基于InSAR和指數(shù)分析的地面沉降風險評估與預測—以城市密集高層建筑區(qū)為例

李勝天，聶 飛，王 萃

(江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊，330001，南昌)

0 引言

地面沉降是指地面高程的降低, 又稱地面下沉或地沉, 是以緩慢、難以察覺的向下垂直運動為主，是指在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境現(xiàn)象。目前，地面沉降己成為城市化進程中普遍存在的生態(tài)環(huán)境問題, 成為世界范圍內(nèi)制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要地質(zhì)災害之一。監(jiān)測方面,在傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的永久散射體干涉測量技術(shù)(PS)能很好地解決相關(guān)問題,有助于提高形變的時空分辨率及數(shù)據(jù)處理的精度。Ferretti等首先提出基于幅度變化特征識別PS點的算法，并把這種技術(shù)稱為永久散射體技術(shù)。隨后在國際上眾多學者展開了深入研究,如Crosetto等'不斷完善PS干涉測量的技術(shù)方法，并在監(jiān)測地表形變方面取得了很多成功的應用成果；而對地面沉降災害風險研究較少，主要集中在地面沉降危險性分級標準制定和危險性評價。

1 研究區(qū)概況

杭州市濱江區(qū)，位于浙江省杭州市南，錢塘江下游南岸，為錢塘江泥沙淤積而成的沙土平原(圖1)。地質(zhì)屬錢塘江沖積平原，地勢平坦，地面自然標高為5.2～6.2 m(黃海高程)，地表以下5～14 m范圍內(nèi)為粉砂、粉細砂，地耐力為100～120 kPa。由于城市建設(shè)用地的不斷擴張，尤其是城市核心區(qū)的建筑群密度的不斷增大，地面下陷等沉降災害頻發(fā)，對公共基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾的財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。因此，為了減少沉降災害的發(fā)生頻率，在城市建設(shè)中有效規(guī)避沉降災害的風險，開展地質(zhì)災害風險評價尤為迫切。根據(jù)《地質(zhì)災害風險調(diào)查評價技術(shù)要求(試行)》對地質(zhì)災害風險評價的總體要求，需采用定性與定量相結(jié)合的方法，在易發(fā)性、危險性、易損性評價基礎(chǔ)上，劃分為極高、高、中、低4個等級，將危險性和易損性評價結(jié)果疊加分析，形成風險評價與區(qū)劃結(jié)果。傳統(tǒng)的沉降風險評價依賴于實地測量監(jiān)測技術(shù)，即使是一系列的觀測點數(shù)據(jù)也難以直觀地表現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)地面沉降的空間分布，而有著大范圍、高密度、時效性優(yōu)勢的基于合成孔徑雷達差分干涉技術(shù)(InSAR)的地面沉降監(jiān)測手段可以更加方便地提取范圍內(nèi)地表形變速率或形變量，為定量的沉降易發(fā)性評估提供了依據(jù)；利用層次分析法(AHP)以用地類型、建筑高程、GDP和人口分布4個權(quán)重因子評估沉降易損性；在易發(fā)性的基礎(chǔ)上，根據(jù)降雨對土壤孔隙水壓力的影響確定降雨工況下的沉降失穩(wěn)概率，依靠危險性指數(shù)法結(jié)合10年一遇，20年一遇，50年一遇，100年一遇的降雨工況分別進行沉降災害危險性評價。將危險性和易損性評價結(jié)果疊加運算，通過矩陣分析法的方式形成風險評價結(jié)果，劃分地質(zhì)災害風險區(qū)段。

圖1 濱江區(qū)區(qū)位與土地利用圖

2 研究流程與方法

本文分析思路及分析方法主要是通過D-InSAR和PS-InSAR技術(shù)分析sentinel-1A數(shù)據(jù)分別得到地面累積沉降量和年沉降速率信息，運用模糊層次分析法建立易發(fā)性指標,結(jié)合Python代碼設(shè)計的ROC曲線利用其ACU值進行檢驗易發(fā)性模型的有效性；通過危險性指數(shù)法利用不同程度的降水情況獲取失穩(wěn)概率，得到不同降雨工況下的危險性指標；將獲取的土地利用類型數(shù)據(jù)、GDP和人口密度數(shù)據(jù)分權(quán)疊加計算得到沉降災害的易損性指標。對危險性和易損性指標做無量綱化處理，利用矩陣分析法得到沉降風險性結(jié)果。按照《地質(zhì)災害風險調(diào)查評價技術(shù)要求(試行)》中的分級要求制作濱江區(qū)沉降風險性評價。

3 研究結(jié)果分析

3.1 D-InSAR與PS-InSAR分析結(jié)果

濱江區(qū)研究數(shù)據(jù)基于PS-InSAR的2019年7月至2021年4月21景哨兵1號數(shù)據(jù)獲取的點數(shù)據(jù)文件，利用空間克里金插值對于屬性表中的velocity字段進行掩膜濱江區(qū)制作的沉降速率柵格圖(單位:mm/a)(圖2)。濱江區(qū)研究數(shù)據(jù)基于D-InSAR的2019年12月至2020年12月哨兵1號數(shù)據(jù)獲取的累計沉降量柵格圖(單位：m)(圖3)。

圖2 濱江區(qū)PS_InSAR沉降柵格數(shù)據(jù)

圖3 濱江區(qū)D_InSAR沉降柵格數(shù)據(jù)

3.2 灰色預測

GM(1,1)模型是常用的灰色預測模型，其原理是：對某一數(shù)據(jù)序列用累加的方式生成一組趨勢明顯的新數(shù)據(jù)序列，按照新的數(shù)據(jù)序列的增長趨勢建立模型進行預測，然后再用累減的方法進行逆向計算，恢復原始數(shù)據(jù)序列，進而得到預測結(jié)果。由此本次使用灰色預測的GM(1,1)模型對濱江區(qū)高易發(fā)區(qū)(易發(fā)性綜合得分最高的區(qū)域)當中選擇4個灰色預測點進行未來的升降情況(圖4、表1、表2、圖5、圖6)。

圖4 灰色預測專題圖

圖5 點號28851的預測曲線圖

圖6 點號119447預測曲線圖

3.3 易發(fā)性評價

濱江區(qū)地形、地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)情況等自然要素作用，位于杭州灣沖擊平原，河流、錢塘江潮沖擊，堆積大量松散物，地處西湖復向斜。濱江城市的發(fā)展等人類活動；城市建筑建設(shè)施工，高樓林立；采用模糊層次分析法，根據(jù)地面沉降易發(fā)性評價指標體系，依據(jù)土地利用類型、地面沉降速率、地面沉降累計量3個指標對地面易發(fā)性沉降的影響，構(gòu)建模糊一致矩陣；易發(fā)性綜合得分=地面沉降速率*0.533+累計沉降量*0.333+土地利用類型*0.134(圖7、圖8)。

表1 灰色預測屬性表

表2 灰色預測等級對照表

圖7 易發(fā)性評價模型圖

圖8 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果圖

ROC曲線精度驗證對濱江區(qū)易發(fā)性得分利用柵格計算器進行歸一化取值，在其中獲取檢驗點來進行ROC概率驗證(圖9)。ROC曲線縱軸代表真陽性率(True Positive Rate，TPR)，在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中代表災害面積頻率；其橫軸代表假陽性率(FalsePositiveRate，F(xiàn)PR)，在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中代表易發(fā)區(qū)面積頻率。通常用ROC曲線下面積AUC作為一個客觀定量的評價指標來衡量模型預測的準確程度。AUC值介于0～1之間，越接近1模型預測準確性越高。AUC值結(jié)果是0.71預測結(jié)果較好，易發(fā)性模型精度較好。

圖9 ROC曲線結(jié)果圖

3.4 危險性評價

根據(jù)浙江省自然資源廳關(guān)于印發(fā)《浙江省縣(市、區(qū))地質(zhì)災害風險普查與鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質(zhì)災害風險調(diào)查評價工作方案》的通知，確定危險性評價方法為危險性指數(shù)法，結(jié)合易發(fā)性綜合得分(圖10、圖11)。計算方法如下：

Hi=Yi/Ymax×Pi

式中：Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數(shù)(危險性概率)；Yi為第i個評價斜坡單元易發(fā)性指數(shù)；Ymax為最大易發(fā)性指數(shù)；Pi為某種工況下第i個評價單元的給定時間段內(nèi)的失穩(wěn)概率；失穩(wěn)概率：Pi=L/Lmax/day(基于極值降雨假設(shè)的Pi確定方法求出4種工況下的失穩(wěn)概率)。

圖10 危險性評價模型

3.5 易損性評價

易損性是指受災體受到災害破壞機會的多少與發(fā)生損毀的難易程度。主要由受災體自身條件和社會經(jīng)濟條件所決定，其目的是分析現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下人類社會對地質(zhì)災害的抗御能力，確定不同社會經(jīng)濟要素的易損性參數(shù)。承載體易損性：道路，建筑；社會經(jīng)濟易損性：GDP，年末常住人口；采用AHP法對沉降易損性指標賦予權(quán)重，利用python腳本進行分析出圖(圖12、圖13)。

圖11 危險性不同工況分級圖

圖12 易損性評價模型

圖13 易損性分級圖

3.6 風險性綜合評價

根據(jù)浙江省自然資源廳關(guān)于印發(fā)《浙江省縣(市、區(qū))地質(zhì)災害風險普查與鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質(zhì)災害風險調(diào)查評價工作方案》，利用矩陣分析法，結(jié)合易損性和危險性分析進行風險性的評價分析，通過二者進行歸一化賦值，進行風險性分級劃分(表3)。

3.6.1 風險性指標確定 地面沉降地質(zhì)災害的風險性主要取決于地面沉降發(fā)生的危險性及承災體的易損性2個方面。根據(jù)濱江區(qū)易損性分區(qū)以及不同工況下危險性分區(qū)的評價結(jié)果，計算濱江區(qū)的沉降風險值，得到濱江區(qū)風險性結(jié)果評價圖，計算方法：

Ri=Hi×Vi

式中：Ri為某種工況下第i個評價單元風險性指數(shù)；Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數(shù)；Vi為第i個評價斜坡單元易損性指數(shù)。

3.6.2 沉降風險性分析 杭州市濱江區(qū)地面沉降的主要因素是建筑施工的土塊挖方導致的地面沉降，以及錢塘江等水域的對土質(zhì)滲透作用的影響。由于建筑施工會導致地基沉降進而在周圍區(qū)域形成沉降漏斗，因此在水域附近和建筑工地附近區(qū)域都是重點區(qū)域，相關(guān)部門應重點關(guān)注，積極采取相關(guān)措施，如控制建筑物密度、在修建道路鐵路等設(shè)施時應避開沉降區(qū)域或者加固道路等，以減少損失。

圖14 暴雨工況下的沉降風險性評價圖

4 結(jié)論與展望

本研究在應用地質(zhì)災害評價規(guī)范的基礎(chǔ)上建立了多層次的評價模型，整個過程基本上用模型來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與分析，部分評價過程使用基于arcpy的python代碼來實現(xiàn)，可移植性和擴展性得到提升，空間適用性廣。該評價模型不僅可以用于濱江區(qū)的沉降監(jiān)測，還可以用于其他城市區(qū)域的沉降監(jiān)測。其中易損性評價將承災體易損性與社會經(jīng)濟易損性相結(jié)合，前者通過土地利用類型和建筑高度對區(qū)域開展建筑易損性分級，通過道路等級對道路緩沖區(qū)進行賦值，較好地擬合了城市建筑密集區(qū)域特別是高層建筑密集區(qū)域的易損性特點。時效性強。哨兵1號數(shù)據(jù)免費，更新快且容易獲取，在此基礎(chǔ)上開展沉降監(jiān)測可省去外業(yè)大范圍監(jiān)測的工作量。使用PS-Insar和D-Insar獲取沉降數(shù)據(jù)可直接得到沉降量空間(時間)上的變化規(guī)律，并用ROC曲線進行精度校驗，便于后續(xù)的易發(fā)性評價。使用灰色預測模型對多個點位進行沉降速率預測，便于綜合歷史數(shù)據(jù)開展決策。隨著城市化的建設(shè)和開發(fā)，地面沉降漸漸演化成眾多城市的通病，本次項目研究的目的就是為了發(fā)現(xiàn)這一潛在的緩慢下沉的災害，通過考察研究，技術(shù)設(shè)計規(guī)劃，形成一套評價體系來應對地面沉降這一問題。