利用小基線集技術(shù)的南京地區(qū)地面沉降監(jiān)測與分析

陳江楠 王建敏

(1. 東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013;2. 南京白鯊測繪科技有限公司, 江蘇 南京 210046)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增加了對城市的地表負(fù)荷。根據(jù)統(tǒng)計(jì),地下水開采過度導(dǎo)致長江三角洲、天津等地面沉降嚴(yán)重,進(jìn)而演變?yōu)榈孛鏋?zāi)害[1],同時,給人類造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因?yàn)?對沉降的及時監(jiān)測,可掌握地質(zhì)災(zāi)害的狀況,為有效預(yù)防提供了可靠的信息,降低其帶來的危險(xiǎn)事故發(fā)生率。

目前,城區(qū)地表沉降大多基于傳統(tǒng)的測繪測量。但傳統(tǒng)的監(jiān)測方法周期長、監(jiān)測周期不連續(xù)、受天氣影響較大[2]。而合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)可全天時、全天候獲取地表目標(biāo)信息,為連續(xù)獲取地面的沉降信息,小基線集(Small Baseline Subsets,SBAS) 技術(shù)是基于差分干涉測量技術(shù)(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)而提出的一種時間序列分析方法,有效地抑制時空失相干現(xiàn)象[3]。Casu等利用SBAS-InSAR技術(shù)對意大利那不勒斯市和美國洛杉磯地區(qū)進(jìn)行地表形變監(jiān)測,通過與GPS數(shù)據(jù)結(jié)果的對比,驗(yàn)證了SBAS-InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測的可行性[4]。

在以往的研究中,羅海濱是最早利用可用性判斷因子提取合格影像,將其用InSAR手段處理該數(shù)據(jù)的[5]。黃其歡等主要研究南京的漫灘區(qū),即長江沿岸區(qū)域(包括建鄴區(qū)等)，結(jié)合水準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明沉降在不均勻地持續(xù)增大[6]。王慶等采用地基InSAR技術(shù)得到南京河西新城實(shí)時的地表變化[7]。黃其歡等利用Sentinel數(shù)據(jù),研究了適用于橋梁沉降監(jiān)控的InSAR分析方法,將該方法的監(jiān)測結(jié)果與橋支座位移傳感器建模結(jié)果相對比,證明InSAR技術(shù)同樣適用于橋梁安全監(jiān)測[8]。高二濤等通過交叉驗(yàn)證的方法,在實(shí)驗(yàn)中分別使用永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)技術(shù)與SBAS技術(shù)獲取覆蓋南京的地表沉降結(jié)果，沉降范圍與高層建筑的基坑位置符合[9]。朱邦彥等將南京市主要沉降區(qū)河西區(qū)域單獨(dú)研究,結(jié)合地質(zhì)條件、地下水開采情況以及該地區(qū)的沉降情況分層研究[10]。楊振則通過結(jié)合城市開發(fā)、人口分布、沉降結(jié)果，深入分析地面沉降分布特征和成因[11]。以上研究均只考慮人文環(huán)境因素對南京沉降觀測的影響,未進(jìn)行更多不同尺度的分析。

針對當(dāng)前南京沉降僅基于人文環(huán)境卻未探究與地震斷層等自然地質(zhì)因素之間的關(guān)系，本文研究以2017—2020年覆蓋南京市的64景哨兵數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在斷層等數(shù)據(jù)的支撐下,分析地面沉降與地鐵建設(shè)、地震斷層之間的關(guān)系。

1 SBAS-InSAR技術(shù)基本原理

SBAS技術(shù)是由Beradino等在2002年提出的一種基于時間序列分析的InSAR監(jiān)測方法[12]。通過設(shè)置時空基線閾值,將SAR影像分為若干小集合,通過奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)[13]求解出最小二乘解,最終得出方位向上的相位平均速率。

假設(shè)獲取t0,…,tN時間段的N+1幅SAR影像,選取一幅為主影像,其余為輔助影像。兩兩進(jìn)行配準(zhǔn),則生成M幅干涉圖。

(1)

對于在tA和tB兩個時間段,且tB>tA。獲取的SAR影像生成第j幅差分干涉圖,干涉圖j的方位向坐標(biāo)為x和距離向坐標(biāo)為r。則干涉相位可以表示為

(2)

(3)

可用矩陣表示為

(4)

假設(shè),A為系數(shù)矩陣[M×N],行表示為每幅圖對應(yīng)的干涉相位,列為第N幅SAR影像,若M≥N,則A的秩為N,則利用最小二乘法可得

(5)

當(dāng)不考慮時空基線的限制,所有的SAR影像為一個集合,則上式成立。而實(shí)際情況,面對多個集合,在基線組合時可能會引起矩陣秩虧,若有L個基合,則A的秩N-L+1,根據(jù)最小二乘法不可能得到唯一解。為解決這個問題,可采用奇異值分解法,求出最小二乘解,最后得出形變速率。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)簡介

2.1 研究區(qū)域概況

南京市位于江蘇省西南部,東臨長江三角洲,南瀕太湖地區(qū),西接皖南丘陵,北連江淮平原。主城區(qū)位于長江以南,城區(qū)主要山脈有棲霞山、幕府山、鐘山,主要河流為秦淮河、秦淮新河、玄武湖等。地貌復(fù)雜多變以低山緩崗為主,包括低山、丘陵等。地質(zhì)構(gòu)成主要是輕變質(zhì)的片巖和變質(zhì)的火山巖。如圖1所示,南京長江漫灘區(qū),屬于軟土層,地質(zhì)薄弱，對這個地區(qū)建設(shè)造成極大困難,若過度開采或建設(shè)違章建筑,會導(dǎo)致城市的承載力下降。

2.2 數(shù)據(jù)簡介

本文選取來自歐空局的2017年3月16日至2020年4月29日的影像(升軌數(shù)據(jù))。Sentinel-1A數(shù)據(jù)是由歐空局于2014年發(fā)射的衛(wèi)星可獲取的C波段影像,它提供的極化方式與條帶模式有4種。在本實(shí)驗(yàn)中,極化方式為(VV),條帶模式為(IW),軌道path為69,frame為99,其詳細(xì)參數(shù)見表1。哨兵數(shù)據(jù)的TOPS模式影像相對于其他模式,方位向的多普勒中心處于變化中,因此，在實(shí)驗(yàn)中僅需要考慮方位向的變化。因南京市城區(qū)需要4個burst數(shù)據(jù)塊即可覆蓋,即選擇的研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

使用歐州空間局提供的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)對軌道信息進(jìn)行糾正。DEM數(shù)據(jù)為美國航空航天局航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)提供的30m分辨率的數(shù)字高程模型。采用SBAS-InSAR技術(shù)對南京城區(qū)進(jìn)行大范圍的時序監(jiān)測。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 處理流程

本實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線主要包括8個步驟：

(1)提取原始數(shù)據(jù)中的為VV極化方式的參數(shù)文件,對其使用POD數(shù)據(jù)文件進(jìn)行軌道誤差糾正,減少由系統(tǒng)誤差帶來的實(shí)驗(yàn)的不確定性。

(2)以20181106影像為主影像,其余影像為輔助影像進(jìn)行迭代配準(zhǔn),直至方位向配準(zhǔn)精度達(dá)到千分之一個像素。

(3)根據(jù)研究區(qū)所在位置,進(jìn)行burst范圍裁剪。

(4)基于約束時間與空間基線的范圍生成干涉對,將時間基線設(shè)置小于100 d,空間基線設(shè)置為不大于150 m,最大的組合類別設(shè)置為3,共生成180對干涉對(為有效避免哨兵數(shù)據(jù)因時間失相干導(dǎo)致的干涉對失相干),其時空基線的分布如圖2所示。

圖2 干涉對時空基線分布

(5)將30 m分辨率的實(shí)地地面模型作為外部DEM,進(jìn)行地形相位消除。

(6)采用Goldstein濾波方法,濾波窗口設(shè)置為16,濾波窗口閾值設(shè)置為3,濾波指數(shù)設(shè)置為0.4,進(jìn)行處理。

(7)選擇位于中間位置且相對穩(wěn)定、相干性高的地面控制點(diǎn),采用最小費(fèi)用流解纏方法,相干閾值設(shè)置為0.7,強(qiáng)度閾值設(shè)置為0.35,估算得出殘余地形和平均形變速率,使解纏后的結(jié)果是平滑、連續(xù)、相對穩(wěn)定的。并去除估計(jì)大氣相位。

(8)將獲取的模擬雷達(dá)坐標(biāo)下結(jié)果通過地理編碼,得到研究區(qū)WGS-84大地坐標(biāo)系(World Geodetic System-1984 Coordinate System)下的時間形變序列。

3.2 地面沉降空間分布

獲得2017年03月至2020年04月南京市主要城區(qū)LOS方向形變速率,如圖3所示,南京市地面沉降基本上保持穩(wěn)定,典型的沉降區(qū)域主要分布在南京市建鄴區(qū)和鼓樓區(qū)。地面沉降區(qū)域呈由南向北趨勢。年沉降速率集中在-20～-5 mm/a,最大沉降量為-77 mm。A區(qū)域(蘇寧環(huán)球商貿(mào)城附近)沉降速率為-17 mm/a左右。B區(qū)域(集慶門西北方)是沉降范圍最廣的區(qū)域,平均年沉降速率整體超過-15 mm/a。C區(qū)域(貢園小區(qū)附近)最大沉降速率達(dá)-26.2 mm/a。D區(qū)域(德盈大廈附近)沉降速率達(dá)-27.3 mm/a。I區(qū)域(南京—湖熟斷層處)最大沉降速率達(dá)-17.6 mm/a,最大累積沉降達(dá)70 mm。

圖3 平均年沉降速率圖

4 結(jié)果分析

4.1 地面沉降與斷層的關(guān)系

斷層是地殼受力過大導(dǎo)致巖層的斷裂,斷裂面兩側(cè)發(fā)生相對位移的構(gòu)造。目前南京有4條斷層經(jīng)過,如圖3所示,由江北方向跨長江向東南經(jīng)過鼓樓至湖熟的南京—湖熟斷層,沿長江走勢由幕府山至焦山的沿江斷層(幕府山—焦山斷層),處于江北由西南往東北走勢的江浦六合斷層,處于江南由方山往東北走勢的方山—小丹陽斷層。在斷層活動的過程中,不免帶來地面的位移,也給地面帶來破壞。南京湖熟斷層為第四紀(jì)活動斷層,傾斜角度較陡。斷層附近地形地貌明顯,主要為低山緩崗。于書媛在分析合肥市地面沉降于斷層關(guān)系一文中[14]表明,相比線性等地面沉降,斷層的地殼形變變化緩慢,型變量小。湖熟斷層兩側(cè)均有沉降或抬升趨勢,基本控制在-5～5 mm/a之間,形變量較小。典型沉降區(qū)Ⅰ如圖4所示,I區(qū)位于南京—湖熟斷層處,它兩側(cè)有明顯沉降,其平均年沉降速率為-17.6 mm/a,最大累積沉降達(dá)-70 mm。其余斷層處沉降情況較為穩(wěn)定,可知南京市地面沉降與斷層相關(guān)性較弱。最近一次監(jiān)測到斷層的活動已是10萬年前,推測斷層附近的形變量較小是由于這4條斷層的活動性較弱。

圖4 斷層處沉降速率圖

4.2 地面沉降與城市建設(shè)的關(guān)系

為了分析南京城區(qū)地面沉降與南京地鐵線路的建設(shè)運(yùn)營關(guān)系,以南京二號線與南京七號線為例做緩沖區(qū),得到南京二號線2017年運(yùn)營以來周邊的沉降情況,南京七號線周邊2017年以來的建設(shè)情況與地面沉降是否存在一致性。南京二號線于2005年正式施工,如圖5(a)所示,南京二號線由建鄴區(qū)油坊橋站經(jīng)河西地區(qū)開往經(jīng)天路站,整體年沉降速率可達(dá)-18.4 mm/a。在河西地區(qū)的云景路站附近最大年沉降量達(dá)-44.7 mm,集慶門站附近最大沉降量達(dá)-32.8 mm。主要包括集慶門大街、商業(yè)街、旅游景點(diǎn)、萬達(dá)廣場等人流量密集區(qū)域,這與沉降結(jié)果趨于一致。地鐵七號線于2017年11月正式開工,由棲霞區(qū)向西經(jīng)河西地區(qū)至雨花臺區(qū),正處于建設(shè)中,如圖5(b)所示2017年以來整體的沉降速率可達(dá)-19.2 mm/a。南湖站位于集慶門大街與南湖路交叉路口,南湖路附近最大年沉降量達(dá)-49.4 mm。應(yīng)天大街站處累積沉降量達(dá)-35.8 mm,大士茶亭站處累計(jì)沉降量達(dá)-22.2 mm。南湖站附近包括江蘇省第二中醫(yī)院、南京莫愁中等專業(yè)學(xué)校等。省第二中醫(yī)院站為新增站點(diǎn),位于南湖站與應(yīng)天大街站之間的站點(diǎn)。在圖5中,看出南湖站東側(cè)的沉降量比西側(cè)要嚴(yán)重,江蘇省第二中醫(yī)院的沉降相較而言更為嚴(yán)重。根據(jù)資料顯示,2018年11月南京七號線省第二中醫(yī)院站進(jìn)行施工,工期截止到2020年底,符合東側(cè)沉降量大于西側(cè)沉降量的沉降特點(diǎn)。

圖5 地鐵沿線年沉降速率圖

4.3 地面沉降與降雨量的關(guān)系

圖6為典型沉降點(diǎn)分布圖。a、b點(diǎn)處于南京七號線,南京七號線于2017年正式施工,通過a、b兩點(diǎn)沉降情況,模擬了七號線建設(shè)以來的地面沉降情況,時間序列圖如圖7所示。c、e、f點(diǎn)位于秦淮區(qū),d點(diǎn)位于典型沉降C區(qū)(貢園小區(qū))附近。

圖6 典型沉降點(diǎn)分布圖

南京市屬于熱帶季風(fēng)濕潤氣候,降雨量充沛。初夏受鋒面雨帶影響,降雨量明顯增多,暴雨等天氣頻繁出現(xiàn)。為了分析降雨量和地面沉降之間的關(guān)系,我們將降雨量與InSAR技術(shù)監(jiān)測成果進(jìn)行比較。圖7為5個典型沉降點(diǎn)a、b、c、d、e的地面累積沉降情況與每月平均降水量的關(guān)系圖。在降雨量較大的時間段,累積沉降量的趨勢是減小的,在降雨量較小的時間段,累積沉降量的趨勢明顯增加。這說明城市的降雨量在一定程度上,補(bǔ)充了地下水資源,在地面發(fā)生沉降的時候?qū)ζ溆幸欢ǖ木徑庾饔谩?/p>

圖7 地面沉降—降水量關(guān)系圖

5 結(jié)束語

本文采用Sentinel-1A數(shù)據(jù)，基于SBAS-InSAR技術(shù),獲取了南京市2017年3月至2020年4月的監(jiān)測結(jié)果,得到該地的空間分布特征,結(jié)合自然、城市發(fā)展分析了引起地面沉降的原因,獲得2點(diǎn)結(jié)論：

(1)南京市地面沉降基本上保持穩(wěn)定,年沉降速率集中在-5～-20 mm/a,最大沉降量為-77 mm;

(2)南京市地面沉降的主要原因是因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè);與降水存在一定的相關(guān)性,降雨量較大的時間段,累積沉降量的趨勢是減小的,在降雨量較小的時間段,累積沉降量的趨勢明顯增加;與經(jīng)過南京市的地震斷層相關(guān)性較弱。