基于DS-InSAR 技術(shù)的西寧市地表沉降監(jiān)測

徐秀杰，陳 冬

（1.莆田學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.莆田市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，福建莆田351100）

隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速， 越來越多的超高層建筑及大型工程建設(shè)項目不斷涌現(xiàn)，城市地面沉降災(zāi)害頻頻發(fā)生，給人們的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對城市未來的經(jīng)濟發(fā)展、工程建設(shè)、交通、生活等多方面都產(chǎn)生嚴(yán)重影響［1］。 地表沉降誘發(fā)因素較多，其中地表荷載是城市變形沉降的一個主要因素。 傳統(tǒng)的測量技術(shù)監(jiān)測效率低、成本高、工作任務(wù)繁重，難以實現(xiàn)大范圍、高密度、長時間的動態(tài)地面變形監(jiān)測。 而采用InSAR （Interfermetric Synthetic Aperture Radar） 空間對地觀測技術(shù)不僅能夠?qū)Υ蠓秶乇磉M(jìn)行形變監(jiān)測， 而且具有較高的時間分辨率和觀測精度［2］，因此被廣泛應(yīng)用在城市變形監(jiān)測中［3］。

西寧市的巖土類型主要是黃土、泥巖、砂巖、石膏巖等松散的礫石土。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，作為青藏高原向內(nèi)陸擴張的前緣部分，構(gòu)造活動劇烈，地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生， 這些特點使西寧市成為我國地質(zhì)災(zāi)害隱患較嚴(yán)重的省會城市。 近年來， 有很多學(xué)者利用InSAR、GNSS 等地面沉降監(jiān)測技術(shù)對西寧市地表進(jìn)行沉降監(jiān)測。王新玲等［4］采用DS-InSAR 技術(shù)對鄆城礦區(qū)地表進(jìn)行沉降監(jiān)測，確定了主要形變地區(qū)和形變程度。王星等［5］采用DS-InSAR 技術(shù)對曹妃甸沿海地區(qū)的地表進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，得到了該區(qū)域地表形變情況。 曾學(xué)宏等［6］采用SBAS-InSAR 技術(shù)基于Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)對2017 年4 月至2021 年2 月的西寧市城市地表進(jìn)行沉降監(jiān)測，并分析其沉降驅(qū)動因素。本文基于西寧市2020 年9 月至2022 年8 月的58 景Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)， 采用DS-InSAR 技術(shù)對西寧市的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，并對重點沉降地區(qū)進(jìn)行沉降成因分析。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

西寧市地處青海省東北部，地理坐標(biāo)為經(jīng)度101°20′00″-102°00′00″E 和緯度36°20′00″-31°00′00″N。呈東西向條帶形狀，地勢呈現(xiàn)西南較高、東北較低的形態(tài)。 四周群山環(huán)繞，氣候較干旱，年平均降水量約為380 mm，巖土類型主要有黃土、泥巖、砂巖、石膏巖等。 本文研究區(qū)域主要以西寧市市區(qū)為主， 包含城北區(qū)、城東區(qū)、城西區(qū)、湟中區(qū)和城中區(qū)，研究區(qū)域分布如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)源

本文采用2020 年9 月—2022 年8 月西寧市5 個城區(qū)共58 景的Sentinel-1A 數(shù)據(jù)進(jìn)行西寧市地表沉降變形監(jiān)測，Sentinel-1A 數(shù)據(jù)來源于歐空局（ESA）發(fā)布的衛(wèi)星升軌數(shù)據(jù)，所采用的Sentinel-1A 影像的極化方式為VV+VH，數(shù)據(jù)的成像模式為IW，空間分辨率為方位向13.97 m 和距離向2.32 m，數(shù)據(jù)類型為SCL，影像入射角為33.7°，重訪周期為12 天，數(shù)字高程模型采用美國國家航空航天局提供的SRTM DEM 數(shù)據(jù)， 分辨率為30 m［7］。 影像具體參數(shù)如表1 所示。

表1 研究區(qū)域影像參數(shù)

2 研究方法

針對西寧市2020 年9 月—2022 年8 月的58 景影像數(shù)據(jù)采用DS-InSAR 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 其主要處理流程如下：

（1）將歐空局（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載的Sentinel-1A 58 景影像依據(jù)擬定的研究區(qū)域進(jìn)行裁剪，并選取2021 年9 月7 日的影像為主影像，組成58 幅時間序列差分干涉像對。

（2）將時間基線閾值設(shè)置為36 d，空間基線閾值設(shè)置為200 m,對影像進(jìn)行差分干涉處理，得到158 對小基線差分干涉集， 其基線分布如圖2所示。

圖2 DS-InSAR 基線分布

（3） 對強度影像采用FaSHPS 方法進(jìn)行同質(zhì)點的識別，選取DS 候選點，利用相干矩陣分解法做相位優(yōu)化［8-9］，則分布式目標(biāo)的相干性矩陣可表示為，即

式中：向量y是N 景SAR 影像的分布式目標(biāo)同質(zhì)點通過復(fù)數(shù)觀測向量振幅歸一化處理獲得的向量y=[y1,y2, …,y]；NSHPS為分布式目標(biāo)同質(zhì)點的數(shù)目；H 為厄密特共軛轉(zhuǎn)置［10］。 將式（1）進(jìn)行特征值分解可得

（4）利用30 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)去除平地相位，然后采用自適應(yīng)干涉相位方法進(jìn)行濾波， 并進(jìn)行相位解纏和相干性計算。

（5）相位解纏處理，并對殘余的變形及殘余相位進(jìn)行剔除處理。

（6）進(jìn)行地理編碼，獲取研究區(qū)域的地表時序形變結(jié)果。

依據(jù)圖3 所示的處理流程， 將研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)采用DS-InSAR 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并提取西寧市地表沉降時序信息，共選取了1 904 163個相干點。將DSInSAR 技術(shù)獲取的西寧市地表年平均沉降量去除殘余地表形變和殘余變形信息， 分析地表的時序沉降序列的沉降規(guī)律。

圖3 DS-InSAR 處理流程

3 西寧市地表沉降結(jié)果及驅(qū)動因素分析

3.1 DS-InSAR 時序監(jiān)測結(jié)果

西寧市沉降變形區(qū)域主要集中在高速、大型廠房附近，為了更直觀、準(zhǔn)確分析研究區(qū)域內(nèi)的地表沉降情況， 在該研究區(qū)域內(nèi)選取A、B、C、D 4 個特征區(qū)域進(jìn)行研究分析。 如圖4 所示，A 區(qū)域特征點位于西寧繞城高速附近，B 區(qū)域特征點位于京藏高速附近，C區(qū)域特征點位于西塔高速公路附近，D 區(qū)特征點位于西寧南繞城高速附近。

圖4 西寧市地表沉降速率與特征點分布

其主要沉降區(qū)域分布在市區(qū)周邊高速公路附近，城區(qū)沉降主要體現(xiàn)在國際街社區(qū)、大眾街社區(qū)及西寧市生產(chǎn)力促進(jìn)中心附近，沉降速率大部分為10～19 mm/a，最大沉降速率為大眾街社區(qū)鳳凰山路附近， 達(dá)到30 mm/a。 市區(qū)周邊西寧南繞城高速附近沉降范圍較大，最大沉降速率達(dá)到62 mm/a，大部分區(qū)域沉降速率達(dá)到20～40 mm/a。 城北區(qū)地表沉降變形范圍較小，主要變形區(qū)域集中在京藏高速附近，最大沉降速率為52 mm/a。 城西區(qū)變形較多，主要變形區(qū)域為西寧市繞城高速與西塔高速交接區(qū)域，沉降速率最大值為47 mm/a，此外，該區(qū)域火燒溝附近整體形變速率為20～30 mm/a。 城中區(qū)有兩處明顯變形區(qū)域， 其中西塔高速附近最大沉降速率為41 mm/a。

3.2 西寧市地表沉降結(jié)果分析

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)， 繪制4 個特征區(qū)域沉降與高清影像疊加圖（圖5）。 由圖5 可知，A 區(qū)位于西寧南繞城高速沈家溝附近， 由于該區(qū)附近有磚廠及倉儲公司，導(dǎo)致地表荷載較大，加之特殊的濕陷性黃土地質(zhì)條件，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生沉降，地表沉降平均速率最大達(dá)47 mm/a，沉降區(qū)域正上方建有停車場， 該處沉降具有線性下降的趨勢。B 區(qū)位于京藏高速旁的崖溝處，崖溝附近為階梯田，且地質(zhì)為濕陷性黃土，農(nóng)田灌溉及特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)沉降的情況， 其沉降平均速率達(dá)到52 mm/a，存在滑坡的潛在危險；其地理位置位于京藏高速旁，其下方為馬坊鎮(zhèn)，正處于人口密集的住宅區(qū)。C 區(qū)位于西塔高速附近，該沉降區(qū)位于階梯田上。D區(qū)位于西寧南繞城高速附近， 該區(qū)域市區(qū)地面有明顯沉降，主要沉降位置位于鳳凰山路附近，主要因素為該路段道路工程施工建設(shè)產(chǎn)生的附加荷載及土體自重等導(dǎo)致濕陷性黃土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞；此外，該區(qū)域和盛園、和盛路段附近也有明顯沉降，其沉降可能是盛園三期134 號樓附近2021 年新增建筑項目，建筑荷載增加和相應(yīng)工程基坑開挖及工程降水措施導(dǎo)致地表土體原始結(jié)構(gòu)遭到破壞， 引起周圍建筑物產(chǎn)生不均勻沉降及相應(yīng)的地表沉降效應(yīng)。

圖5 形變區(qū)域與高清影像疊加圖

4 結(jié)論

本文采用DS-InSAR 技術(shù)對2020 年9 月至2022年8 月覆蓋青海省西寧市的58 景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)進(jìn)行形變監(jiān)測處理， 獲取了西寧市研究時段內(nèi)的地表沉降年平均變化率及其變化特征， 并對重點沉降區(qū)域進(jìn)行成因分析，得出以下結(jié)論。

（1）西寧市地表沉降特征明顯，研究區(qū)域范圍內(nèi)主要存在4 處變形較大的區(qū)域， 城東區(qū)西寧南繞城高速附近最大沉降速率為62 mm/a， 其他區(qū)域形變大部分沉降率為16～46 mm/a，且存在持續(xù)沉降變形趨勢。西寧市地表變形區(qū)域位于高速公路、火車站及居民區(qū)較近。

（2）結(jié)合地質(zhì)信息及地表荷載分布變化可知，西寧市地表沉降主要與其地表濕陷性黃土土層遇水后土壤結(jié)構(gòu)迅速遭到破壞有關(guān)，此外，西寧市地表沉降與西寧市各種土建工程也有很大的關(guān)系， 尤其是與高速公路建設(shè)、大型工業(yè)園及廠房等大型工程建設(shè)有關(guān)。