王菲 聶運菊 汪博軍 紀東陽

(東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013)

0 引言

伴隨著城市化建設(shè),地面沉降現(xiàn)象在各地區(qū)普遍出現(xiàn),且其具易發(fā)性、累積性及不可逆性等特點[1]。長期的地面沉降累積也會誘發(fā)沉降區(qū)發(fā)生地面坍塌災(zāi)害,如2017年4月,深圳在建的地鐵7號線工程就出現(xiàn)了地面坍塌情況。現(xiàn)如今地面沉降受災(zāi)地區(qū)日益增多,且導(dǎo)致的地陷、地面裂縫及沿海地區(qū)的海水倒灌等災(zāi)害嚴重危及人民生命財產(chǎn)的安全,故地面沉降監(jiān)測與防治顯得十分重要[2-6]。常規(guī)的差分合成孔徑雷達干涉測量(different-interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技術(shù)的探測精度，會受到時空失相關(guān)和大氣延遲的影響，導(dǎo)致探測結(jié)果的可靠性不高[7]。為解決這一難題，眾多學(xué)者陸續(xù)研究并提出了時序InSAR技術(shù)，在削弱時空失相關(guān)難題上取得了重大的突破，其中以 FERRETTI等[8]提出的永久散射體雷達干涉技術(shù)(persistent scatterer-interferometric synthetic aperture radar,PS-InSAR)和BERARDINO等[9]提出的短基線集雷達干涉技術(shù)(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)應(yīng)用最為廣泛。王寅珂等[10]利用PS-InSAR技術(shù)對京滬高速鐵路北京至濟南段的沉降進行研究,證明了PS-InSAR方法用于大范圍地面沉降監(jiān)測的優(yōu)勢。董少春等[11]利用SBAS-InSAR技術(shù)研究了常州市在2015—2018年期間的地表形變情況,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析了沉降區(qū)的時序沉降規(guī)律以及沉降分布特征。姜德才等[12]運用PS-InSAR/SBAS-InSAR方法獲取了2007—2015年期間徐州市的地表形變信息，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析了徐州市的地表形變趨勢，為該地區(qū)地面沉降治理提供了重要的參考意義。自二十國集團(group of 20,G20)峰會之后，杭州市的發(fā)展相對更為快速，隨處可見的建筑工地以及地鐵盾構(gòu)工地都在加速施工建設(shè)，而在快速發(fā)展的同時，也會存在著一定的隱患，其中地表沉降最為顯著。金艷等[13]采用永久散射體對InSAR技術(shù)對2015—2018年杭州地鐵2號線沿線500 m范圍進行地面沉降監(jiān)測,并對形變區(qū)的位置、面積和數(shù)量進行了統(tǒng)計。高曉熊等[14]分別采用PS-InSAR技術(shù)和PSP-InSAR技術(shù)獲取了2016—2019年杭州西湖區(qū)部分地區(qū)的地面沉降信息。結(jié)合前人的研究結(jié)果,為更全面了解杭州市近期的地表形變情況,本文基于Sentinel-1A衛(wèi)星影像,采用PS-InSAR與SBAS-InSAR兩種方法對杭州市中心城區(qū)地表進行形變反演實驗,并根據(jù)反演結(jié)果對研究區(qū)的地表形變原因進行分析說明。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)概況

杭州市是浙江省的省會,坐落在浙江省北部,地處錢塘江下游,西部屬丘陵,東部為平原,地勢低平,河網(wǎng)密布,其地質(zhì)由錢塘江河道變遷、近代江水沖刷以及杭州灣的沖積與沉積交替相互作用形成,情況多樣復(fù)雜[15]。本文以杭州市中心城區(qū)為研究區(qū),其覆蓋范圍包含了濱江區(qū)、江干區(qū)、上城區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、下城區(qū)、蕭山區(qū)等行政區(qū)劃。

1.2 數(shù)據(jù)準備

本文數(shù)據(jù)處理所用影像為Sentinel-1A 衛(wèi)星獲得的升軌影像，總共為25景，每月一景，第一幅影像獲得時間為2019年1月5日，最后一幅影像獲得時間為2021年1月6日，研究期跨度為兩年。Sentinel-1A衛(wèi)星工作頻率為C波段，合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)影像為干涉寬幅(interference width,IW)模式，以垂直發(fā)射垂直接收的極化方式。另外，數(shù)據(jù)處理過程中所使用的軌道數(shù)據(jù)為精密軌道星歷數(shù)據(jù)，與影像獲得時間呈一一對應(yīng)關(guān)系。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)是由美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的、分辨率為90 m的航天飛機雷達地形測量任務(wù)(shuttle radar topography mission,SRTM) DEM。

2 研究方法

2.1 PS-InSAR方法

圖1展示了PS-InSAR[8]方法的處理過程。從25幅SAR影像中選取20200112作為參考影像,將其余影像與參考影像進行配準,得到24個干涉對,利用已知DEM數(shù)據(jù)對這些干涉對進行差分干涉處理,生成去除平地效應(yīng)后差分干涉圖。然后通過計算振幅離差指數(shù),識別大量的永久散射體目標(biāo)點,分析這些點目標(biāo),利用線性模型初步估算目標(biāo)點的形變速率,對估算結(jié)果消除大氣相位成分后求解平均形變速率。再對求解結(jié)果進行軌道精煉以及濾波處理,最終經(jīng)地理編碼得到PS點的形變時間序列、點三維信息及平均強度圖。

圖1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 SBAS-InSAR方法

圖2 SBAS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖

SBAS-InSAR[9]方法數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示,25幅影像按照最佳的方式組合配對后,再次選定20200112為超級主影像,將所有像對與超級主影像配準以及干涉處理,并檢查相干系數(shù)圖、干涉圖和相位解纏圖的質(zhì)量,將質(zhì)量較差的干涉對移除。接下來利用地面控制點進行估算并去除解纏后的殘余相位及相位坡道,本文選取地面控制點采用提取PS監(jiān)測結(jié)果中形變速率處于[-0.001 mm/a,0.001 mm/a] 的特征點的方法[16]。通過估算形變速率和殘余地形并利用奇異值分解法(singular value decomposition,SVD)方法求解形變速率，再進行大氣濾波去除大氣相位，得到研究區(qū)的形變時間序列信息。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 PS-InSAR結(jié)果分析

3.1.1研究區(qū)沉降總體分析

圖3為PS-InSAR技術(shù)處理獲取的2019年1月至2021年1月期間研究區(qū)地表形變速率圖,其中PS點主要分布在散射特性較好的人工建筑物上,在水域或植被覆蓋區(qū)幾乎無PS點分布。在研究期內(nèi),研究區(qū)內(nèi)的地表沉降發(fā)生在中部錢塘江兩側(cè)的江干區(qū)、西湖區(qū)、蕭山區(qū)等區(qū)域的部分地區(qū),其他地區(qū)亦有少量的微小沉降區(qū),整個研究區(qū)的年均形變速率范圍為-27.5～28 mm/a,研究區(qū)地表總體形態(tài)趨于穩(wěn)定,年均形變速率集中在-5～5 mm/a,沉降區(qū)最大沉降速率達到-27.5 mm/a。江干區(qū)的沉降區(qū)域集中在西部,東部處于平穩(wěn)。西湖區(qū)北部及南部有沉降區(qū)分布,中部處于穩(wěn)定狀態(tài)。蕭山區(qū)東部地表大致穩(wěn)定且伴少部分抬升區(qū),西部有大塊較集中沉降區(qū)域,南部伴有多處分散的沉降區(qū)。

圖3 PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果

3.1.2江干區(qū)地面沉降分析

江干區(qū)位于錢塘江北岸,是杭州市的交通樞紐中心,區(qū)內(nèi)有杭州東火車站、錢江新城以及下沙高教園等,地表多為粉砂、粉細砂,屬于易發(fā)生沉降的軟土質(zhì)地區(qū)[17]。圖4中顯示，江干區(qū)地面沉降主要分布在行政區(qū)的西部,最大沉降速率達到了-27.5 mm/a。沉降區(qū)位于丁蘭街道大農(nóng)港路路段,通過查閱資料以及實地探勘發(fā)現(xiàn),在研究期內(nèi)該區(qū)域附近有地鐵3號線一期工程、杭州中醫(yī)院及其周邊道路工程等大型在建工程,故此處的地面沉降是由地鐵盾構(gòu)及大型建筑基坑開挖共同作用導(dǎo)致。b區(qū)域沉降區(qū)位于杭州東火車站臺旁鐵軌區(qū)。c區(qū)域中沉降分布較為集中連續(xù),中部地面沉降區(qū)形變速率范圍在-20～-5 mm/a。左上方沉降區(qū)位于東城金茂府小區(qū)及其周邊在建的明月路路段、黎明花苑小區(qū),故該地區(qū)沉降是由于在建工程基坑開挖所致。下方的不均勻沉降區(qū)是由于該地區(qū)多處在建道路。d沉降區(qū)左下方為八堡家園小區(qū)及其周邊區(qū)域,附近有在建快速公路(錢塘快速路),其中一船閘工程項目部沉降最為嚴重,沉降速率高達-20 mm/a,經(jīng)實地勘探該處有區(qū)域挖方。右上方沉降區(qū)沉降主要分布在消防器材、電機、承重軸、泵業(yè)等重工業(yè)公司及商場附近?？傮w而言,江干區(qū)的沉降分布具有范圍廣泛且分布不均勻的特點,大部分沉降現(xiàn)象是由于城市的市政工程建設(shè)和開發(fā)所造成。東部地區(qū)地表形態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖4 江干區(qū)沉降速率圖

3.1.3西湖區(qū)沉降分析

西湖區(qū)位于杭州市西部,坐擁著名的西湖風(fēng)景區(qū)。西湖區(qū)地形西部和中部高,為低丘陵,南部和北部為平原,河流交錯。圖5可以看出西湖區(qū)沉降區(qū)分布,沉降主要位于北部的三墩鎮(zhèn)北部,和南部雙浦鎮(zhèn)及轉(zhuǎn)塘街道的交界處。北部的沉降區(qū)位于長深高速及杭長高速交叉處紫金港樞紐附近小區(qū)及道路,其中以景匯幼兒園,沉降速率為-20 mm/a。南部雙浦鎮(zhèn)的沉降為錢塘江邊麥嶺沙立交邊濱之江小區(qū)及之江財富中心小區(qū)及其周邊。其他街道有零星低沉降區(qū)。

圖5 西湖區(qū)沉降速率圖

3.1.4蕭山區(qū)地面沉降分析

蕭山區(qū)位于杭州市南部,水陸空交通便利,浙東運河、滬昆高速公路、國道及鐵路交錯通達,區(qū)內(nèi)有機場以及多處工業(yè)園區(qū)分布。蕭山區(qū)地形多樣,中部及北部為平原,其土質(zhì)為粉砂土,南部以低丘陵為主,基本為淤泥質(zhì)軟土[18]。圖6可以看出,蕭山區(qū)北部錢塘江邊有一小塊抬升區(qū)域,經(jīng)實地勘探該處是大江東錢江養(yǎng)殖場,及義丈墾種,抬升速率達到20mm/a。以及中部航塢山周邊,抬升速率在5～9mm/a左右。蕭山區(qū)沉降區(qū)分布較為分散,主要分布在中部及南部。為更具體分析蕭山區(qū)沉降情況,將對沉降較嚴重一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)單獨進行詳細分析。

圖6 蕭山區(qū)沉降速率圖

圖7反映了寧圍街道、北干街道、新街街道、新塘街道及衙前鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地表形變情況。從圖中可以看出,A區(qū)域?qū)巼值兰靶陆纸值澜唤缣幇l(fā)生了成片的地面沉降,形變速率在-6～-23 mm/a范圍內(nèi),其中中油橡膠廠及惠立學(xué)校附近沉降最為嚴重,最大沉降速率達到-25 mm/a。橡膠廠周圍分布了一些鋼管、模具、機電、塑料等工廠及公司,該區(qū)域為一大型工業(yè)園區(qū),該區(qū)域的沉降與工業(yè)園區(qū)內(nèi)修建工廠以及道路等因素有關(guān)。B區(qū)域中存在兩處嚴重沉降區(qū),最大沉降速率高達-20 mm/a,經(jīng)實地勘探發(fā)現(xiàn)該處為在建豐二家園一苑小區(qū)、在建婦產(chǎn)醫(yī)院新區(qū),因此可判斷該沉降區(qū)是由大型建筑工程在建時期的土堆及地面挖坑造成。C區(qū)域所示北干街道西部有一處沉降最為嚴重,經(jīng)實地踏勘是白馬湖邊一處獨立居民區(qū),沉降速率高達到-20 mm/a。其邊界處沉降區(qū)主要為鋼管廠、裝修公司及合金工具廠,其中成建鋼管廠附近地表沉降最為嚴重,沉降速率達到-15 mm/a。D區(qū)域中有成片沉降區(qū)分布,其具體位置為北干街道東部,北干駕校及其周邊停車場,沉降速率最高達到-20 mm/a;北干小學(xué)及其周邊,地表形變速率在-5～-15 mm/a之間。新街街道及坎山鎮(zhèn)沉降如圖所示主要發(fā)生在機場公路、建設(shè)四路及滬昆高速道路沿線兩側(cè),呈現(xiàn)線狀分布的特征。E區(qū)域中新塘街道處發(fā)生地表面沉降現(xiàn)象的為五聯(lián)村,形變速率在-6～-20 mm/a范圍內(nèi)。東邊沉降區(qū)附近區(qū)域為名揚模架公司及化工、塑料、紡織公司和工廠等。F區(qū)域為衙前鎮(zhèn)的沉降分布情況,主要分布在中部的紅香窗簾廠及奧華紡織公司附近。

圖7 蕭山區(qū)Ⅰ區(qū)域沉降速率圖

圖8所示為蕭山區(qū)南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的沉降分布情況,由圖可以看出,各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有不均勻沉降分布,聞堰街道沉降主要分布在王家里工業(yè)區(qū)、三江花園小區(qū)及其周邊地區(qū),最高沉降速率達到-20 mm/a。蜀山街道沉降主要分布在后章村及其周邊的工廠附近,沉降速率在-5～-15 mm/a。所前鎮(zhèn)孔湖周邊有大型采石場,西邊沉降區(qū)域為采石場附近的孔湖村新及其周邊石材公司,沉降速率在-6～-20 mm/a,該地區(qū)沉降與采石場及新區(qū)新建居民樓有關(guān)。中部的沉降地區(qū)為杭州繞城高速張家畈互通處,沉降速率高達-25 mm/a。義橋鎮(zhèn)沉降區(qū)位于中部浦陽江兩岸的紡織、機械、電器廠工業(yè)區(qū)及民豐工業(yè)區(qū),西部沉降區(qū)沿富春江邊公路呈現(xiàn)線狀分布特征,沉降速率在-10～-15 mm/a。臨浦鎮(zhèn)沉降位于中部新建的六莊新區(qū)及其附近區(qū)域。進化鎮(zhèn)北部的沉降區(qū)有五金、機械、家紡、塑料等重工業(yè)型工廠。河上鎮(zhèn)及浦陽鎮(zhèn)零散沉降區(qū),經(jīng)調(diào)查為重工工廠區(qū)或新建小區(qū)住宅。蕭山區(qū)沉降分布總體呈現(xiàn)出大范圍小集中的特征,且地面沉降區(qū)域多為工業(yè)園區(qū)及新建小區(qū),因此,蕭山區(qū)的地面不均勻沉降與該地的人工建筑基坑開挖以及重工業(yè)的發(fā)展有關(guān)。

圖8 蕭山區(qū)Ⅱ區(qū)域形變速率

3.2 SBAS-InSAR監(jiān)測結(jié)果

SBAS-InSAR的時序監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。由圖可以看出,杭州市主城區(qū)最大沉降速率達到-28 mm/a。沉降區(qū)域主要分布在蕭山區(qū)、江干區(qū)。

3.3 對比驗證分析

為驗證PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果的準確性,采用SBAS-InSAR技術(shù)對杭州市主城區(qū)的地表進行了同條件的監(jiān)測[19],將兩種方法的監(jiān)測結(jié)果進行比對分析。通過觀察圖3和圖10可知：SBAS-InSAR方法的監(jiān)測結(jié)果在沉降區(qū)分布和沉降量級別上與PS-InSAR的結(jié)果具較高的一致性。

圖9 SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果

圖10 PS點位分布圖

為了進一步比較兩種方法監(jiān)測結(jié)果的一致性,分別從兩種監(jiān)測結(jié)果中的沉降區(qū)范圍內(nèi)隨機選取相同位置的四個點,其點位分布如圖10所示。利用軟件計算得到各點的形變時間序列如圖11所示。

(a) PS-InSAR的結(jié)果

(b) SBAS-InSAR的結(jié)果

從圖11中可以清晰地看出4個隨機點的PS監(jiān)測結(jié)果比較不穩(wěn)定,而SBAS的監(jiān)測結(jié)果比較平緩,但二者在形變趨勢上基本是吻合的,并且在形變量級別上只存在毫米級別范圍內(nèi)的差異性,由此可以說明本次監(jiān)測結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)束語

本文基于Sentinel-1A 衛(wèi)星獲取的2019年1月至2021年1月期間的25景衛(wèi)星影像,使用PS-InSAR技術(shù)對杭州市主城區(qū)的地面沉降情況進行了探究,并對沉降較嚴重地區(qū)展開了詳細的分析。總體而言,在研究期內(nèi),研究區(qū)的年均形變速率范圍為-27.5～28 mm/a,只有部分地區(qū)出現(xiàn)地面沉降,主城區(qū)沉降主要分布在蕭山區(qū)及江干區(qū),且沉降分布呈現(xiàn)出小面積,大分散的特征。杭州市地面不均勻沉降主要是受高層建筑荷載、城市建設(shè)和工業(yè)活動等影響。最后利用SBAS-InSAR技術(shù)對研究區(qū)進行了同時段、同條件的監(jiān)測,并將結(jié)果與PS-InSAR的結(jié)果進行交叉驗證,說明了監(jiān)測結(jié)果的可靠性。