基于PS-InSAR和SBAS-InSAR技術的延安新區(qū)地面沉降監(jiān)測研究

王 鵬， 高雅萍， 蔣亞楠， 尚嘉寧

（成都理工大學地球科學學院，成都 610059）

延安新區(qū)“削山造城”工程引發(fā)的地面沉降是典型的地質災害，其對延安工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、市民的生命財產(chǎn)安全、生產(chǎn)生活方式、政府的城市規(guī)劃、交通建設、環(huán)境保護等方面帶來嚴重的威脅. 因此，對延安新區(qū)地面沉降情況進行監(jiān)測具有重要意義. 傳統(tǒng)的水準測量精度高，但效率低，無法滿足長期對大區(qū)域地面沉降監(jiān)測任務的要求［1］. 近年來，我國地質災害頻發(fā)，在國家及有關方面專家的支持下合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）有了不俗的發(fā)展，在地質災害的長期監(jiān)測與隱患早期識別方面取得了長足進步［2］. 合成孔徑雷達差分干涉測量（D-InSAR）技術能夠做到精確探測地表微小形變，效率高，節(jié)省時間和人力、物力、財力，在各種天氣條件下，24 h重復對地觀測，能夠滿足現(xiàn)代測量對大面積區(qū)域進行長期監(jiān)測的要求，但其也受大氣和時空失相干影響［3］. 為了解決上述問題，2001 年Ferretti 等提出利用成像區(qū)域內(nèi)雷達后向散射特性較為穩(wěn)定的永久散射體（persistent scatter，PS）來探測區(qū)域地表形變［4］，這一思路已被應用于城市地面沉降監(jiān)測領域［5-6］；2002年，Berardino等提出了小基線集（small baseline subset）方法［7］，該方法利用的SDFP點是在短時間段內(nèi)具有較強相干保持能力的分布式散射體（distributed scatterer，DS）目標［8］，已被應用于礦區(qū)、城市、三峽庫區(qū)的地質災害隱患早期識別與災害監(jiān)測等方面［9-11］. 目前，針對延安新區(qū)地面沉降的研究較少，根據(jù)研究區(qū)的光學遙感影像，發(fā)現(xiàn)延安新區(qū)內(nèi)地面硬目標分布廣泛，如房屋、公路等，可作為永久散射體，其回波信號信噪比高，在長時間內(nèi)，甚至幾年內(nèi)仍然具有高相關性. 本研究選取2019年3月—2020年3月共33景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，首先使用小基線集（SBAS-InSAR）方法提取延安新區(qū)的平均形變速率，其次采用永久散射體干涉測量（PS-InSAR）方法再次提取其形變作為驗證，對兩種方法獲得的形變結果進行對比和相關性分析，獲取延安新區(qū)的地表形變情況，并綜合分析地表形變的原因.

1 研究區(qū)與實驗數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（109°27′～109°32′E，36°37′～36°48′N）位于陜西省北部，在黃土、丘陵溝壑區(qū)域內(nèi)，處于延安老城區(qū)周圍水系極其發(fā)育的V型地帶. 2011年延安市決定在老城周圍的丘陵地帶將深溝填平，山頭削平，以此為基礎建設新區(qū)［12］，研究區(qū)域如圖1所示. 左圖中黑色矩形為雷達影像覆蓋范圍，藍色矩形為研究區(qū)范圍；右圖為光學遙感影像.

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the experimental area

1.2 實驗數(shù)據(jù)

選取歐洲空間局提供的33景C波段（波長為5.6 cm）Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，觀測模式為IW，極化方式為VV，分辨率為5 m×20 m，具體數(shù)據(jù)見表1. 外部參考DEM為分辨率30 m的ASTGTM2數(shù)據(jù).

2 技術原理與實驗

2.1 SBAS-InSAR技術原理與實驗

小基線時序測量方法主要原理是使雷達影像兩兩配對，增加短基線干涉對組合，克服大氣和時空失相干影響，并提高數(shù)據(jù)采樣率，獲取高精度形變監(jiān)測結果.

表1 SAR數(shù)據(jù)信息Tab.1 Information of SAR datesets

首先用衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)校正軌道信息. SBAS處理時選擇2019年04月24日的影像為超級主影像，兩兩組合，為了避免影像失相干設置合理的時間和空間基線，得到118個干涉對，最大基線201 m，最小基線0.4 m，如圖2. 對影像做多視處理，根據(jù)經(jīng)驗，距離向和方位向的視數(shù)比取4×1. 對干涉圖濾波選擇Goidstein 方法以提高信噪比. 在相干性高、遠離形變區(qū)的地方選擇地面控制點，采用Delaunay MCF 方法進行3D 解纏.最后根據(jù)奇異值分解法（SVD）估計273 121 個高相干點形變速率并地理編碼，得到研究區(qū)視線向（LOS）形變結果. 研究區(qū)面積約為78.5 km2，平均3479 個/km2SDFP點.

2.2 PS-InSAR技術原理實驗

該技術基本原理是使用覆蓋研究區(qū)至少25景以上的影像數(shù)據(jù)參與計算，并且接收時間要連續(xù)，在時間序列上使用振幅離差指數(shù)法初步確定候選點，使用相干系數(shù)法進一步探測回波信號信噪比高的穩(wěn)定點目標［4］，如房屋、金屬、巖石等，利用PS計算殘余地形、目標偏移及大氣效應，根據(jù)線性模型反演地表形變.

選取2019 年10 月9 日的影像為最佳主影像，生成32 個數(shù)據(jù)對，如圖3，黃色代表主影像，綠色代表副影像，空間基線分布最大123 m，最小5 m，平均基線長度40 m，時間基線最大值為384 d，最小12 d，說明影像數(shù)據(jù)相干性比較高. 基于影像的相干性信息和振幅強度信息最終提取168 888 個PS 點，平均2151 個/km2PS點，圖4 為選點結果. 可以看出，PS 點主要分布于建筑物，延河水域無PS 點分布. 篩選出穩(wěn)定點后差分處理生成32幅差分干涉圖，去除地形相位時選擇30 m分辨率的ASTGTM2數(shù)據(jù). 對干涉圖解纏選擇最小費用流算法（MCF），然后進行時間域和空間域濾波，得到每個PS點的線性形變結果.

圖2 SBAS時空基線分布Fig.2 Spatial-temporal baseline distribution of SBAS

圖3 PS時空基線分布Fig.3 Spatial-temporal baseline distribution of PS

圖4 PS點分布Fig.4 PS points scatters distribution

3 結果與討論

3.1 對比分析

圖5（a）和（b）分別是SBAS-InSAR和PS-InSAR兩種時間序列處理的視線向（LOS）形變結果. 將上述兩個結果導入到Arcgis10.5中進行克里金插值. 因缺乏延安新區(qū)同時期實測水準測量數(shù)據(jù)，所以對兩種實驗方法得到形變結果進行比較，隨機選取50個相同地理坐標點做Pearson相關性分析，得出兩次實驗結果線性相關性達0.96，說明了PS-InSAR和SBAS-InSAR的形變結果比較一致，實驗結果比較可靠. 由圖5可知，兩次實驗表明2019年3月—2020年3月延安新區(qū)地表形變趨勢基本一致，圖5中紅色表明該區(qū)域下沉. PS-InSAR和SBAS-InSAR 的時序結果顯示延安新區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10～10 mm/a，測得最大沉降速率分別是75 mm/a和81 mm/a，最小沉降速率分別是55 mm/a和48 mm/a. 出現(xiàn)差異的主要原因在于PS-InSAR只采用線性模型估算，而且PS點與SDFP點選取的算法也不同. 造城范圍內(nèi)有3處明顯沉降，形成沉降漏斗，它們分別為A區(qū)，即行知南路（尚品尊邸小區(qū)）-遵義大街-瑞金街-子長路-軒轅大道-志丹路-東方紅大道-中環(huán)大道-上海東路-膚施大道（尚品尊邸小區(qū)）；B 區(qū)，即延州大道；C 區(qū)，即交警支隊新城大隊東側. 結果顯示，延安新區(qū)周圍老城區(qū)比較穩(wěn)定. 此外，SBAS 結果還顯示在延安新區(qū)西部存在局部區(qū)域沉降，但范圍較小，主要受人類活動影響所致.

圖5 延安新區(qū)形變速率Fig.5 Deformation rate of PS-InSAR in Yanan’New District

3.2 形變結果分析

3.2.1 部分區(qū)域沉降原因分析 A區(qū)域：沉降位于延安新區(qū)中部大型流域內(nèi)，在削山造城過程中此流域內(nèi)幾乎遍布填方體. 填方體總沉降由填方體自身沉降和原地基沉降兩部分組成，以填方體自身沉降為主［13］，大量填方體存在是導致地面產(chǎn)生不均勻沉降的主要因素. 圖5表明沉降速率主要集中在10～30 mm/a，局部形變達到30～50 mm/a. 由圖6（b）可知，A區(qū)域PS點時間序列表明此處整體形變呈現(xiàn)下降趨勢，其中2019年5月6日至2019 年5 月8 日以及2019 年11 月14 日至2019 年11 月26 日期間輕微抬升，抬升范圍為0～5 mm/a. 填方體地基沉降呈現(xiàn)出在原始溝谷邊坡上部沉降量達到最大，到溝谷底部最?。?4］，施工時填方體基本沿原始溝谷展布，沉降范圍和趨勢與河流展布基本一致. 施工完成后，由于填方體自重以及公路、建筑物等外部荷載的影響，地基下部黃土地層的厚度變化，填方體兩側原始地層發(fā)生橫向位移，同時出現(xiàn)填方區(qū)地表的不均勻沉降.

圖6 A區(qū)域PS點時間序列Fig.6 Time series of PS points in A area

圖7 B區(qū)域PS點時間序列Fig.7 Time series of PS points in B area

B 區(qū)域：延州大道位于造城范圍內(nèi)主要建筑區(qū)域內(nèi)，沉降速率主要集中在10～40 mm/a，圖7（b）中PS 點時間序列表明此處整體形變呈現(xiàn)下降趨勢，其中2019 年3 月7 日至2019 年4—12 日期間輕微抬升，范圍在0～10 mm/a. 延安新區(qū)內(nèi)流域基本呈西北-東南走向，延州大道西北端相比較東南端沉降更為集中. 雖然2019 年延安新區(qū)造成工程與之前相比進程減慢，但是近年經(jīng)濟迅速發(fā)展，大量高層建筑迅速崛起，諸多建筑物的重量加載在地層之上，導致靜載荷的增長，建筑規(guī)模越大、密集度越高，對工程性地面沉降影響越明顯［15］. 隨著城市擴張和人類活動頻繁，帶來每天通行多次的高速列車，加之不斷建設的城市交通，導致了動載荷的不斷增加［16］，故動、靜載荷是造成該區(qū)域地面不均勻沉降的主要因素.C 區(qū)域：由于新區(qū)東部交警支隊新城大隊東側還在施工階段，沉降速率范圍主要集中在25～75 mm/a.圖8（b）表明此處2019 年10 月21 日至2019 年11 月2 日期間以及2020 年1 月25 日至2020 年2 月6 日抬升，抬升范圍在29～40 mm/a 及25～75 mm/a，但整體呈現(xiàn)下降趨勢，最大沉降速率達到75 mm/a，施工過程中沉樁的沖擊產(chǎn)生的震動加上交通循環(huán)的動載荷是引起地面沉降的主要因素. 土體的抗剪強度在動荷載大于某一振動加速度值時會發(fā)生變化，在周期荷載作用下，土體的應變值隨著動應力的增大而增大，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加［17］. 沉樁以及車輛行駛過程中產(chǎn)生固定頻率的震動，這種經(jīng)常性的動載荷對大厚度填方體、路基以及濕陷性黃土的結構造成極大影響. 相較于早期完工的A、B 生活區(qū)，C區(qū)正在建設中，因此受到的影響更為明顯.

3.2.2 黃土的性質對地面沉降的影響 延安新區(qū)地處濕陷性黃土區(qū)，高填方的回填材料主要為Q2和Q3黃土. 濕陷性指黃土被水浸濕后受到自重或外力的影響，內(nèi)部結構被破壞從而導致下沉. 若黃土含水率低、壓實度小會加劇被水浸濕后的變形［18］. 壓縮性指在外力作用下土體顆?？臻g受到擠壓，總體積變小. 由于延安新區(qū)地質環(huán)境因素和工程建設需要，使用了大量的回填壓實黃土，該黃土經(jīng)機器壓實后形成，因氣體排出、排水固結具有壓縮性. 黃土含水率越大，其壓縮量越大，二者呈正相關［19］. 此處位于溝壑地帶，溝谷發(fā)育，地勢復雜，挖方、填方工程煩瑣，導致削山造地后不同部位、不同深度均具有回填壓實黃土［20］. 現(xiàn)有資料表明，延安新區(qū)土層被水浸濕后，深挖方區(qū)沉降量達到自然狀態(tài)下的一倍［21］. 由此可見，黃土的濕陷性和壓縮性是導致城市地表出現(xiàn)不均勻沉降的重要原因.

圖8 C區(qū)域PS點時間序列Fig.8 Time series of PS points in C area

3.2.3 其他因素 延安新區(qū)地下水動態(tài)變化也是造成地面沉降的主要因素之一. 現(xiàn)有研究表明人為影響主要是在工業(yè)及城市生活開采區(qū)，長時間內(nèi)超量開采地下水，致使水位下降［22］，豐水期或地下管道堵塞致使水位上升時又導致黃土和地基沉降. 地下水中對工程建設有顯著影響的是第四系潛水和基巖孔隙和裂隙水［23］，對于黃土丘陵溝壑地區(qū)影響更為明顯，因其溝谷水系較為發(fā)育，施工中填方、挖方處較多，不同部位受到的影響會有差異. 由圖5可知，A區(qū)和B區(qū)域兩處沉降區(qū)處在建筑物密集的生活區(qū)，是造城的先期工程，形變速率集中在-10～-40 mm/a，說明地面沉降與地下水動態(tài)變化密切相關.

4 結語

1）造城區(qū)內(nèi)有3個明顯沉降，形變速率集中在-10～10 mm/a，沉降區(qū)域呈西北-東南走向，一處位于中部（A），范圍較大，幾乎跨越整個新區(qū)，兩處位于東部（B和C），范圍較小. 延安新區(qū)的回填壓實黃土具有壓縮性和濕陷性，這是地面沉降發(fā)生的基礎，平山造城工程中使用大量填方體導致A區(qū)域沉降；城市大規(guī)模擴張、密集建筑群出現(xiàn)以及交通載荷造成B區(qū)域地面沉降；C區(qū)域沉降與工程施工、動載荷密切相關.

2）通過對兩次實驗結果的相關分析，表明兩者線性擬合結果比較好，實驗結果比較可靠.

3）延安新區(qū)本身地質環(huán)境復雜，平山造城工程增加了災害發(fā)生的風險，對延安新區(qū)地面沉降進行監(jiān)測有助于保障人民生命財產(chǎn)安全. 本研究補充了延安新區(qū)2019年3月至2020年3月地表形變監(jiān)測情況，研究結果表明需要重點監(jiān)測延安新區(qū)內(nèi)人類集中生活區(qū)域及最新施工區(qū)域.