倩

(東華理工大學 測繪工程學院, 江西 南昌 330013)

0 引言

人類活動以及特有的軟土地質使得珠江三角洲地區(qū)的地面高度正在逐年下降,近十年來,廣州及其周邊城市,頻繁發(fā)生地面沉降、塌陷以及嚴重的洪澇災害,給居民的生命和財產帶來嚴重的損害[1]。因此，及時了解監(jiān)測城市地面下沉原因,并采取相應的措施，從而減少事故發(fā)生的頻率。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測方法包括水準測量、三角高程測量、GPS技術,它們具有時間長、效率低、成本高等缺點[2-3]，但難以滿足城市的大區(qū)域、高精度、高頻率的地表形變監(jiān)測[4]需求。合成孔徑雷達技術(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)是近40年發(fā)展起來的空間大地測量技術,不受光照和氣候條件等限制，可實現(xiàn)全天時、全天候、高精度、高空間分辨率獲取地表形變數(shù)據(jù)的目標。隨后提出了差分干涉測量(different interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技術,研究表明,D-InSAR容易受到是失相干與大氣延遲的影響而導致監(jiān)測精度降低[5],為了使InSAR技術在地表形變監(jiān)測精度方面有較大提高,相關學者提出了永久散射體(persistent scatterer-InSAR,PS-InSAR)[6]與短基線合成孔徑雷達干涉測量(small baseline subset-InSAR,SBAS-InSAR)[7]技術，并且得以快速發(fā)展,并廣泛應用于城市地表監(jiān)測[8 -10]，劉會平[11]等最早利用層次分析法對廣州市地面沉降進行危險等級分類,其中極不穩(wěn)定的地區(qū)為珠江沿岸以及珠江環(huán)繞地區(qū),ZHAO Qing[12]利用干涉點目標分析(interferometric point target analysis，IPTA)技術對廣州市地面沉降進行研究,發(fā)現(xiàn)廣州地面沉降主要是由軟土造成。王華等[13]等采用Envisat衛(wèi)星第297軌道19景雷達進行研究區(qū)的地面沉降分析,并結合水準數(shù)據(jù),驗證結果的準確性。聶運菊[14]等利用PS-InSAR結果選取的合適PS特征點為控制點,結合SBAS-InSAR技術分析南昌地鐵沿線沉降原因。以廣州市為研究區(qū)基于PS特征點的SBAS-InSAR,對廣州地區(qū)2019—2021年35景Sentinel-1A數(shù)據(jù)進行處理分析,獲取該地區(qū)的累計沉降量和平均沉降速率,并結合該城市的地質特點與基礎設施的建設,分析該地區(qū)的沉降原因。

1 研究區(qū)域和實驗數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

廣州(112°57′E～114°3′E,22°26′N～23°56′N)地處中國南部、廣東省中南部、珠江三角洲中北緣,地勢呈東北高、西南低, 背山面海。瀕臨中國南海,水域遼闊,支流眾多,廣州主要河流有北江、東江北干流及增江、流溪河、白坭河、珠江廣州河段、市橋水道、沙灣水道等廣州市地處南方豐水區(qū),境內河渠縱橫,水資源豐富,大小河流(涌)眾多,水域面積廣闊,集雨面積在100 km2以上的河流共有22條。具體研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)介紹

本研究選用覆蓋廣州市以及部分佛山地區(qū)的34景歐空局的2019年1月—2021年10月 Sentinel-1A為數(shù)據(jù)源,進行地面沉降數(shù)據(jù)處理,具體參數(shù)見表1。為了提高影像軌道精度,采用了歐空局發(fā)布精密定軌星歷(precise orbit ephemerides,POD)數(shù)據(jù)去除軌道誤差,由美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的分辨率為30 m的航天飛機雷達地形測量任務(shuttle radar topography mission,SRTM)空間分辨率的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)去除平地誤差。

表1 數(shù)據(jù)源基本參數(shù)

2 研究方法

2.1 控制點的選擇

將PS技術得到的結果加載至用戶桌面組件Arc Map中,提取PS監(jiān)測結果中形變速率處于-0.03 mm/a-0.03 mm/a且"Coherence" ≥0.9的特征點作為SBAS技術中的地面控制點[15],地理坐標系中的PS點不能直接應用于SBAS-InSAR技術中的控制點,需要將篩選的PS點轉換到SAR坐標系中,才能在SBAS實驗過程中進行使用。同時也需要刪除一些誤差較大控制點,來保證結果的準確性。控制點位置如圖2所示。

圖2 控制點位置

2.2 以PS特征點為控制點的SBAS-InSAR技術

PS-InSAR技術是分析點目標,是對表現(xiàn)為高相干性的散射體,將所得的產品是相關的線性位移的測量和推導的精確高度的局部散射體,通常其特征在于高相干性。SBAS-InSAR技術,改變了干涉對集合的形成方式,能有效削弱時間、空間失相關的影響,提高觀測結果的精度,基于PS特征點的提取作為SBAS-InSAR控制進行實驗。具體流程如圖3所示。

圖3 技術流程圖

3 結果分析

3.1 沉降結果總體分析

由圖4可知，研究區(qū)域內年平均沉降速率為-32.1～7.3 mm/a,其中,沉降主要分布在東北部與西南部。沉降主要分布在沉降速率的大小可反映該地區(qū)沉降情況。將SBAS-InSAR結果矢量化,得到2 169 642個SBAS點,將這些按照年平均沉降速率按照一定的區(qū)間進行統(tǒng)計,并計算出各區(qū)間個點的數(shù)量。統(tǒng)計結果如圖5 所示。

圖5 沉降速率區(qū)間統(tǒng)計圖

由圖5可知,沉降區(qū)間在-6～4 mm/a之間,約占97%。其中0～7.3 mm/a占34.5%沉降速率為正值,處于抬升狀態(tài),-32.1～0 mm/a約占65.4%，沉降速率為負值,處于下沉狀態(tài)。根據(jù)地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范中地面沉降嚴重程度分級標準[16],對研究區(qū)進行地面沉降嚴重程度等級分類,并統(tǒng)計沉降速率在地面沉降等級分類中占百分比，如表2所示。

表2 地面沉降嚴重程度及所占百分比統(tǒng)計

經(jīng)上述發(fā)現(xiàn),該研究區(qū)大部分為-10～0 mm/a，屬于沉降較低的；仍有極少部分為-50～30 mm/a,處于沉降中等區(qū)域。

3.2 特征點時序分析

為了進一步了解廣州市地面沉降時空變化的一般沉降特征,在圖6中選擇了6個沉降區(qū)域分別選擇一個特征點進行分析。如圖6所示,特征點 P1、P2、P3、P4、P5 和 P6 分別選自區(qū) A 區(qū)域、B 區(qū)域、C 區(qū)域、D 區(qū)域、E 區(qū)域和 F 區(qū)域。B區(qū)域、C區(qū)域、E區(qū)域沉降漏斗呈條狀分布,A區(qū)域、D區(qū)域、F區(qū)域沉降漏斗較小。從圖中可以看出，E處沉降最為嚴重地監(jiān)測期間平均沉降速率為-32.1 mm/a。A 區(qū)域、B 區(qū)域、C 區(qū)域、D 區(qū)域、F 區(qū)域監(jiān)測期間平均沉降速率分別為-29.3、-23.3、-26.0、26.3、30.1 mm/a。

圖6 研究區(qū)沉降速率圖

對SBAS-InSAR結果在時間序列上累計沉降量的成圖。如圖7,圖中呈現(xiàn)出的折線相對平順。從圖中都可以看出,P2、P5特征點表示的折線,出現(xiàn)輕微的波動,其余四個特征點累計沉降量保持相對勻速下降狀態(tài)。這表明在監(jiān)測期間內這四個區(qū)域均沉降速率保持相對穩(wěn)定。從P2特征點折線圖可以看出,2019年1月—2019年6月,折線的值均大于0,表示該地區(qū)呈抬升趨勢,此后開始沉降,2019年12月至監(jiān)測末期,沉降速率較之前有明顯的加快,整個監(jiān)測期間P2特征點的累計沉降量為-55.6 mm,2019年1月—2019年12月,P2特征點累計沉降為-1 mm,2020年1月至監(jiān)測末,累計沉降為-54.6 mm。P3、P4特征點折線圖斜率表現(xiàn)基本一致,2020年8月至監(jiān)測末較之前斜率逐漸平穩(wěn),沉降速率較之前有所減緩,累計沉降量分別為-58.4、-57.2 mm。P6、P1兩個特征點的折線斜率保持基本一致,表明形變速率保持基本一致,累計沉降量分別為-88.8、-85.1 mm。P5特征點只有在圖中2019年5月出現(xiàn)波動,沉降速率為最大,2019年7月—2021年10月P5與P1、P6沉降速率保持大體一致,累計沉降量為-92.1 mm。

圖7 特征點時序累計形變

選擇A、B、C、D、E、F區(qū)域的累計沉降量分析在時間序列分析來分析地面沉降時空變化特征,將SBAS-InSAR的矢量結果按導出時間序列上累計沉降量,首先以2019年2月6日為始相位,每四個月進行統(tǒng)計按照沉降量不同等級進行分類。如圖8所示。

(a)2019-02-06 (b)2019-06-06 (c)2019-10-04

(d)2020-02-01 (e)2020-06-12 (f)2020-10-10

(g)2021-02-07 (h)2021-06-07 (i)2021-10-05圖8 時序累計沉降變化

從圖8可以看出,在監(jiān)測期間內,A區(qū)域、B區(qū)域、C 區(qū)域、D區(qū)域、E區(qū)域、F區(qū)域,地面沉降一直處于持續(xù)變化 。2019年10月,A區(qū)域、E區(qū)域、F區(qū)域最先開始沉降,其中E區(qū)域沉降面積最大。

A區(qū)域從2019年10月—2020年10月,快速發(fā)展,面積逐漸增大,形成了一個沉降漏斗,此時漏斗中心的最大地面沉降為-51.3 mm;2020年2月—2021年10月A區(qū)域沉降輪廓基本保持不變,但地面一直處于沉降狀態(tài),地面最大累計沉降量為-85.1 mm。A區(qū)域為柯木塑站附近,2017年6年28日開始開通,可能由于地盾構造產生地面沉降,同時柯木塑地下礦泉水過度開采也是柯木塑地區(qū)發(fā)生沉降的重要原因。

B區(qū)域從監(jiān)測初期至2019年6月累計沉降值為正值,均處于抬升狀態(tài);至 2020年10月出現(xiàn)較為明顯的沉降;2021年2月—2021年10月,形變速率較之前出現(xiàn)明顯增大,形變量出現(xiàn)明顯增大,且在2021年6月出現(xiàn)沉降漏斗;直至2021年10月,B區(qū)域最大形變量為-55.6 mm。B區(qū)域為保利天匯附近,查閱資料發(fā)現(xiàn),該區(qū)域為小新塘舊改項目所在地,可能由于周邊建筑設施出現(xiàn)明顯增多,導致周圍的地面沉降。

C區(qū)域總體表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的下沉,2020年6月,出現(xiàn)較為明顯的沉降;2020年6月—2021年2月,沉降速率明顯增大,且出現(xiàn)沉降漏斗;2021年2月至監(jiān)測末期,沉降區(qū)域基本不變,但地面一直處于較為緩慢的沉降。C區(qū)域為海珠湖附近,海珠同時與石榴崗河、大圍涌、大塘涌、上沖涌、楊灣涌、西碌涌6條河涌構成一湖六脈的水網(wǎng)格局,地區(qū)大多數(shù)為軟土地區(qū)[17],是造成珠江三角洲地區(qū)地面沉降因素之一。

D區(qū)域直至2020年6月,出現(xiàn)較為明顯的沉降狀態(tài),2020年6月—2021年2月,沉降速率發(fā)展最快,且在2021年2月出現(xiàn)沉降漏斗;2021年2月至監(jiān)測末期,沉降范圍沒有明顯增大,沉降量穩(wěn)定增加。監(jiān)測末期累計沉降量為-57.2 mm。D區(qū)域為沙洛村附近,為西江和珠江流域,廣州河段的交匯處,由河床堆積而成的。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測期間廣州第一座COCO Park 在該區(qū)域建設,該區(qū)域的沉降可能是城市建筑物的擠壓,導致上部分荷載不均勻,形成地面沉降。

E區(qū)域在監(jiān)測期間累計沉降量與沉降范圍均為最大,2019年4月—2020年6月,形變速率快速增大,并形成了沉降漏斗,2020年6月至監(jiān)測末期,沉降范圍,累計沉降量隨時間逐漸增加,最終地面沉降量為-92.1 mm。該地區(qū)位于廣州市番禺區(qū)與佛山市南海區(qū)交界處的陳村水道連兩旁,了解沉降地區(qū)發(fā)現(xiàn),可能由于該區(qū)域存在大量的廠房,鄰近陳村水道附近的土質含水量較高,承載力差,導致廠房區(qū)域存在沉降。

F區(qū)域為2019年10月—2020年10月,A區(qū)域快速發(fā)展,形成了一個沉降漏斗,2020年10月至監(jiān)測末期,沉降范圍大體一致,且沉降量保持平穩(wěn)增加,最大形變量為-88.8 mm。該地區(qū)位于陳村鎮(zhèn)佛山市國通保稅物流園。有資料顯示，陳村地區(qū)多為軟土[18],佛山市國通保稅物流園于2015年正式投入服務,可能因軟土上部分的荷載不均勻所引起的地面下沉。

3.3 典型性區(qū)域分析

為了進一步分析沉降嚴重地區(qū)的垂直空間特征[19],選取B、C、E三個典型沉降漏斗區(qū)域,提取剖面線b1-b2、c1-c2、e1-e2,如圖9所示，得到沉降剖面線如圖10所示。

(a)剖面線b1-b2

(b)剖面線c1-c2

(c)剖面線e1-e2圖9 典型性區(qū)域沉降圖

(a)b1-b2

(b)c1-c2

(c)e1-e2圖10 降剖面線圖

3.4 形變原因分析

珠江三角洲平原是東南沿海軟土地基沉降的最典型地區(qū),整體上影響廣州地區(qū)沉降的主要原因是軟土,由于軟土的土質、厚度決定沉降分布區(qū)域以及發(fā)展方向。城市化的進程、地下空間的開拓以及工程建設,造成上部荷載分布不均勻,引起周邊沉降。地下水過度開采也是造成廣州地區(qū)地面沉降的重要原因。

4 結束語

(1)據(jù)地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范中地面沉降嚴重程度分級標準,該研究區(qū)屬于沉降嚴重程度較低范疇。

(2)在2019年1月—2021年10月研究期間內,沉降速率為-32.1～7.3 mm/a,沉降主要分布在東北部與西南部。其中，最大沉降速率為廣州市番禺區(qū)與佛山市南海區(qū)交界處的陳村水道兩旁,累計沉降量為-92.1 mm。

(3)研究區(qū)域內存在6個沉降區(qū),軟土是導致沉降的主要因素,城市的工程建設以及地下水的過度開采為重要原因。