利用時序InSAR分析城市地面沉降

張星星

【摘 要】山西太原市清徐縣是山西一個地面沉降較嚴重的區域，城鎮化發展和地下水開采是該區域地面沉降發生的一個重要原因。為了監測該地區地面沉降的及其誘因，該文基于哨兵數據，利用短基線集（smallbaselinesubset，SBAS）-InSAR技術對交城-清徐縣地面沉降形變特征進行監測;定量分析4處沉降漏斗及其原因。研究表明，城鎮化和地下水開采是該區域地面沉降的主要誘因。該研究成果對指導該地區地下水開采及合理城鎮化發展并控制地面沉降有一定參考價值。

【關鍵詞】SBAS-InSAR;地面沉降;時空分析

地面沉降包括地陷和地面下沉，指地面的下沉運動或者垂直變形，其特征表現為地下松散地層壓縮固結。主要是由自然因素和人類活動引起，進入20世紀以來，近年來我國的地面沉降呈現大面積區域性擴展，其影響范圍廣、防治難度大、形成之后往往難以恢復。一方面，地面沉降破壞了土地的自然狀態，降低了土地的使用價值;另一方面，水平移動和不均勻沉降會破壞地基的穩定性，導致沉降區域內建筑物、工程、水利、交通設施、農田等產生裂縫和扭曲形變，威脅人民生命財產安全，給生產和生活帶來很大影響[1]。至2015年底全國有94個市425個區縣地面沉降大于10mm/a，沉降面積高達12萬平方千米，其中9省24市發生了50mm/a的嚴重沉降，影響面積達5860平方千米，由此造成的損失更是無法估算[2]。與發達國家相比，我國地面沉降現象發生晚、發展快、缺乏有效控制措施，年沉降速率大[3]。例如我國地面沉降災害發育最嚴重的北京平原地區，在1992-2014年間，最大沉降速率由48mm/a增加到152mm/a，沉降面積也由265.41平方千米增加到433.25平方千米。針對地面沉降災害日趨嚴重的情況，如何有效監測和控制災害的發展是十分迫切的工作，且對后續災害治理具有重要的現實意義[4]。

一、研究區概況

研究區位于山西省清徐縣與交城縣交界處，地勢西北高，東南低，呈西陡向東緩展布，依次分為中低山區、山前洪積扇、傾斜平原和沖擊平原，山區和平川分別約占總面積的1/3和2/3;沒有明顯的丘陵區;土壤分為山地褐土、草甸土兩個類型。境內海拔差異較大，山區800米以上，北部最高點廟前山高達1841米，平原780米以下，南部最低點汾河出境口常豐一帶僅753米，相對高差1088米。

二、實驗結果分析

（一）數據處理與結果

本文收集了覆蓋研究區域的29景哨兵數據進行研究區的地面沉降監測，時間跨度為2018-2019年，哨兵數據空間分辨率為520，軌道重訪周期為12天，且存檔數據豐富，可以很好的應用于地面形變監測。

由于原始數據量較大，處理起來比較繁瑣，因此將29景原始哨兵影像數據進行裁剪得到研究區域，選取時間基線閾值為40天和空間基線閾值為160m，共生成100對小基線差分干涉對，得到時空基線連接圖;小基線集（SBAS-InSAR）技術是一種在傳統InSAR技術的基礎上發展起來，通過時間序列對形變進行監測的方法，有效克服了時空失相干以及大氣效應的影響，真正做到長時間、高精度、高效率地監測地面沉降。該技術主要包括3個部分：選擇主影像并自由組合基線較短的主從影像對;生成不同時間序列的干涉圖子集;利用奇異值分解法進行數據反演得到歷史形變量。

（二）地面沉降結果分析

研究區2018年4月-2019年3月年地表沉降形變速率。：研究區的沉降范圍主要集中在四個區域（圖3（b）），分別是P1（夏家營鎮），P2（夏家營村），P3（賈兆村），P4（油房堡村），沉降形變速率在-50～-20mm/a（正值表示地表上升，負值表示地表下降）。夏家營鎮和夏家營村的沉降范圍為-50～-20mm/a，是整個研究區沉降最為嚴重的地方，年平均沉降速率達到-50mm/a，工業區以及居民小區都集中在該地區，工業用水以及生活用水都需要地下水，地下水開采嚴重以及地面負荷的增加是夏家營鎮沉降漏斗形成的主要原因;油房堡村沉降漏斗位于研究區的東北方向，該區域的年平均沉降速率達到-40mm/a，近年來城鎮化發展較為迅速，城市擴張以及城鎮化建設是該地區地表沉降的主要原因。賈兆村的年平均沉降速率在-40～-20mm/a之間，處于比較穩定的階段。

（三）研究區地表沉降時空變化分析

利用時序特征點分析研究區的地表沉降能夠較為直觀地看出各特征點以及重點區域的沉降時空變化過程，選擇四處不同沉降區域進行時序特征分析，結果如下：總體來看研究區域地表沉降不均勻較為明顯，賈兆村、夏家營鎮和油房堡村沉降相對穩定，最大累積沉降為15mm。夏家營村出現明顯的沉降漏斗，最大累積沉降量分別達到22mm。如果長期人為地、大量地開采地下水，會容易導致地下水位下降，從而導致孔隙水壓力的降低，土壤層的有效應力會増加，松軟土層就會被壓縮、產生形變，從而引發地面沉降。另一方面，從中可以看出，研究區地面沉降較為嚴重夏家營鎮和夏家營村的主要分布有一些工廠廠房和住宅區樓房。工業區廠房的存在說明地下水會被大量開采，人為地集中開采地下水這一行為導致了地表發生形變。同時，住宅區的分布則說明高建筑物密度的增加導致了地表表面負荷增加，也會導致地面沉降。因此這可以看出城市化進程也是導致研究區地面沉降的一個原因。研究結果可以看出，夏家營村城區沉降較為明顯，出現明顯的沉降漏斗，特征點沉降量成逐年增加趨勢，研究時段內該區域的最大累積沉降達到22mm;夏家營村沉降區的沉降量隨時間變化慢慢增加，該地區城鎮化發展較為迅速，工業和生活用水基本來自地下水的開采，過度開采地下水和工業的快速發展是該地區沉降的主要原因。

三、結論

研究采用SBAS-InSAR技術對交城-清徐縣交界處的29幅哨兵影像數據進行處理，揭示了研究區2018-2019年的地表沉降時空變化特征，得到如下結論。2018-2019年研究區域內出現明顯的不均勻沉降，賈兆村和油房堡村地表沉降相對平穩，平均沉降速率-30～-20mm/a。夏家營鎮和夏家營村是研究區區兩個最大沉降漏斗，年平均沉降速率分別達到了-50～-20mm/a。研究區地下水的過度開采、地區城鎮化建設是研究區區地表沉降的主要因素，同時也是導致該地區地表沉降范圍和幅度不斷增大的主要原因。將SBAS-InSAR處理結果應用于城市地表沉降的監測能有效防止地表沉降過大導致的各種危害，給我們提前預警做好準備。

【參考文獻】

[1]劉國林，張連蓬，成樞，江濤，合成孔徑雷達干涉測量與全球定位系統數據融合監測礦區地表沉降的可行性分析，測繪通報，（2005）10-13.

[2]張玲，全國地面沉降InSAR調查與監測工程進展介紹，國土資源遙感，（2017）91-91.

[3]秦同春，程國明，王海剛，國際地面沉降研究進展的啟示，地質通報，37（2018）503-509.

[4]李偉軒，時序InSAR技術的地面沉降監測應用研究，in，西安科技大學，2019.