連云港防波堤時(shí)序InSAR沉降監(jiān)測(cè)研究

范雪婷，潘九寶

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

傳統(tǒng)的地面沉降及形變監(jiān)測(cè)方法主要包括水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量、基巖標(biāo)及分層標(biāo)監(jiān)測(cè)等，以上監(jiān)測(cè)手段雖測(cè)量精度高，但存在成本高、效率低、點(diǎn)位獲取稀疏，難以全覆蓋等特性。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量 （InSAR）技術(shù)作為近年來(lái)逐漸開展起來(lái)的地面沉降監(jiān)測(cè)新方法，因監(jiān)測(cè)范圍廣、精度高等特點(diǎn)，已在區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)及水利工程形變監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。董山等[1]利用2007－2011年的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)以及2012－2015年的Radarsat-2數(shù)據(jù)，對(duì)連云港市以及鹽城北部地區(qū)開展了InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)，并對(duì)兩期的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。裴媛媛等[2]結(jié)合時(shí)序InSAR技術(shù)，研究了Envisat ASAR數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江口南岸和杭州灣北側(cè)堤壩形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)精度達(dá)mm級(jí)。肖儒雅等[3]結(jié)合水庫(kù)大壩環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，改進(jìn)了時(shí)序InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程，提取了廣南水庫(kù)大壩的高精度形變信息。黃其歡等[4]采用PSI技術(shù)和Sentinel-1A影像對(duì)某港區(qū)防波堤進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，與水準(zhǔn)結(jié)果比較的標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.6 mm。

本文基于主影像相干目標(biāo)小基線技術(shù)[5]（InSAR，MCTSB-InSAR），利用2017年1月至2018年12月獲取25期Radarsat-2超寬精細(xì)模式SAR影像數(shù)據(jù)對(duì)連云港市進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，全面揭示連云港地面沉降狀況及沉降原因，并針對(duì)徐圩港區(qū)防波堤工程進(jìn)行重點(diǎn)應(yīng)用分析。

1 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概述

連云港市地理位置于33°59′N～35°07′N、118°24′E～119°48′E，地處江蘇省沿海地區(qū)最北端，東靠黃海，地勢(shì)由西北向東南傾斜，西部丘陵海拔一般為100～200 m，中東部平原海拔一般為3～5 m。區(qū)內(nèi)分布有大量的軟土層，屬于第四紀(jì)晚期的濱海相沉積類型，工程地質(zhì)性能差。研究區(qū)域包含連云港絕大部分地區(qū)（除贛榆區(qū)北部一角未覆蓋），范圍如圖1左圖黃線所示，右圖為徐圩港區(qū)防波堤所在位置的影像圖。

徐圩港區(qū)是以石化、集裝箱等運(yùn)輸為主的產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)型綜合大港，規(guī)劃建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)深水航道和116個(gè)大中型碼頭泊位，目前10萬(wàn)噸級(jí)航道已開通使用。徐圩港區(qū)防波堤工程由東防波堤與西防波堤組成，呈雙導(dǎo)堤大環(huán)抱形態(tài)，全長(zhǎng)約21.77 km，在水深-4.5 m以內(nèi)區(qū)域，使用斜坡堤模式，而在海水較深處使用桶式基礎(chǔ)直立堤結(jié)構(gòu)方式。文中重點(diǎn)研究斜坡式結(jié)構(gòu)防波堤，東斜坡堤長(zhǎng)約7.83 km，西斜坡堤長(zhǎng)6.36 km，如圖1中的AA'和BB'。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采用25期Radarsat-2衛(wèi)星超寬精細(xì)模式（Extra Fine）影像，數(shù)據(jù)格式為單視復(fù)數(shù)據(jù)（SLC數(shù)據(jù)），衛(wèi)星重訪周期為24 d，雷達(dá)波入射角21.8°，極化方式為VV，方位向和距離向像素大小分別為3.0 m和2.7 m，影像覆蓋范圍125 km×125 km，如圖1左圖綠色方框所示，該模式數(shù)據(jù)兼具幅寬大與分辨率高的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間的跨度為2017年1月至2018年12月。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中選用30 m分辨率的SRTM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)去除地形相位的影響。

圖1 研究區(qū)與SAR影像覆蓋范圍

2 數(shù)據(jù)處理

MCTSB-InSAR技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、線性形變反演、非線性形變反演等步驟，主要處理流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理即SAR影像差分干涉處理，主要包括軌道加密、基線分析、影像配準(zhǔn)、確定干涉相對(duì)、生成干涉圖、去除地形相位、濾波等處理，生成差分干涉圖。

確定干涉像對(duì)采用基于特征小區(qū)域干涉圖信噪比的方法：選取城鄉(xiāng)結(jié)合小區(qū)域（一般500×500像素）作為特征區(qū)域；然后將各小區(qū)域SAR影像兩兩組合，可快速獲取全部干涉圖；定量比較并選擇高信噪比的小干涉對(duì)組合。該方法在保證干涉圖質(zhì)量的同時(shí)，可極大地提高生成效率與自動(dòng)化作業(yè)水平。本文最終保留86個(gè)干涉相對(duì)。

2.2 線性形變反演

線性形變反演主要包括穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)提取、點(diǎn)目標(biāo)三角網(wǎng)連接、建立相位差分模型求解線性形變速率和高程誤差等處理。

本文使用“三閾值二級(jí)探測(cè)法”提取穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)。閾值設(shè)置為：絕對(duì)平均相干系數(shù)大于0.67，相對(duì)平均相干系數(shù)大于0.52，平均幅度大于1.3，幅度離差小于0.3，共提取3 577 709個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)。

對(duì)于全部穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)采用局部Delaunay三角網(wǎng)進(jìn)行連接[6]。差分干涉圖兩頂點(diǎn)間差分干涉相位計(jì)算公式（1）：

式中，Δv為兩點(diǎn)間的線性形變速率之差；B⊥和T分別為干涉圖的垂直基線和時(shí)間基線；Δh為高程誤差之差；殘余相位增量Δφres=Δφnl+Δφa+Δφn，是兩點(diǎn)間非線性形變相位、大氣延遲相位和噪聲影響相位差分的和；R、λ、θ分別為雷達(dá)波斜距、波長(zhǎng)、入射角。

大氣相位與空間距離具有高相關(guān)性，一般在1～ 2 km范圍內(nèi)時(shí)，其貢獻(xiàn)量可以忽略，非線性形變相位同樣具有一定的空間特性，并且高相干點(diǎn)的噪聲影響相位很小，所以|Δφres|＜π成立，可通過(guò)整體相位相干性最大化模型來(lái)計(jì)算Δh、Δv，如公式（2）：

式中，γ為模型相干系數(shù)；J表示單位復(fù)數(shù)；M為干涉圖數(shù)目。采用空間搜索法[7]或二維周期圖法[8]，實(shí)現(xiàn)所有邊Δh、Δv的最大化求解。選擇γ≥0.7的邊認(rèn)定為可靠連接，剔除不可靠邊，從某一目標(biāo)點(diǎn)開始通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)法連接成一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)，采用最小二乘平差方法集成各條邊的相對(duì)線性形變速率和相對(duì)高程誤差，得到各點(diǎn)目標(biāo)沿雷達(dá)視線向的線性形變速率和高程誤差絕對(duì)量。

2.3 非線性形變反演

剔除差分干涉相位中穩(wěn)定點(diǎn)的線性形變和高程誤差相位，獲得殘余相位，并根據(jù)分量不同的頻譜特征進(jìn)行時(shí)、空濾波，分離得到大氣相位、非線性形變相位及噪聲相位，將線性形變和非線性形變疊加可獲取雷達(dá)視線向地表形變量。最后，根據(jù)雷達(dá)入射角信息，將視線向形變量轉(zhuǎn)化為垂直向形變量。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與應(yīng)用分析

3.1 區(qū)域地面沉降狀況

根據(jù)MCTSB-InSAR技術(shù)方法，得到2017－2018年 連云港地表沉降速率（圖3）。統(tǒng)計(jì)各區(qū)縣沉降速率大于10 mm/a 的PS點(diǎn)個(gè)數(shù)，如圖4所示。結(jié)果表明，連云區(qū)沉降速率大于10 mm/a的點(diǎn)數(shù)及占比皆最大，為54 293個(gè)和24.7%；灌云縣、灌南縣次之，沉降速率大于10 mm/a的點(diǎn)數(shù)占比分別為14.3%、10.9%；海州區(qū)、贛榆區(qū)、東?？h沉降速率大于10 mm/a的點(diǎn)數(shù)較少，皆不足2.0%。

圖3 連云港地表沉降速率分布

圖4 各區(qū)縣沉降速率大于10 mm/a PS點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從地表沉降的空間位置上來(lái)看，連云區(qū)沉降區(qū)域最大，主要分布在青口鹽場(chǎng)、猴嘴街道、連島街道、板橋街道、徐圩街道等地區(qū)，最大沉降速率達(dá)251.7 mm/a，位于徐圩港；灌云縣沉降主要分布在東部的圩豐鎮(zhèn)、燕尾港鎮(zhèn)，最大沉降速率達(dá)94.9 mm/a，位于灌西鹽廠東；灌南縣沉降主要分布在新安鎮(zhèn)、新集鎮(zhèn)、堆溝港鎮(zhèn)，最大沉降速率為44.4 mm/a；海州區(qū)、贛榆區(qū)少量的沉降主要分布在云臺(tái)農(nóng)場(chǎng)、宋莊鎮(zhèn)、墩尚鎮(zhèn)等地；東海縣幾乎未見明顯的地表沉降。

董山等[1]研究了連云港及鹽城北部地表沉降，指出連云區(qū)北部及東部沿海、贛榆區(qū)東部沿海、灌云縣（燕尾港鎮(zhèn)）、灌南縣（堆溝港鎮(zhèn)）沉降嚴(yán)重?？傮w來(lái)說(shuō)，二者沉降監(jiān)測(cè)信息符合性較好，同時(shí)也證實(shí)本文監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

基于獲取的連云港穩(wěn)定點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，采取克里金插值方法（Kriging）對(duì)沉降速率進(jìn)行插值，獲得研究區(qū)完整的形變速率圖，參考江蘇省[9]、北京市[10]地面沉降危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將連云港地面沉降危險(xiǎn)性化分為四個(gè)等級(jí)：沉降嚴(yán)重區(qū)（速率大于50 mm/a）、較嚴(yán)重區(qū)（速率30～50 mm/a）、一般區(qū)（速率10～30 mm/a）、 輕微區(qū)（速率小于10 mm/a）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表1），連云港市地面沉降輕微區(qū)面積在90%以上，沉降一般區(qū)面積占比約9%，沉降嚴(yán)重區(qū)和較嚴(yán)重區(qū)面積分別為 8.93 km2和42.95 km2，主要分布于連云區(qū)和灌云縣。

表1 地表沉降危險(xiǎn)性分級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

3.2 港區(qū)防波堤沉降分析

水庫(kù)大壩、海堤等水利設(shè)施對(duì)安全性要求極高，微小形變都可能引發(fā)極其嚴(yán)重的安全事故。依據(jù)圖3發(fā)現(xiàn)位于徐圩港區(qū)的防波堤出現(xiàn)較為明顯的沉降，防波堤的沉降分布特征需要進(jìn)一步分析。

圖5為徐圩港區(qū)地表沉降速率分布圖，從PS點(diǎn)分布來(lái)看，相較于東西走向的直立堤而言，南北走向的斜坡堤相干性更好，可提取密集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，與不同結(jié)構(gòu)防波堤的填筑材料或不同走向防波堤的散射機(jī)制有關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，速率超過(guò)10 mm/a、20 mm/a、30 mm/a 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占比分別為70.3%、25.8%、10.3%，平均沉降速率達(dá)16.9 mm/a，可見徐圩港區(qū)整體沉降形勢(shì)嚴(yán)峻。從圖5可以看出，徐圩1區(qū)、2區(qū)以及東、西防波堤沉降最為嚴(yán)重。最大沉降速率達(dá)251.7 mm/a，出現(xiàn)在東防波堤上。靠近陸地的環(huán)形港池部分，由于建成較早，沉降相對(duì)較小，最大沉降速率為107.0 mm/a； 西防波堤最大沉降速率達(dá)143.0 mm/a；徐圩1區(qū)、 2區(qū)最大沉降速率分別為140.3 mm/a、139.9 mm/a。 圖6為徐圩港區(qū)時(shí)序累計(jì)沉降量（以2017-01-05為起始時(shí)間）?？梢?，隨著時(shí)間的推移，2017年4月東防波堤最先出現(xiàn)沉降，至2017年8月前后，西防波堤和徐圩1、2區(qū)也逐漸表現(xiàn)出沉降。

圖5 徐圩港區(qū)地表沉降速率

圖6 徐圩港區(qū)累計(jì)沉降量序列

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，東防波堤共提取319個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，平均點(diǎn)密度達(dá)41個(gè)/km；西防波堤提取174個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，平均點(diǎn)密度約為27個(gè)/km。東、西防波堤分別以A、B為起點(diǎn)，沿AA'、BB'兩條線段進(jìn)行距離換算，得到兩堤的形變空間分布，如圖7所示。

圖7 徐圩港區(qū)防波堤沉降空間分布

分析可知，兩防波堤呈現(xiàn)出分段式沉降規(guī)律： ①東防波堤從點(diǎn)A至里程DK0+182表現(xiàn)輕微沉降，至DK2+820較為穩(wěn)定，沉降量一般不超100 mm，隨著向海洋深處延伸沉降逐漸加重，最大沉降量達(dá) 503.9 mm，位于中間DK6+558處。②西防波堤同樣在靠近陸地沉降量較小，至DK1+737沉降開始加劇，提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降多數(shù)大于100 mm，在DK2+067處沉降量達(dá)最大值289.6 mm，之后沉降略有趨緩。整體來(lái)看，防波堤海側(cè)比陸側(cè)沉降嚴(yán)重，但最大沉降皆出現(xiàn)在堤體中間某處。

根據(jù)資料分析可知，該港區(qū)防波堤填筑分別從兩端開始，陸側(cè)采用從陸向海進(jìn)占方式填筑，海側(cè)采用船拋式堤體填筑，最后在在中間某點(diǎn)進(jìn)行斷面合攏。兩端的軟土地基在堤身荷載作用下的排水固結(jié)和壓縮變形較中部先發(fā)生和完成，因此防波堤的最大沉降量出現(xiàn)在堤體中間，而不是最深海處?？梢姡疚墨@取的防波堤沉降規(guī)律能夠較好地反映堤體填筑的實(shí)際情況。文獻(xiàn)[4]針對(duì)徐圩港區(qū)東防波堤2016年9月至2017年12月的沉降狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到最大累計(jì)沉降量達(dá)336 mm，同樣位于堤體中間，與本文監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一致性。

3.3 沉降原因分析

根據(jù)資料分析，連云港沉降的主要原因如下：

1）典型軟土環(huán)境是導(dǎo)致地面沉降的內(nèi)在因素。連云港處于江蘇沿海地區(qū)，屬于典型的軟土區(qū)，第四系沉積物厚薄不一，海相淤泥和淤泥質(zhì)軟土分布廣泛，具有高含水、大孔隙、差透水、高壓縮及易觸變等特性[11]。土體的自然固結(jié)為地面沉降的產(chǎn)生提供了內(nèi)在條件。

2）長(zhǎng)期超采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要因素。灌南縣堆溝港及灌云縣燕尾港一帶隸屬沿海臨港工業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)存在大量的化工企業(yè)，開采井密集分布，過(guò)量汲取地下水，形成大范圍地下水位降落漏斗中心，漏斗中心最大地下水位埋深超過(guò)35.00 m[12]。地下水長(zhǎng)期過(guò)量開采已引發(fā)堆溝港、燕尾港沿海地區(qū)深層地下水位持續(xù)下降，造成區(qū)域地面沉降。

3）大規(guī)模工程建設(shè)加劇地面沉降的發(fā)育。近年來(lái)，隨著江蘇沿海開發(fā)建設(shè)的加快，圍填海工程規(guī)模擴(kuò)大，由于圍填海實(shí)施填埋作業(yè)時(shí)間較短，軟土質(zhì)土體的自然固結(jié)壓實(shí)，加上工程建設(shè)產(chǎn)生的附加荷載、基坑排水等作用，導(dǎo)致連云港沿海地區(qū)特別是徐圩港區(qū)一帶發(fā)生較嚴(yán)重的地面沉降。防波堤沉降除了軟土壓縮、地基固結(jié)之外，還有海水沖刷、侵蝕等外界作用的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Radarsat-2衛(wèi)星EX模式影像數(shù)據(jù)，利用MCTSB-InSAR方法監(jiān)測(cè)了連云港市2007年1月至2018年12月的地表沉降狀況，并對(duì)徐圩港區(qū)防波堤穩(wěn)定性及地表沉降原因深入分析。

結(jié)果表明連云港90%以上的區(qū)域?yàn)槌两递p微區(qū)（速率小于10 mm/a）。沉降主要發(fā)生在連云區(qū)、灌云縣、灌南縣的沿海地區(qū)，最大沉降速率達(dá)251.7 mm/a，位于連云區(qū)徐圩港區(qū)。徐圩港區(qū)東、西防波堤上提取了高密度的穩(wěn)定點(diǎn)，通過(guò)分析形變空間特征發(fā)現(xiàn)，兩防波堤皆表現(xiàn)出了明顯的沉降，整體上深海區(qū)比近陸區(qū)沉降嚴(yán)重，最大沉降皆出現(xiàn)在堤體中間某處，其主要原因是沿海地區(qū)特殊軟土環(huán)境下的地下水開采與大規(guī)模工程建設(shè)的附加荷載作用所致。

建議未來(lái)對(duì)圍填海、地下水取用應(yīng)加以遏制，以減緩連云港地面沉降的趨勢(shì)，為區(qū)域長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展提供較為穩(wěn)定的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)應(yīng)定期、不定期檢查重點(diǎn)沿海水利工程設(shè)施安全性，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。