珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測研究

李康會(huì)

（廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，廣東湛江 524049）

1 監(jiān)測研究區(qū)概況

本文選取珠江三角洲作為監(jiān)測研究區(qū)，珠江三角洲地區(qū)位于廣東省，在我國占據(jù)重要經(jīng)濟(jì)地位，但同時(shí)軟土分布較為廣泛，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，由于地殼適動(dòng)與基底斷裂活動(dòng)較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致該基底形成多個(gè)斷陷與斷隆，進(jìn)而積累過多沉積物，其松散沉積物厚度高達(dá)數(shù)百米，所以厚層松散沉積物的固結(jié)壓縮現(xiàn)象，就是珠江三角洲地區(qū)地面沉降災(zāi)害的其中一個(gè)根本原因，此外，新近回填的人工填土結(jié)構(gòu)松散，在自身重力作用下出現(xiàn)固結(jié)壓縮現(xiàn)象，也會(huì)造成一定程度的地面沉降災(zāi)害。綜上所述，避免珠江三角洲因地面沉降災(zāi)害為區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)帶來嚴(yán)重影響，本文對該區(qū)的沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測進(jìn)行深入研究。

2 采集地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集[3]是地面沉降災(zāi)害監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要指將珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測過程中，不同結(jié)構(gòu)以及不同來源數(shù)據(jù)的收集并整合起來。本文在采集地面沉降災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)主要采用衛(wèi)星遙感圖像，衛(wèi)星遙感圖像可以避免傳感器因意外損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等情況。由于珠江三角洲地區(qū)內(nèi)存在部分沉降量變化較慢的區(qū)域，所以需要在線隨時(shí)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足地面沉降的高精度監(jiān)測需求，這里本文引入PSInSAR 技術(shù)[4]來獲取衛(wèi)星遙感圖像，實(shí)現(xiàn)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，那么通過PS-InSAR 技術(shù)采集珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程如圖1所示。

圖1 地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集原理圖

地面沉降作為我國長期以來備受關(guān)注的地質(zhì)災(zāi)害之一，對我國城市建設(shè)發(fā)展具有重要作用。地面沉降就是由于自然因素和人為因素造成地面出現(xiàn)連續(xù)且緩慢的下降運(yùn)動(dòng)，自2012 年以來，我國已經(jīng)有超過50 個(gè)城市發(fā)生地面沉降災(zāi)害，尤其是珠江三角洲、汾渭盆地等重點(diǎn)地區(qū)，因?yàn)榈刭|(zhì)沉降災(zāi)害所造成的損失巨大，由此我國為有效推進(jìn)地面沉降災(zāi)害的防治工作，需要通過非接觸、高精度以及高效率的監(jiān)測方案，最大限度地確保重點(diǎn)地區(qū)的地面安全，降低城市經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者針對地面沉降災(zāi)害監(jiān)測研究已經(jīng)取得一定成果，文獻(xiàn)[1]作者盧旺達(dá)等人為預(yù)防地面沉降帶來的災(zāi)害，引入Sentinel-1A數(shù)據(jù)，獲得了有效的地面沉降監(jiān)測結(jié)果；文獻(xiàn)[2]作者鐘儲(chǔ)漢等人通過InSAR 技術(shù)監(jiān)測地面沉降速率，并利用干涉對剖線的形變趨勢驗(yàn)證了監(jiān)測結(jié)果的正確性。本文參考相關(guān)資料，深入研究地面沉降的監(jiān)測方法，對地質(zhì)災(zāi)害的防治具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

由圖1 可知，當(dāng)InSAR 數(shù)據(jù)平臺獲取遙感圖像后，會(huì)將其下載并存儲(chǔ)至Hadoop 文件系統(tǒng)中，然后經(jīng)過PS-InSAR 操作，就可以獲得珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測的時(shí)序數(shù)據(jù)，同時(shí)將此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于時(shí)序數(shù)據(jù)庫中，達(dá)到地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集目的。

3 預(yù)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.1 圖像配準(zhǔn)

由于珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，在利用PSInSAR技術(shù)采集沿海地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，失相干誤差[5]嚴(yán)重，所以本文為提升監(jiān)測精度，對失相干誤差進(jìn)行有效估計(jì)并剔除。首先需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)處理，也是消除失相干誤差的基礎(chǔ)，珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測遙感影像圖像的好壞將直接決定數(shù)據(jù)的相干性。一般情況下，如果兩幅衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，那么它們的干涉圖將會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，且條紋較為清晰，如果配準(zhǔn)不精確，那么出現(xiàn)的干涉條紋將會(huì)非常模糊，衛(wèi)星遙感圖像中的地理信息數(shù)據(jù)將會(huì)受噪聲影響。那么珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測圖像的配準(zhǔn)，就是將其中一景遙感影像當(dāng)作主圖像，然后將剩余影像進(jìn)行校正，并將其采樣至主圖像的空間位置，如果多幅遙感影像呈現(xiàn)的是同一監(jiān)測區(qū)域，就需要將這幾幅影像在主圖像的空間位置坐標(biāo)上以子像元級的精度進(jìn)行配準(zhǔn)，本文選取1/8個(gè)像元以內(nèi)的精度配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)的具體步驟如下：首先在珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測圖像中尋找同名像點(diǎn)進(jìn)行粗配準(zhǔn)，無需較高精度，此時(shí)獲取圖像的初始偏移量；然后在監(jiān)測圖像上劃分為一些相同大小的窗口；最后根據(jù)每個(gè)窗口內(nèi)的同名點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，構(gòu)建出監(jiān)測圖像的幾何變換模型。假設(shè)監(jiān)測圖像同名點(diǎn)()a,b在主圖像上對應(yīng)的坐標(biāo)為()a′,b′ ，那么監(jiān)測圖像的幾何變換模型如下所示：

式中：M——多項(xiàng)式階數(shù)；

φij、φij——變換待定系數(shù)值，此數(shù)據(jù)需要通過最小二乘法來獲得。

通過此式獲得珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測圖像的變換模型，其幾何畸變較小，數(shù)據(jù)精度更高。

3.2 消除失相干誤差

在對珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測圖像進(jìn)行配準(zhǔn)之后，就可以獲得干涉圖，由于受到多類型的失相干誤差[6]所干擾，導(dǎo)致監(jiān)測圖像的形變干涉結(jié)果極其不準(zhǔn)，所以本文接下來需要將監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)的失相干誤差剔除。失相干誤差主要有基線、時(shí)間、多普勒中心、熱噪聲以及數(shù)據(jù)處理這五種失相干類型，其中基線失相干誤差主要是因?yàn)樾l(wèi)星軌道重復(fù)測量導(dǎo)致的，衛(wèi)星遙感多次成像，入射角差異較大，所以出現(xiàn)基線失相干誤差；時(shí)間失相干誤差主要是由于地面地表散射體特征出現(xiàn)變化，造成監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)附加隨機(jī)的相位，進(jìn)而出現(xiàn)時(shí)間失相干誤差；多普勒中心失相干誤差主要是因?yàn)樾l(wèi)星遙感影像的多次獲取造成多普勒質(zhì)心重合所造成的；熱噪聲失相干誤差主要由于雷達(dá)天線的信噪比較高所導(dǎo)致的；數(shù)據(jù)處理失相干誤差顧名思義，就是在PS-InSAR 技術(shù)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的誤差。本文在消除失監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)的相干誤差時(shí)，引入相干性評價(jià)指標(biāo)，也就是兩幅衛(wèi)星遙感圖像地理位置信息的相關(guān)系數(shù)η，其計(jì)算公式為：

式中：P[]. ——衛(wèi)星遙感影像信號總和平均數(shù)的計(jì)算函數(shù)；

X1、X2——兩幅衛(wèi)星遙感影像的復(fù)數(shù)信號參數(shù)；

X2*——X2的共軛復(fù)數(shù)值。

只需控制多幅珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害監(jiān)測圖像之間的相關(guān)系數(shù)η的值不超過1，就可以獲得較好的相干性，以此達(dá)到消除失相干誤差的目的。

4 提取地面沉降區(qū)域

為了進(jìn)一步探究珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降情況，本文通過全局空間自相關(guān)算法，對沿海地面沉降[7]的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究，獲取地面沉降災(zāi)害的不均勻程度，然后再通過局部自相關(guān)算法獲取沿海地面沉降的冷熱點(diǎn)區(qū)域。其中全局自相關(guān)算法主要利用Moran′s I指數(shù)來表征珠江三角洲的雷州半島地區(qū)內(nèi)全部空間對象之間的關(guān)聯(lián)程度以及空間對象的分布特性，Moran′s I指數(shù)的獲取公式為：

式中：N——沿海地面沉降監(jiān)測冷熱點(diǎn)區(qū)域的數(shù)量；

ωmn——沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域的空間權(quán)重矩陣；

cm、cn——沉降監(jiān)測區(qū)域m與n的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

cˉ——沉降監(jiān)測區(qū)域的平均數(shù)據(jù)。

MI 的取值通常在[-1,1]范圍內(nèi)，當(dāng)MI ＜0 時(shí)，說明沉降監(jiān)測區(qū)域負(fù)相關(guān)，反之當(dāng)MI ＞0 時(shí)，則說明沉降監(jiān)測區(qū)域正相關(guān)，如果MI=0，說明沉降監(jiān)測區(qū)域之間相互獨(dú)立。與此同時(shí)，根據(jù)局部自相關(guān)算法中的Moran′s I指數(shù)來檢驗(yàn)全局沉降監(jiān)測區(qū)域，并獲得統(tǒng)計(jì)量，其表達(dá)式為：

式中：Tm——局部自相關(guān)算法檢驗(yàn)監(jiān)測區(qū)域的統(tǒng)計(jì)量參數(shù)；

MIm——局部自相關(guān)算法的Moran′s I指數(shù)；

VAR(MIm)——局部Moran′s I 指數(shù)的置信度函數(shù)。

一般情況下，如果局部Moran′s I 指數(shù)為正相關(guān)且Tm大于0，說明珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域m 的監(jiān)測值較大，呈高高集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I指數(shù)為正相關(guān)但Tm小于0，說明珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域m 的監(jiān)測值較小，呈低低集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I 指數(shù)為負(fù)相關(guān)且Tm小于0，呈低高集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I指數(shù)為負(fù)相關(guān)但Tm大于0，呈高低集聚現(xiàn)象。然后結(jié)合沿海地面沉降趨勢以及梯度等信息，確定并提取出珠江三角洲地區(qū)出現(xiàn)沉降災(zāi)害的區(qū)域，最后利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法獲取發(fā)生沉降災(zāi)害區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度分布特征，實(shí)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害的監(jiān)測。

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

據(jù)調(diào)查，珠中江一帶沿線主要地表水源為運(yùn)河引水，除部分農(nóng)業(yè)用水和城鎮(zhèn)居民生活用水利用運(yùn)河河水外，其他工業(yè)用水、農(nóng)林牧、漁業(yè)用水及居民生活用水多以開采地下水為主。長期以來，中、深層承壓水一直作為區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要供水水源，部分地段地下水資源的不合理開發(fā)，造成地下水水位持續(xù)下降，進(jìn)而引發(fā)地面發(fā)生不均勻沉降。所以本文通過對地面沉降以及地下水位變化的監(jiān)測結(jié)果，來深入研究地下水開采對珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災(zāi)害的影響。按文中上述方法獲得2021年珠江三角洲地區(qū)中地面沉降災(zāi)害多發(fā)的三個(gè)代表城市的監(jiān)測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 監(jiān)測區(qū)內(nèi)地面沉降量變化曲線圖

由圖2、圖3 可知，這三個(gè)城市的地面沉降和地下水開采量之間存在密切聯(lián)系。其中江門與中山兩個(gè)城市，地下水開采量隨時(shí)間推進(jìn)逐漸減小并趨于穩(wěn)定，其地面沉降速率也隨之變小；珠海由于城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)的快速發(fā)展，地下水開采量快速增加，其地面沉降速率也隨之大幅提升，珠海已經(jīng)成為珠江三角洲地區(qū)新的地面沉降中心。綜上所述，可以得到研究結(jié)論：開采地下水所引發(fā)的沿海地面沉降速率與地下水開采量之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系。目前珠江三角洲地區(qū)開采地下水引發(fā)的地面沉降幅度不大，截止2021年12 月最大地面沉降量為190mm，對比國內(nèi)長三角、華北平原等地區(qū)的最大地面沉降量仍小于50mm，其地面沉降災(zāi)害規(guī)模較小，仍處于可控范圍內(nèi)。地下水資源開發(fā)潛力巨大，只要合理布局和科學(xué)開采，便可抑制地面沉降災(zāi)害發(fā)生。

6 結(jié)束語

近年來，人類工程活動(dòng)導(dǎo)致地面沉降災(zāi)害規(guī)模不斷擴(kuò)大。本文以珠江三角洲地區(qū)為研究對象，利用PS-InSAR 技術(shù)對沿海地面沉降災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測。雖然本文所提方法已經(jīng)取得了一定研究成果，但仍需對PS-InSAR 技術(shù)獲取的沉降災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化探究，為滿足當(dāng)下高速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)，嚴(yán)格保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及精度。對降低地面沉降災(zāi)害給珠江三角洲地區(qū)城市環(huán)境帶來的惡劣影響具有一定參考價(jià)值，本文期望為今后我國城市發(fā)展中的地面沉降災(zāi)害防治工作提供參考。