南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)地面沉降監(jiān)測分析

徐慧文，孫靜雯，徐良興，朱堅，張琪

（1.南京江北新區(qū)建設(shè)和交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，南京 211899；2.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

地面沉降是地面受地表荷載、地下水位下降及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響發(fā)生下沉的現(xiàn)象，是一種變化緩慢、大面積的持續(xù)性地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。 傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測方法有水準(zhǔn)測量和GNSS測量，這些方法監(jiān)測成本高且效率低、時空采樣率差，易受環(huán)境限制，難以快速實現(xiàn)大面積的地面高精度監(jiān)測[3-4]。 因此，單純依賴上述這些方法采集的數(shù)據(jù)在時間和空間上都具有一定的局限性，獲得的沉降數(shù)據(jù)也不完整，往往只能得到一些離散點目標(biāo)上的相對沉降量， 難以滿足大范圍的整體和實時形變監(jiān)測需求。 相比以上傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測方法，合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一種全新的對地觀測技術(shù)， 它使用兩幅或多幅合成孔徑雷達影像圖，根據(jù)衛(wèi)星接收的回波相位差生成地表形變圖，以探取地表的微小形變信息[5]。 InSAR 技術(shù)不僅周期短、精度高，還能全天時、全天候地對大范圍的地表形變進行監(jiān)測，極大地彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足[6]。

本文以南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)為研究區(qū)， 收集了2022 年5 月～2023 年3 月的22 景升軌Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，采用小基線集雷達干涉 （Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR）技術(shù)，提取了研究區(qū)的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用同期水準(zhǔn)數(shù)據(jù)驗證精度，并進一步分析了地面沉降時空特征， 監(jiān)測結(jié)果可為地面沉降災(zāi)害預(yù)防提供數(shù)據(jù)支持。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

南京市江北新區(qū)位于長江以北，包括浦口區(qū)、六合區(qū)部分區(qū)域和棲霞區(qū)八卦洲街道， 是2015 年6 月27 日由國務(wù)院批復(fù)設(shè)立的第13 個國家級新區(qū)， 也是江蘇省唯一的國家級新區(qū)。 江北新區(qū)為南京新一輪規(guī)劃熱點地區(qū)，正在大規(guī)模開展地鐵建設(shè)，涉及江北新區(qū)核心區(qū)域的有南京地鐵4 號線和11 號線。 地鐵建設(shè)主要集中在長江漫灘區(qū)域，容易誘發(fā)地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，因此，需要對該區(qū)域的地面沉降進行重點監(jiān)測。 本文選擇地面沉降較為嚴重的江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)作為研究區(qū)，研究區(qū)范圍如圖1 所示。 該區(qū)域為長江漫灘沖積平原區(qū)，地形平坦， 地面高程5～8 m； 近地表廣泛分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細砂等，普遍厚度在30～60 m；地下水包括孔隙潛水和孔隙承壓水。

圖1 研究區(qū)范圍

2.2 數(shù)據(jù)源

本文采用的主要數(shù)據(jù)源為22 景2022 年5 月25 日～2023年3 月9 日升軌Sentinel-1A 衛(wèi)星影像，極化方式“VV”，成像模式“IW”。 Sentinel-1A 衛(wèi)星于2014 年4 月3 日發(fā)射升空，是歐洲空間局哥白尼計劃發(fā)射的首顆環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星， 采用12 d的重訪周期進行全球成像，提供干涉寬幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）、條帶模式（Strip Map Mode，SM）、超幅寬模式（Extra-Wide Swath Mode，EWS）以及波模 式（Wave，WV）4 種工作模式， 影像距離向×方位向分辨率為5 m×20 m， 波長約5.6 cm， 入射角約44°。 輔助數(shù)據(jù)包括30 m 分辨率的SRTM DEM 數(shù)據(jù)及精密軌道文件。 數(shù)據(jù)采用的平面坐標(biāo)系為WGS 84 大地坐標(biāo)系（通用橫軸墨卡托投影，6°分帶，中央子午線為117°）；高程基準(zhǔn)為1985 國家高程基準(zhǔn)。

3 研究方法

首先，根據(jù)Sentinel-1A 數(shù)據(jù)相干性變化特征，設(shè)定合適時空基線閾值組合基線，獲取質(zhì)量較高的差分干涉數(shù)據(jù)集合，并結(jié)合外部DEM 以及衛(wèi)星軌道信息去除地形相位及平地相位，并對差分相位進行相位解纏。然后，從影像中提取可靠的相干點，根據(jù)其相位信息進行迭代回歸分析，分離出的高程改正和殘差都能達到可以接受的程度，對高程改正后的相位圖進行空間低通濾波分離出大氣相位， 對殘差相位進行空間高通濾波，以分解出形變相位，并與優(yōu)化后的解纏相位疊加，得到最優(yōu)形變相位值。 最后，利用奇異值分解方法求解出各個時間段內(nèi)的形變序列及形變速率。

4 結(jié)果與分析

4.1 精度驗證

為驗證InSAR 監(jiān)測結(jié)果的可靠性， 采用水準(zhǔn)測量值進行精度驗證。 選用研究區(qū)8 個地面水準(zhǔn)測量基準(zhǔn)點，選取每個基準(zhǔn)點最鄰近InSAR 地面監(jiān)測點作為對應(yīng)InSAR 監(jiān)測結(jié)果。 對比分析2022 年6～12 月實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與InSAR 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，總體上呈現(xiàn)了較好的一致性。計算每個水準(zhǔn)點的InSAR 監(jiān)測結(jié)果和水準(zhǔn)測量誤差，最大誤差絕對值為4.8 mm，最小誤差絕對值為0.3 mm，平均誤差為2.5 mm。 說明基于InSAR 技術(shù)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性較好， 獲取的中央商務(wù)區(qū)地面沉降量具有較高的精度和可靠性。

4.2 地面沉降時空特征分析

4.2.1 地面沉降空間特征分析

利用時序InSAR 技術(shù)對研究區(qū)Sentinel-1A 數(shù)據(jù)進行處理，得到地面沉降速率圖（見圖2）。 本研究區(qū)總面積27.7 km2，共識別出22 269 個地面點，監(jiān)測點密度約803 個/km2。監(jiān)測結(jié)果顯示，研究區(qū)沉降特征較為明顯，最大沉降速率達114 mm/a，其中， 約75%的監(jiān)測點地面沉降速率大于10 mm/a，57%的監(jiān)測點地面沉降速率大于20 mm/a，37%的監(jiān)測點地面沉降速率大于30 mm/a，22%的監(jiān)測點地面沉降速率大于40 mm/a，6%的監(jiān)測點地面沉降速率大于60 mm/a。地面沉降嚴重區(qū)主要分布在中央商務(wù)區(qū)中部、北部和東部，分別集中在南京國際警官交流中心、南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院（浦口校區(qū)）—東南門和橫江大道—廣西梗大街十字路口周邊。

圖2 研究區(qū)地面沉降速率圖

4.2.2 地面沉降時間特征分析

以2022 年5 月25 日為起始日期，2023 年3 月9 日為截止日期， 選取6 個時間點的地面沉降速率來分析地面沉降時間演化過程。分析發(fā)現(xiàn)，2022 年5～12 月，研究區(qū)地面沉降面積明顯增加， 地面沉降速率在20～40 mm/a 的區(qū)域增加尤為顯著；2022 年12 月～2023 年3 月， 研究區(qū)地面沉降分布總面積持續(xù)增加，且局部區(qū)域地面沉降速率加快，沉降速率最大可達114 mm/a。 從地面沉降時間演化過程可看出，研究區(qū)內(nèi)地面沉降總面積呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象； 但局部地區(qū)地面沉降速率持續(xù)加快，說明該地區(qū)存在嚴重的差異沉降，人為施工等因素可能是差異沉降的主要原因。

4.2.3 重點監(jiān)測點分析

為了更好地分析研究區(qū)地面沉降時空演化特征， 結(jié)合光學(xué)影像和地面沉降速率圖， 選取3 個沉降嚴重的重點監(jiān)測點P1、P2、P3，具體位置見表1，對其進行時序沉降分析，得到了2022 年5 月25 日～2023 年3 月9 日隨時間變化的累積沉降量折線圖（見圖3）。

圖3 重點監(jiān)測點累積沉降量折線圖

分析可知， 在監(jiān)測期間，3 個重點監(jiān)測點累積沉降量以不同的沉降速率呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，其中，P2 在監(jiān)測時間段內(nèi)沉降最為嚴重，累積沉降量約為98 mm；P1 在監(jiān)測時段內(nèi)累積沉降量最小，約為71 mm。

5 結(jié)論

本文采用SBAS-InSAR 技術(shù)及Sentinel-1A 衛(wèi)星影像，對2022 年5 月～2023 年3 月覆蓋南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)的22 景升軌Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)進行沉降監(jiān)測分析，獲得了中央商務(wù)區(qū)的地面沉降速率， 分析了中央商務(wù)區(qū)地面沉降時空演變特征，結(jié)論如下。

1）沉降嚴重區(qū)主要集中在南京國際警官交流中心、南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院和橫江大道-廣西梗大街十字路口。 其中，37%的監(jiān)測點地面沉降速率大于30 mm/a，22%的監(jiān)測點地面沉降速率大于40 mm/a，6%的監(jiān)測點地面沉降速率大于60 mm/a。

2）在監(jiān)測期間，研究區(qū)沉降分布基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但局部差異沉降顯著，沉降速率最大可達114 mm/a。

3）重點監(jiān)測點沉降量隨時間增加而增加，且基本呈線性關(guān)系。 預(yù)測局部區(qū)域地面沉降量將在未來一段時間內(nèi)持續(xù)增加，并且差異沉降現(xiàn)象將繼續(xù)加重，有必要對該區(qū)域進行持續(xù)的地面沉降監(jiān)測。