基于InSAR 的武漢地區(qū)2016—2021 年地面沉降監(jiān)測

魏以寬，閔 天，鄒崇堯，鄧連生，陳 華

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074；2.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；3.湖北理工大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；4.湖北珞珈實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079）

地面沉降又稱為地面下沉或地陷，是在人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的下降運(yùn)動(dòng)（或工程地質(zhì)現(xiàn)象）。城市地面沉降是我國常見的城市地質(zhì)災(zāi)害之一，它可能會(huì)導(dǎo)致建筑物、橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。常規(guī)地面沉降監(jiān)測與分析方法（如水準(zhǔn)測量、GNSS、加速度傳感器等）受空間分辨率低、目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)困難、作業(yè)成本高等因素限制，難以實(shí)現(xiàn)大空間尺度與高空間分辨率的變形監(jiān)測與分析[2-4]。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)能夠提取地表微小形變信息，且具有受天氣影響小、覆蓋范圍大、成本低、測量精度高等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)形變監(jiān)測的不足，已經(jīng)在眾多城市地面沉降監(jiān)測中進(jìn)行了應(yīng)用[5-6]。

本文選取覆蓋武漢地區(qū)2016年1月—2021年12月的89 景Sentinel-1A 影像，采用相干點(diǎn)目標(biāo)分析合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（IPTA-InSAR）獲取武漢地區(qū)的地面形變速率，對典型沉降區(qū)域進(jìn)行時(shí)序分析，并結(jié)合GNSS 觀測成果對InSAR 監(jiān)測的精度進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

武漢市地處江漢平原東部、長江中游，是國際濕地城市，市內(nèi)江河縱橫、百湖密布，水域面積占全市總面積的1/4。武漢市地貌屬鄂東南丘陵經(jīng)漢江平原東緣向大別山南麓低山丘陵過渡地區(qū)，中間低平，南北丘陵、崗壟環(huán)抱，北部低山林立。

1.2 GNSS數(shù)據(jù)

本文同時(shí)收集了研究區(qū)域內(nèi)的7個(gè)CORS 基準(zhǔn)站2016—2022 年的觀測數(shù)據(jù)，利用GAMIT10.71 軟件對觀測期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了基線解算，解算時(shí)將中國境內(nèi)及周邊的部分IGS 基準(zhǔn)站納入組網(wǎng)解算，基線處理策略如表1所示。獲取基線解文件后，利用GLOBK軟件進(jìn)行平差處理，進(jìn)而獲取各基準(zhǔn)站統(tǒng)一參考框架下的坐標(biāo)。

表1 基線處理策略

1.3 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

本文收集覆蓋武漢地區(qū)的2016 年1 月—2022 年9 月的101 景哨兵一號SAR 數(shù)據(jù)，成像模式為寬幅干涉模式（IW）的單視復(fù)數(shù)（SLC）影像，數(shù)據(jù)的基本信息如表2 所示。本文采用相干點(diǎn)目標(biāo)分析合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（IPTA-InSAR）來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。IPTA 技術(shù)是GAMMA 軟件提出的干涉點(diǎn)目標(biāo)分析技術(shù)，它將覆蓋研究區(qū)的多景SAR影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析得到相位和幅度信息，能夠有效識別建筑，裸露的巖石、人工角反射器等大量的點(diǎn)目標(biāo)[7-8]。本文經(jīng)過公共主影像的優(yōu)化選取、SAR 影像配準(zhǔn)、差分干涉處理、相干點(diǎn)目標(biāo)提取、IPTA相位解纏、大氣相位等殘余相位分離、形變速度場解算等步驟，獲取了基于In-SAR監(jiān)測的武漢市地表沉降信息。

表2 SAR數(shù)據(jù)基本信息

2 結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)域總體變化特征

本文通過IPTA 技術(shù)對哨兵一號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲取了影像覆蓋地區(qū)的形變監(jiān)測速度。整體而言，2016—2021 年研究區(qū)域的地面沉降呈平穩(wěn)態(tài)勢，年均形變速率在-5～5 mm/a 的地面形變點(diǎn)數(shù)量占總地面形變點(diǎn)數(shù)量的98.28%（負(fù)值代表地面沉降、正值代表地面抬升，下同），年均形變速率在-5 mm/a以下的地面形變點(diǎn)數(shù)量占總地面形變點(diǎn)數(shù)量的1.71%，表明監(jiān)測區(qū)存在部分區(qū)域處于地面沉降狀態(tài)。

進(jìn)一步選擇武漢主城區(qū)為研究對象，對城市地面沉降進(jìn)行分析。武漢主城區(qū)分割后得到3 442 256個(gè)點(diǎn)位，其中形變速率在-10 mm/a 到-5 mm/a 的地面形變點(diǎn)數(shù)量占總地面形變點(diǎn)數(shù)量的1.4%；形變速率在-5 mm/a 到0 mm/a 的地面形變點(diǎn)數(shù)量占總地面形變點(diǎn)數(shù)量的33.80%。年均形變速率在0 mm/a以上的地面形變點(diǎn)數(shù)量占總地面形變點(diǎn)數(shù)量的64.39%；年均形變速率在+5 mm/a以上的地面形變點(diǎn)數(shù)量，還存在0.43%的點(diǎn)位形變速率在-10 mm/a以上。表明監(jiān)測區(qū)內(nèi)存在一定數(shù)量的地面沉降趨勢，其中還有少部分區(qū)域沉降趨勢極為明顯。

在監(jiān)測周期內(nèi)，部分地區(qū)沉降量呈逐漸增加的趨勢，沉降量較大的區(qū)域范圍呈逐漸擴(kuò)大并有連成一片的趨勢。截至2021年12月，武漢市主城區(qū)形成3個(gè)較為明顯的沉降中心，即漢口地區(qū)、沙湖北部地區(qū)和白沙洲地區(qū)，而地面抬升的區(qū)域主要分布在武漢市主城區(qū)的東南部和西南部。從沉降空間分布上看，地面沉降速率較高（<-5 mm/a）的區(qū)域主要是長江左岸的漢口地區(qū)和長江右岸的沙湖北部地區(qū)、白沙洲大道附近地區(qū)。其中，漢口地區(qū)的地面沉降速率最高，部分區(qū)域的地面沉降速率超過10 mm/a，沉降明顯區(qū)域連片分布，沉降面積最大。其次是沙湖北地區(qū)，沉降明顯區(qū)域由沙湖北部連綿至長江天興洲段南岸；除部分沉降突出的區(qū)域外，白沙洲地區(qū)的地面沉降速率較漢口地區(qū)和沙湖北部地區(qū)偏低，其分布沉降明顯區(qū)域集聚程度低于漢口地區(qū)和沙湖北部地區(qū)。

2.2 典型沉降區(qū)特征點(diǎn)分析

為了分析地表沉降隨時(shí)間的演變，選取了分布在不同沉降區(qū)的沉降特征點(diǎn)對重點(diǎn)地區(qū)（后湖公園及周邊地區(qū)、洪山區(qū)青菱河路白沙洲農(nóng)副產(chǎn)品大市場、白沙州大道張家灣社區(qū)及周邊地區(qū)、天河機(jī)場、匯豐企業(yè)天地、青山公園、北湖項(xiàng)目部、嚴(yán)東湖、玖通達(dá)物流園、中央水景公園）進(jìn)行分析，具體位置如圖1 中紅色圓點(diǎn)所示，各特征點(diǎn)沉降序列結(jié)果如表3 所示。2016—2017年期間，匯豐企業(yè)、武商、后湖公園累計(jì)沉降量呈穩(wěn)定波動(dòng)；2017—2018 年期間，除青山公園，匯豐企業(yè)園累計(jì)沉降量呈穩(wěn)定波動(dòng)外，其他特征點(diǎn)累計(jì)沉降量呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，其中后湖公園累計(jì)沉降量呈斷崖式下降波動(dòng)趨勢；2018—2020 年期間，所選特征點(diǎn)累計(jì)沉降量呈波動(dòng)下降趨勢，白沙洲市場特征點(diǎn)下降最為嚴(yán)重，在整個(gè)研究期間持續(xù)下沉；2020—2021 年期間，除白沙洲市場特征點(diǎn)、張家灣特征點(diǎn)累計(jì)沉降量呈波動(dòng)下降趨勢外，其他特征點(diǎn)累計(jì)沉降量呈穩(wěn)定波動(dòng)。在2016—2021 年期間，白沙市場特征點(diǎn)下降最為突出，累計(jì)沉降量達(dá)到-160 mm，與其同為洪山區(qū)的張家灣特征點(diǎn)累計(jì)沉降量也達(dá)到-80 mm，兩地的沉降速率分別達(dá)-29.26 mm/a 和-15.28 mm/a?？傮w而言，選擇的沉降區(qū)特征點(diǎn)均具有明顯的下降趨勢，且下降過程伴隨有一定的波動(dòng)特征，其中下沉趨勢在不同年間會(huì)有區(qū)別，2016—2020年間多數(shù)特征點(diǎn)下沉速度較慢，2018年前后開始加速下沉，至2020年下沉速度開始放緩。

表3 特征點(diǎn)位置及沉降信息

地質(zhì)構(gòu)造背景、地下水狀況、地面荷載、地下空間開發(fā)、工程施工等因素均會(huì)對地面沉降產(chǎn)生影響。武漢地區(qū)存在碳酸鹽巖條帶，高危險(xiǎn)區(qū)為第Ⅰ型地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布區(qū)主要位于：白沙洲條帶（L3）和漢南條帶（L6）長江兩岸全新統(tǒng)地層覆蓋區(qū)，粉細(xì)砂直接位于碳酸鹽巖地層之上。本區(qū)約占碳酸鹽巖分布面積的3.6%。由于全新統(tǒng)粉細(xì)砂的凝聚力很小或等于零，很容易在重力和滲透力作用下進(jìn)入下伏的巖溶通道中，從而產(chǎn)生巖溶地面塌陷。初步推測白沙洲大市場、張家灣社區(qū)所發(fā)生的地面沉降與白沙洲條帶（L3）南岸地質(zhì)構(gòu)造碳酸鹽巖條帶有一定的相關(guān)性。

2.3 主城區(qū)地面沉降自相關(guān)與冷熱點(diǎn)分析

利用ArcGIS空間分析工具，對主城區(qū)地面沉降空間集聚特征進(jìn)行分析。武漢市主城區(qū)2016—2021年間地面沉降速率的莫蘭指數(shù)值是0.763 3，通過了顯著性檢驗(yàn)（Z>1.96，P<0.05)?？臻g自相關(guān)分析結(jié)果表明2016—2021年武漢市主城區(qū)地面沉降存在空間正相關(guān)性，空間集聚分布明顯。進(jìn)一步對武漢主城區(qū)地面沉降進(jìn)行冷熱點(diǎn)分析，結(jié)果如圖1所示。

武漢市主城區(qū)地面沉降熱點(diǎn)區(qū)域主要是青山區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)、武昌區(qū)沙湖公園部分區(qū)域。2016—2021年武漢市主城區(qū)地面沉降熱點(diǎn)區(qū)域面積較大，地面沉降呈連片化發(fā)展。漢口區(qū)域的地面沉降熱點(diǎn)區(qū)域遍布漢口城區(qū)，沙湖北部的地面沉降區(qū)域也有連片趨勢，青山區(qū)及江岸區(qū)三環(huán)線地區(qū)沉降明顯增多。同時(shí)在洪山區(qū)白沙洲大道及漢陽四新地區(qū)沉降分布也具有連片化特征。

2.4 InSAR處理成果與GNSS站點(diǎn)結(jié)果的精度評價(jià)

為了對GNSS 和InSAR 兩項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，同時(shí)也為了更好地研究武漢地區(qū)的地表變形特征，本文進(jìn)一步比較了GNSS監(jiān)測點(diǎn)的垂直形變與對應(yīng)InSAR IPT點(diǎn)結(jié)果的一致性，如表4所示。從表中可以看出，所有站點(diǎn)的GNSS與InSAR監(jiān)測結(jié)果的互差均不大于5 mm/a，互差絕對值的平均值為2.35 mm/a，說明兩者整體上具有很好的一致性。

表4 GNSS和InSAR監(jiān)測成果比較/(mm/a)

通過功率譜分析可知，周年和半周年變化是GNSS基準(zhǔn)站主要的周期特征，同時(shí)U方向的振幅要顯著大于水平方向。垂向的周年振幅范圍為1.63（W005）至8.66 mm（W003），振幅平均值4.17 mm；半周年振幅相對較小，振幅范圍為0.64（W001）至1.72 mm（W005），平均振幅1.03 mm；相對于周年振幅而言，半周年振幅僅為周年振幅的25%。南北方向的周年振幅范圍為0.40（W006）至2.36 mm（W002），振幅平均值1.10 mm；半周年振幅相對較小，振幅范圍為0.34（W001）至1.04 mm（W002），平均振幅0.56 mm；半周年振幅為周年振幅的51%，GNSS 基準(zhǔn)站所在地整體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

從GNSS 基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列與InSAR 形變序列的對比可以看出（為了更好地比較2 種監(jiān)測技術(shù)得到形變結(jié)果的區(qū)別，2 種序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理），GNSS 結(jié)果除了反映趨勢項(xiàng)，還能反映出周期性的變化特征，InSAR 相比較而言對于速度變化的結(jié)果可以較好地反映出來，但是周期特征不顯著。

3 結(jié)語

本文利用IPTA 技術(shù)對武漢地區(qū)2016—2021 年間89景哨兵一號SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲取了研究區(qū)域的地面沉降信息，并聯(lián)合GNSS 數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明從沉降空間分布上看，地面沉降速率較高（<-5 mm/a）的區(qū)域主要是長江左岸的漢口地區(qū)和長江右岸的沙湖北部地區(qū)、白沙洲大道附近地區(qū)。通過冷熱點(diǎn)分析可知，武漢市主城區(qū)地面沉降熱點(diǎn)區(qū)域主要是青山區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)、武昌區(qū)沙湖公園部分區(qū)域，2016—2021年武漢市主城區(qū)地面沉降熱點(diǎn)區(qū)域面積較大，地面沉降呈連片化發(fā)展。通過沉降特征點(diǎn)時(shí)間序列變化分析表明，選擇的沉降區(qū)特征點(diǎn)均具有明顯的下降趨勢，且下降過程伴隨有一定的波動(dòng)特征，其中下沉趨勢在不同年間會(huì)有區(qū)別，2016—2020年間多數(shù)特征點(diǎn)下沉速度較慢，2018年前后開始加速下沉，至2020 年下沉速度開始放緩。最后聯(lián)合GNSS監(jiān)測點(diǎn)的垂直形變對InSAR結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，所有站點(diǎn)的GNSS 與InSAR監(jiān)測結(jié)果的互差均不大于5 mm/a，互差絕對值的平均值為2.35 mm/a，說明兩者整體上具有很好的一致性。