基于InSAR技術(shù)的蓬江區(qū)地面沉降成因分析

摘 要：【目的】探索遙感技術(shù)應(yīng)用于地面沉降災(zāi)害的流程模式和有效性，解譯識別出蓬江區(qū)軟土區(qū)內(nèi)多處活動性或非活動性地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，以便對該區(qū)域進行地質(zhì)災(zāi)害的早期識別?！痉椒ā坷枚鄷r相關(guān)學(xué)遙感影像和合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）影像，綜合采用目視解譯InSAR技術(shù)對蓬江區(qū)，尤其是蓬江區(qū)東南部軟土區(qū)域地表形變進行時序監(jiān)測?！窘Y(jié)果】獲取了蓬江區(qū)軟土區(qū)近5年的地表形變，最大累積沉降量達(dá)到了30～48 mm/yr，分析了該區(qū)域地面沉降時空演化特征。【結(jié)論】研究結(jié)果可為該區(qū)域災(zāi)害鏈的監(jiān)測評估提供技術(shù)支撐，對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害識別及災(zāi)害空間分布特征研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：InSAR技術(shù)；地面沉降；分布特征

中圖分類號：U416.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0093-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.019

Analysis of the Causes of Ground Subsidence in Pengjiang District Based on InSAR Technology

ZHOU Zhitao

（Guangdong Provincial Geophysical Exploration Brigade， Guangzhou 510800， China）

Abstract： [Purposes] This paper explores the process model and effectiveness of remote sensing technology applied to land subsidence disasters， and interprets and identifies multiple active or inactive geological disaster areas in the soft soil area of Pengjiang District， so as to identify early geological disasters in this area. [Methods] Using multi-temporal correlation remote sensing images and Synthetic Aperture Radar （ SAR ） images， the surface deformation of Pengjiang District， especially the southeastern soft soil area of Pengjiang District， was monitored by visual interpretation of InSAR technology. [Findings] The surface deformation of the soft soil area in Pengjiang District in recent years was obtained， and the maximum cumulative settlement reached 30～48 mm/yr. The spatiotemporal evolution characteristics of ground settlement in this area were analyzed.[Conclusions] The research results can provide technical support for the monitoring and evaluation of the disaster chain in the region， and are of great significance for the identification of local geological disasters and the study of the spatial distribution characteristics of disasters.

Keywords： InSAR technology; ground subsidence; distribution characteristics

0 引言

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感衛(wèi)星不斷增多，地面分辨率不斷提高，歷史存檔遙感數(shù)據(jù)不斷豐富，衛(wèi)星光學(xué)遙感成為地質(zhì)災(zāi)害識別最常用的方法之一［1］。合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)具有大覆蓋、全天時、全天候成像等特點且對地表形變高度敏感［2］，不僅可以獲取厘米到毫米的地表形變，還可以克服現(xiàn)場勘測與監(jiān)測困難，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與識別中發(fā)揮了重要作用。

為探究遙感技術(shù)應(yīng)用于地面沉降災(zāi)害的流程模式和有效性，更好地進行地質(zhì)災(zāi)害的早期識別，本研究以蓬江區(qū)全域范圍為研究對象，利用多時相關(guān)學(xué)遙感影像和合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）影像，綜合采用目視解譯InSAR技術(shù)對蓬江區(qū)全區(qū)尤其是蓬江區(qū)東南部軟土區(qū)域地表形變進行了時序監(jiān)測，分析該區(qū)域地面沉降時空演化特征，為災(zāi)害鏈的監(jiān)測評估提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蓬江區(qū)東南部白沙街道、環(huán)市街道沿江一帶、潮連街道，荷塘鎮(zhèn)存在大面積軟土層，收集整理以往勘察資料可知，淤泥層較厚的地方分布在棠下鎮(zhèn)—環(huán)市街道—白沙街道東部一帶，地貌類型屬沖積平原。淤泥多呈單層結(jié)構(gòu)，頂部常發(fā)育“硬殼層”，收集分析鉆孔軟土（包含淤泥及淤泥質(zhì)土）厚度0.7～21.8 m，呈軟～流塑狀。在蓬江區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查工作中曾發(fā)現(xiàn)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害隱患現(xiàn)象4處，由于規(guī)模較小未納入在冊地質(zhì)災(zāi)害點。以往調(diào)查成果足以說明該區(qū)域存在發(fā)育地面沉降地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的風(fēng)險。本研究選用覆蓋蓬江地區(qū)的Sentinel-1雷達(dá)影像數(shù)據(jù)對地面沉降開展精細(xì)探測，影像覆蓋區(qū)域如圖1所示。

2 InSAR數(shù)據(jù)與處理

2.1 InSAR數(shù)據(jù)來源

通過收集2017年1月至2022年7月期間的覆蓋蓬江區(qū)166景Sentinel-1單視復(fù)數(shù)（Single Look complex，SLC）SAR影像，對研究區(qū)域進行時序InSAR地表形變監(jiān)測，揭示近年來這3個重點區(qū)域的地表沉降狀況。采用的SAR影像成像模式為IW，IW模式因具有大范圍覆蓋和中等分辨率等特征，成為陸地覆蓋的默認(rèn)模式。

2.2 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

本研究利用一種改進的時序InSAR新技術(shù)對2017年1月至2022年7月期間覆蓋蓬江區(qū)范圍的Sentinel-1數(shù)據(jù)進行處理。得到研究區(qū)域內(nèi)的精細(xì)形變速率和時序形變結(jié)果。該技術(shù)結(jié)合PS-InSAR技術(shù)和SBAS-InSAR技術(shù)的優(yōu)點，對選中的密集干涉點進行處理。通過干涉相位和垂直基線的線性回歸求取高程殘差，通過干涉相位和時間的線性回歸求取線性形變速率，通過濾波去除噪聲獲取大氣延遲相位。最終將大氣延遲相位、形變相位和高程殘差進行分離，利用模型解算時序形變［3］。這一技術(shù)對干涉點的要求并不苛刻，即使在山區(qū)也能選取足夠多的干涉點，是進行地面沉降等災(zāi)害監(jiān)測的有效方法［4］。

2.3 InSAR數(shù)據(jù)處理流程

在項目實施過程中，基于最大限度精細(xì)處理的原則，采用距離向和方位向5∶1的多視視數(shù)進行精細(xì)化處理，獲取所有區(qū)高分辨率監(jiān)測成果。

2.3.1 差分干涉。首先對配準(zhǔn)后的SLC進行差分干涉處理，其次對干涉圖進行濾波和相位解纏。

2.3.2 去除地形殘差與大氣誤差。由于后續(xù)處理是對點目標(biāo)進行處理，因此，需要將差分干涉解纏圖、模擬的DEM和SLC等文件轉(zhuǎn)換成點文件，并利用式（1）去除其中的軌道誤差。

[Rorbit=bo+b1x+b2y+b3xy+b4x2+b5y2] （1）

式中：x、y表示軌道上的坐標(biāo)；b0、b1、b2、b3、b4、b5表示軌道的模型參數(shù)。

去除軌道誤差后對點形式的干涉對進行濾波，然后利用線性回歸模型估計高程殘差［5］。為獲取準(zhǔn)確的大氣延遲誤差，首先需要去除殘余相位中與地形相關(guān)的大氣誤差，其次對殘余相位進行空間濾波去除其中的噪聲，最后剩下的便是大氣相位（非與地形相關(guān)），為獲得更好的結(jié)果，需要進行多次線性回歸去除誤差。

2.3.3 形變序列求解。由于分離出的大氣延遲相位有誤差，需將其加回已去除地形殘差的干涉圖中，根據(jù)不同的解算模型，利用奇異值分解法求解每個點的形變序列和形變速率，并按行政區(qū)域提取出監(jiān)測范圍內(nèi)的干涉點，最后利用GMT軟件對形變結(jié)果進行制圖。

3 形變結(jié)果與分析

結(jié)合研究區(qū)域2017年1月至2022年7月共5個監(jiān)測年份內(nèi)的年平均地表沉降速率情況，以及獲取的形變結(jié)果，蓬江區(qū)大部分區(qū)域趨于穩(wěn)定，地表形變量級較小，少部分區(qū)域存在較為明顯的地表形變，根據(jù)地表變形量的大小圈定4個重點監(jiān)測區(qū)域（P1、P2、P3、P4），如圖2所示。結(jié)合實地調(diào)查及收集的以往勘查資料分析，InSAR形變與光學(xué)解譯結(jié)果分析如下。

區(qū)域P1位于棠下鎮(zhèn)東部盛華路以北，濱江大道以西，大林村以南的區(qū)域。從InSAR監(jiān)測的結(jié)果來看，這部分區(qū)域內(nèi)形變量級較大，整體年平均形變速率達(dá)到了48 mm/yr，面積為4.18 km2。根據(jù)以往勘查資料，該區(qū)域軟土層厚度大于15 m，為蓬江區(qū)軟土厚度最大的區(qū)域之一。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，2018年以前該區(qū)域主要是植被覆蓋區(qū)域和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，伴有少量的居民房屋，近兩年來該區(qū)域進行了大量工程建設(shè)，現(xiàn)建設(shè)有碧桂園濱江灣、越秀星匯、保利悅公館等房地產(chǎn)樓盤。沉降中心區(qū)域直接因素為人類工程建設(shè)活動。

區(qū)域P2位于潮連沙灘公園附近，該公園是沖積形成的三角洲，其淺層地質(zhì)情況以淤泥為主，軟土層厚度為5～10 m。從InSAR監(jiān)測的結(jié)果來看，該地區(qū)最大沉降量達(dá)到了30 mm/yr，面積為0.97 km2，沉降較為明顯。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，該區(qū)域為潮連沙灘公園所在。潮連沙灘公園天然沿江拓展而成，園內(nèi)有沙灘樂園、綠道、洪圣公園等景點，是江門獨特的風(fēng)景。該地區(qū)修建了公園、廣場、垃圾壓縮站等土木工程，造成了軟土地區(qū)的地表沉降。

區(qū)域P3位于潮連街道西南部，區(qū)域內(nèi)為小梅河濕地公園、潮尾公園。地貌特征屬于河流沖積形成的三角洲，從InSAR監(jiān)測的結(jié)果來看，該地區(qū)最大沉降量達(dá)到了30 mm/yr，面積為1.56 km2，根據(jù)以往勘察資料，該區(qū)域內(nèi)軟土厚度大于15 m。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，造成該區(qū)域地面沉降的主要因素為人類工程活動，近兩年對潮尾公園的開發(fā)建設(shè)，造成該區(qū)域地表變形較為明顯，對InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定的干擾。此外，造成該地區(qū)沉降的原因可能還與地面載重因素有關(guān)。小梅河濕地公園附近有大量的建筑物和高架橋，佛江高速公路也橫跨該區(qū)域。

區(qū)域P4位于江海輕軌站附近，該地區(qū)沉降較為明顯，最大累積沉降量達(dá)到了40 mm/yr，面積為2.63 km2。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，P4沉降區(qū)內(nèi)大面積為水塘、旱地，僅北部為江門中港英文學(xué)校及奕聰花園小區(qū)，現(xiàn)場地面沉降跡象不明顯。地面沉降與周邊地鐵工程、房屋建設(shè)等人類工程活動相關(guān)，地鐵工程一般為淺埋隧道且該地區(qū)地質(zhì)多為軟土、淤泥殘積土，地鐵軌道圍繞著城市的中心地帶而建，地下有大量的線路和管道，在盾構(gòu)機施工的過程中，容易造成一定的地表沉降。

4 地面沉降成因分析

地面沉降的形成與地質(zhì)條件、人類工程活動等因素密切相關(guān)，具體分析如下。

4.1 地質(zhì)條件

人工填土：新近填土在未完成自然重壓固結(jié)之前，土體結(jié)構(gòu)松散，密實度不均勻，若未進行壓密處理，容易導(dǎo)致地面沉降。

軟弱土：蓬江區(qū)軟弱土（包含淤泥及淤泥質(zhì)土）主要分布在東部沖積平原地帶，分布范圍較廣，厚度較大，埋藏較淺，工程性質(zhì)差，在外荷載作用下易產(chǎn)生沉陷和剪切變形。蓬江區(qū)軟土厚度多數(shù)在10～15 m，濱江新區(qū)、潮連街道南局部有大于15 m厚度軟土分布。

飽和砂土：地面沉降伴隨著地下水位下降而發(fā)生，在水位下降或上部荷載作用下，砂類土易發(fā)生局部流失、壓密固結(jié)變形、差異性沉降，從而引起地基變形。

4.2 人類工程活動

道路建設(shè)、建筑物建造的動靜荷載。因城市道路建設(shè)、建筑物建造施工的直接影響，機器堆載擾動高壓縮性土體，造成土體固結(jié)沉降，導(dǎo)致路面不均勻沉降，建筑物越密集，地面沉降越明顯。

地下水開采。地面沉降與地下水位下降區(qū)在空間分布和時間上基本對應(yīng)，過量的地下水開采容易導(dǎo)致水位下降，從而引發(fā)地面沉降。

4.3 工程施工

主要包括基坑開挖、地下管道和隧道建設(shè)等。在工程施工的過程中，大量的土方的開挖，容易導(dǎo)致土體變形，土層間孔隙水的排出，隨著時間的推移容易出現(xiàn)變形、坍塌等現(xiàn)象，進而導(dǎo)致地面沉降。

5 結(jié)語

本研究利用InSAR技術(shù)對蓬江區(qū)全區(qū)重點是蓬江區(qū)東南部軟土區(qū)域近年的地表形變進行了監(jiān)測，結(jié)果表明蓬江區(qū)存在多處地面沉降地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，最大累積沉降量達(dá)到了30～48 mm/yr。同時分析了該區(qū)域地面沉降的成因，可為進行地質(zhì)災(zāi)害的早期識別，探索遙感技術(shù)應(yīng)用于地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測提供參考。

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