利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測武漢市主城區(qū)地面沉降

孫偉，李江衛(wèi)，白潔，童欣

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

近年來，隨著城市建設(shè)開發(fā)力度加大，多種因素的綜合影響導(dǎo)致武漢市主城區(qū)部分區(qū)域陸續(xù)出現(xiàn)地面沉降。2013年以來，漢口香港路建設(shè)大道兩側(cè)、泛后湖區(qū)域、王家墩中央商務(wù)區(qū)及漢口火車站等區(qū)域相繼發(fā)生不同程度的地面沉降，影響了市民工作和生活。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測方法有衛(wèi)星定位測量、水準測量、測量機器人等，其作業(yè)周期長、空間采樣率低、接觸式測量、受天氣影響較大等劣勢導(dǎo)致沉降監(jiān)測工作效率低下，無法滿足當前城市公共安全管理和應(yīng)急保障的需要。

針對城市地面沉降問題，國內(nèi)外專家和大量工程技術(shù)人員開展了很多有效的監(jiān)測工作，近20年逐步發(fā)展起的合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術(shù)相對于傳統(tǒng)的大地監(jiān)測方法，具有非接觸式、高分辨率、高準確率等優(yōu)勢，已成為地面、建筑物形變監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展方向。Ferretti等[1]基于差分合成孔徑雷達干涉測量(Differential InSAR，D-InSAR)理論，在二十世紀初提出了永久散射體干涉測量(Persistent Scatterer InSAR，PS-InSAR)，是利用長時間序列SAR影像集進行時間和空間域形變量估算，以提取永久散射體形變信息的干涉測量方法，該方法在監(jiān)測城市地面緩慢沉降中具有顯著優(yōu)勢。文獻[2]～[6]采用不同類型的SAR影響數(shù)據(jù)，利用PS-InSAR技術(shù)分別在北京、上海、天津、唐山等地面沉降監(jiān)測工作中進行了有效試驗，證實該技術(shù)的有效性、可靠性。為準確掌握近幾年武漢市主城區(qū)地面沉降分布及動態(tài)演化特征，本文利用武漢地區(qū)的36景COSMO-SkyMde影像數(shù)據(jù)，考慮到城市樓宇密集的特點，采用時序PS-InSAR技術(shù)進行地面沉降監(jiān)測試驗，為全面開展自然資源監(jiān)測調(diào)查和城市公共安全管理探索新的技術(shù)手段。

2 監(jiān)測區(qū)范圍和數(shù)據(jù)處理

2.1 監(jiān)測區(qū)范圍

武漢地處江漢平原東部、長江中游，長江及其最大支流漢江橫穿武漢市主城區(qū)，形成了漢口、漢陽、武昌的三鎮(zhèn)格局。屬殘丘性河湖沖積平原，黏土和亞黏土層較厚，受新構(gòu)造運動和河水流態(tài)的影響，特別是長江三峽水利樞紐建成后沿江地區(qū)地下水位下降，改變了長江流域季節(jié)性水位變化規(guī)律。近年來城市建設(shè)、開發(fā)力度加大，高層建筑、地下工程建設(shè)等多種因素的綜合影響導(dǎo)致武漢市中心城區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)地面沉降。據(jù)調(diào)查，2013年以來，武漢市江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)和武昌區(qū)共有40余個小區(qū)、單位相繼發(fā)生了地面沉降，造成建筑物附屬設(shè)施及市政道路不同程度開裂、下沉，管道接頭脫節(jié)等，特別是江岸區(qū)后湖區(qū)域尤為突出[7]，調(diào)查與收集的地面沉降點共有157處、沉降路段3處。此外還有建設(shè)大道附近及其延長線、竹葉山、江漢路、青年路、新華路、漢口火車站和武昌復(fù)興路附近的小區(qū)和單位均發(fā)生了不同程度的地面沉降現(xiàn)象。

圖1武漢市主城區(qū)監(jiān)測區(qū)域和數(shù)據(jù)源覆蓋范圍

2.2 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理

本文采用覆蓋武漢市主城區(qū)范圍的意大利COSMO-SkyMed影像數(shù)據(jù)，監(jiān)測區(qū)域和數(shù)據(jù)源覆蓋范圍如圖1所示，基于PS-InSAR技術(shù)手段計算分析主城區(qū)范圍的地面沉降情況。SAR影像分辨率為 3 m，共計36景數(shù)據(jù)，時間區(qū)間為2012年6月～2017年6月，SAR影像數(shù)據(jù)基本參數(shù)見表1。COSMO-SkyMed影像數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、幾何分辨率高、入射角可選、多極化等特點，在城市建筑物密集區(qū)的地面沉降監(jiān)測方面效果顯著[8]。

監(jiān)測區(qū)域SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù) 表1

根據(jù)PS-InSAR技術(shù)的基本原理[9]，可將PS-InSAR數(shù)據(jù)處理整理歸納為4個主要步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、差分干涉計算、時空域形變估計和形變量計算，詳細流程如圖2所示。利用本文所述的COSMO-SkyMed影像數(shù)據(jù)源，采用意大利PSP-IFSAR軟件依據(jù)上述數(shù)據(jù)處理流程完成了數(shù)據(jù)處理工作，主要步驟包括：①公用主影像優(yōu)化選取。采用最佳相關(guān)性組合算法，計算了36景影像像對的時空基線，如圖3所示，最終選取的公用主影像為2015年12月2日的SAR雷達影像。②SAR圖像精確配準。以選出的主影像為基準圖像，將其他35幅影像都配準到基準SAR圖像的網(wǎng)格內(nèi)，配準精度優(yōu)于0.1個像素。③DEM與主影像配準、裁剪和組合，計算生成相位干涉圖，提取所有PS點的干涉相位。④時空相位解纏和回歸分析，計算分離大氣和軌道誤差相位。⑤PS點重新識別及形變速率反演和高程誤差估計。大氣和軌道誤差相位補償后，對SAR圖像的每個像素點進行逐點分析，通過設(shè)置時間相關(guān)系數(shù)閾值，將在閾值以上的像素點選為最終的PS點，并估計其形變速率和高程誤差。⑥坐標變換將視線向映射到垂直地面方向，得到所有高相干PS點的線性形變速率，采用內(nèi)插方法即得到區(qū)域線性形變速率。

圖2 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

圖3 時空基線分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 整體沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，在武漢市主城區(qū)及其周邊 1 km范圍共提取到 7 571 260個PS點及其形變特征，包括了地理坐標、形變發(fā)生時點和速度等信息。圖4和圖5分別給出了2012年6月～2017年6月期間武漢市主城區(qū)年平均形變速率圖、累計形變量圖，整體監(jiān)測的形變情況統(tǒng)計如下：

(1)通過監(jiān)測成果分析，獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)主要的形變漏斗區(qū)域共計21處，分布區(qū)域詳見圖6，面積總計約 94.1 km2。面積較大的形變漏斗主要分布于主城區(qū)西北部，分別為：泛后湖區(qū)域、江漢區(qū)核心區(qū)、王家墩CBD連接漢西區(qū)域，對應(yīng)圖2中編號為5、6、7地塊，面積由依次為 22.3 km2、15.0 km2、10.4 km2。

(2)2012年～2013年期間，主城區(qū)整體形變不明顯，發(fā)生形變的區(qū)域主要集中在洪山區(qū)南湖周邊、青山區(qū)西部、江岸區(qū)南部、江漢區(qū)常青公園周邊、東西湖區(qū)東部，其累積形變量約 15.0 mm；武昌區(qū)域發(fā)生形變較大的青山區(qū)西部科技苑社區(qū)及周邊，形變時間區(qū)間主要為2013年6月～2015年6月；泛后湖區(qū)域形變發(fā)生時間為2014年6月左右，直到2017年6月形變趨勢仍未顯著減小。

(3)武漢市主城區(qū)監(jiān)測范圍內(nèi)PS點數(shù)量分布按照平均形變速率大小統(tǒng)計如表2所示，超過95%的PS點平均形變速率在 ±10 mm/a以內(nèi)；平均形變速率超過 27.0 mm/a的PS點共有 12 217個，集中分布在上述形變漏斗區(qū)域面積較大的部分。武漢市主城區(qū)監(jiān)測到的最大平均形變速率值為 -60.9 mm/a，位置在泛后湖區(qū)域的姑嫂村路與唐家墩路口處附近，累計形變量達 -279.6 mm。

圖5 2012年6月～2017年6月武漢市主城區(qū)累計形變量圖

圖6 武漢市主城區(qū)21處形變漏斗區(qū)域分布示意圖

武漢市主城區(qū)InSAR監(jiān)測PS點平均形變速率范圍統(tǒng)計表 表2

續(xù)表2

3.2 重點區(qū)域沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)主城區(qū)整體監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實地巡查情況，對公眾關(guān)注的、沉降速率較大的泛后湖區(qū)域選取部分PS點進行重點分析。

(1)江達路常青公園-金盾花園附近區(qū)域。圖7給出了該區(qū)域的PS點形變速率圖，形變速率較大。監(jiān)測期內(nèi)，最大形變速率為 24.7 mm/a，最大累計形變量為 -112.8 mm。圖7中A點位于金盾花園小區(qū)內(nèi)的建筑上，其形變歷史如圖8所示，五年間的平均形變速率為 24.7 mm/a，累計形變量為 -109.4 mm。在監(jiān)測期間內(nèi)，該點一直處于形變狀態(tài)，在2013年12月～2014年6月加速下滑，期間形變量為 -40.4 mm。

圖7 江達路常青公園-金盾花園附近區(qū)域PS點形變速率圖

圖8金盾花園小區(qū)建筑A點形變歷史曲線

(2)石橋一路新華書店周邊區(qū)域。圖9給出了該區(qū)域的PS點形變速率圖，形變速率較大。監(jiān)測期內(nèi)最大平均形變速率為 51.7 mm/a，最大累計形變量為 -242.2 mm。圖9中A點位于新華書店靠近文博路的出口處，其形變歷史如圖10所示，五年間的形變速率高達 51.7 mm/a，累計形變量 -242.2 mm。在整個監(jiān)測期間內(nèi)，該形變一直非常明顯，截止到2017年6月，形變趨勢仍未顯著減小。

圖9 石橋一路新華書店附近PS點形變速率圖

圖10新華書店出口處A點形變歷史曲線

3.3 地鐵沿線區(qū)域形變監(jiān)測結(jié)果

城市軌道交通工程修建、運營過程中，不可避免會對周邊產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為地表或地表建(構(gòu))筑物的形變，因此對市政道路、軌道交通沿線區(qū)域進行監(jiān)測，掌握和了解監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地表形變速率和形變量對于保障人民生活安全意義重大。

本文研究的監(jiān)測時間段內(nèi)是武漢市地鐵建設(shè)的高峰期，依據(jù)武漢地鐵線路對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)已運營和在建地鐵線路進行矢量化，提取了已運營和在建地鐵線路沿線 200 m范圍內(nèi)的PS點，如圖11所示。結(jié)果顯示，武漢市主城區(qū)范圍內(nèi)已運營地鐵線路和在建地鐵線路多次穿過形變較大的區(qū)域，尤其是主城區(qū)西北側(cè)漢江、長江與三環(huán)線所形成的三角形區(qū)域，如6號線石橋站周邊，3號線雙墩站、趙家條站周邊，8號線汪家墩站周邊等。其中，6號線石橋站周邊形變最為明顯，監(jiān)測期內(nèi)年平均形變速率可達 39 mm/a，累計形變量超過 -180 mm。

圖11 武漢市主城區(qū)地鐵沿線2012年6月～2017年6月平均形變速率

3.4 泛后湖區(qū)域沉降成因分析

歷史上整個后湖地區(qū)均為湖灘，普遍隱埋一層一般厚 10 m以上、最厚可達 30 m的淤泥質(zhì)黏土或淤泥。由于近代人們填塘圍垸活動，使湖泊周圍沼澤地帶的淤泥質(zhì)軟土裸露地表或被人工填土所掩蓋。該土層具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、滲透系數(shù)小的特點，具有觸變性、高壓縮性和流變性等工程地質(zhì)特征。高層建筑物的不斷加載、超深基坑降水工程手段的實施以及大氣降水補給的減少導(dǎo)致地下水位降低后，極易引發(fā)軟土地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。

隨著武漢市城市發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的不斷進行，地下水開采造成的地下水位下降是主要外因，場地地表以下存在較厚的填土及軟土是主要內(nèi)因。造成地下水位下降的主要因素包括：一是近幾年，武漢段長江洪峰減少，洪峰水位降低，且高水位維持時間較短，大量減少了長江水的水量補給；二是近幾年超深基坑(開挖深度進入砂層)相繼開工，深井降水措施造成上層滯水流失、水位下降，引發(fā)地表填土及軟土的固結(jié)沉降；三是近年來武漢地區(qū)降雨量也有所減少，地下水位隨之降低。

3.5 精度比較

為評估本文InSAR監(jiān)測成果精度，收集了監(jiān)測區(qū)域范圍、時間內(nèi)的精密水準數(shù)據(jù)，分別是武漢地鐵6號線、8號線二等水準多期監(jiān)測成果。經(jīng)過時空基準統(tǒng)一，利用最鄰近點法的克里金插值方法對InSAR地表形變監(jiān)測成果精度進行了分析和評估，計算統(tǒng)計了精密水準值和InSAR監(jiān)測成果得數(shù)學精度一致性，如表3所示，根據(jù)平均誤差、中誤差、相關(guān)系數(shù)等參數(shù)指標，PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果精度優(yōu)于 ±5 mm，且與精密水準結(jié)果吻合度較好，表明PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果可靠，能實現(xiàn)對地面沉降情況的有效監(jiān)測。

精密水準與InSAR監(jiān)測結(jié)果數(shù)學精度一致性統(tǒng)計 表3

4 結(jié) 語

本文開展了高分辨率長時間序列SAR影像監(jiān)測地表形變的研究，采用PS-InSAR技術(shù)對36景COSMO-SkyMed影像數(shù)據(jù)進行干涉處理，獲取了武漢市主城區(qū)2012年6月～2017年6月的地面沉降信息。根據(jù)PS點分析，主要沉降區(qū)位于漢口的泛后湖區(qū)、江漢區(qū)核心區(qū)、王家墩CBD連接漢西區(qū)，其中泛后湖區(qū)域的沉降尤為嚴重，最大沉降速率達到 -60.9 mm/a，歷史上大面積淤泥質(zhì)黏土覆蓋層及地下水開采是該區(qū)域發(fā)生較大沉降的主要原因。經(jīng)與高精度水準觀測數(shù)據(jù)對比，驗證了PS-InSAR技術(shù)在監(jiān)測武漢市地面沉降工作中的可行性、可靠性。

基于PS-InSAR的沉降監(jiān)測技術(shù)以其非接觸式、高分辨率、高準確率等優(yōu)勢，已成為地表、建筑物形變監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展方向。在當前服務(wù)自然資源“兩統(tǒng)一”和開展自然資源監(jiān)測調(diào)查工作要求的大背景下，利用InSAR技術(shù)的優(yōu)勢和特點，研究和建立完整的變形監(jiān)測技術(shù)體系，對城市控制或防治地面沉降和地質(zhì)災(zāi)害工作具有重要的現(xiàn)實意義。