南京市江北新區中央商務區地面沉降監測分析

徐慧文，孫靜雯，徐良興，朱堅，張琪

（1.南京江北新區建設和交通工程質量安全監督站，南京 211899；2.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

地面沉降是地面受地表荷載、地下水位下降及地質構造等因素的影響發生下沉的現象，是一種變化緩慢、大面積的持續性地質災害[1-2]。 傳統的地面沉降監測方法有水準測量和GNSS測量，這些方法監測成本高且效率低、時空采樣率差，易受環境限制，難以快速實現大面積的地面高精度監測[3-4]。 因此，單純依賴上述這些方法采集的數據在時間和空間上都具有一定的局限性，獲得的沉降數據也不完整，往往只能得到一些離散點目標上的相對沉降量， 難以滿足大范圍的整體和實時形變監測需求。 相比以上傳統地面沉降監測方法，合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一種全新的對地觀測技術， 它使用兩幅或多幅合成孔徑雷達影像圖，根據衛星接收的回波相位差生成地表形變圖，以探取地表的微小形變信息[5]。 InSAR 技術不僅周期短、精度高，還能全天時、全天候地對大范圍的地表形變進行監測，極大地彌補了傳統監測手段的不足[6]。

本文以南京市江北新區中央商務區為研究區， 收集了2022 年5 月～2023 年3 月的22 景升軌Sentinel-1A 數據，采用小基線集雷達干涉 （Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR）技術，提取了研究區的地面沉降監測數據，使用同期水準數據驗證精度，并進一步分析了地面沉降時空特征， 監測結果可為地面沉降災害預防提供數據支持。

2 研究區概況與數據源

2.1 研究區概況

南京市江北新區位于長江以北，包括浦口區、六合區部分區域和棲霞區八卦洲街道， 是2015 年6 月27 日由國務院批復設立的第13 個國家級新區， 也是江蘇省唯一的國家級新區。 江北新區為南京新一輪規劃熱點地區，正在大規模開展地鐵建設，涉及江北新區核心區域的有南京地鐵4 號線和11 號線。 地鐵建設主要集中在長江漫灘區域，容易誘發地面沉降等地質災害，因此，需要對該區域的地面沉降進行重點監測。 本文選擇地面沉降較為嚴重的江北新區中央商務區作為研究區，研究區范圍如圖1 所示。 該區域為長江漫灘沖積平原區，地形平坦， 地面高程5～8 m； 近地表廣泛分布淤泥質粉質黏土、粉土、粉細砂等，普遍厚度在30～60 m；地下水包括孔隙潛水和孔隙承壓水。

圖1 研究區范圍

2.2 數據源

本文采用的主要數據源為22 景2022 年5 月25 日～2023年3 月9 日升軌Sentinel-1A 衛星影像，極化方式“VV”，成像模式“IW”。 Sentinel-1A 衛星于2014 年4 月3 日發射升空，是歐洲空間局哥白尼計劃發射的首顆環境監測衛星， 采用12 d的重訪周期進行全球成像，提供干涉寬幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）、條帶模式（Strip Map Mode，SM）、超幅寬模式（Extra-Wide Swath Mode，EWS）以及波模 式（Wave，WV）4 種工作模式， 影像距離向×方位向分辨率為5 m×20 m， 波長約5.6 cm， 入射角約44°。 輔助數據包括30 m 分辨率的SRTM DEM 數據及精密軌道文件。 數據采用的平面坐標系為WGS 84 大地坐標系（通用橫軸墨卡托投影，6°分帶，中央子午線為117°）；高程基準為1985 國家高程基準。

3 研究方法

首先，根據Sentinel-1A 數據相干性變化特征，設定合適時空基線閾值組合基線，獲取質量較高的差分干涉數據集合，并結合外部DEM 以及衛星軌道信息去除地形相位及平地相位，并對差分相位進行相位解纏。然后，從影像中提取可靠的相干點，根據其相位信息進行迭代回歸分析，分離出的高程改正和殘差都能達到可以接受的程度，對高程改正后的相位圖進行空間低通濾波分離出大氣相位， 對殘差相位進行空間高通濾波，以分解出形變相位，并與優化后的解纏相位疊加，得到最優形變相位值。 最后，利用奇異值分解方法求解出各個時間段內的形變序列及形變速率。

4 結果與分析

4.1 精度驗證

為驗證InSAR 監測結果的可靠性， 采用水準測量值進行精度驗證。 選用研究區8 個地面水準測量基準點，選取每個基準點最鄰近InSAR 地面監測點作為對應InSAR 監測結果。 對比分析2022 年6～12 月實測水準數據與InSAR 沉降監測數據，總體上呈現了較好的一致性。計算每個水準點的InSAR 監測結果和水準測量誤差，最大誤差絕對值為4.8 mm，最小誤差絕對值為0.3 mm，平均誤差為2.5 mm。 說明基于InSAR 技術監測結果的準確性較好， 獲取的中央商務區地面沉降量具有較高的精度和可靠性。

4.2 地面沉降時空特征分析

4.2.1 地面沉降空間特征分析

利用時序InSAR 技術對研究區Sentinel-1A 數據進行處理，得到地面沉降速率圖（見圖2）。 本研究區總面積27.7 km2，共識別出22 269 個地面點，監測點密度約803 個/km2。監測結果顯示，研究區沉降特征較為明顯，最大沉降速率達114 mm/a，其中， 約75%的監測點地面沉降速率大于10 mm/a，57%的監測點地面沉降速率大于20 mm/a，37%的監測點地面沉降速率大于30 mm/a，22%的監測點地面沉降速率大于40 mm/a，6%的監測點地面沉降速率大于60 mm/a。地面沉降嚴重區主要分布在中央商務區中部、北部和東部，分別集中在南京國際警官交流中心、南京鐵道職業技術學院（浦口校區）—東南門和橫江大道—廣西梗大街十字路口周邊。

圖2 研究區地面沉降速率圖

4.2.2 地面沉降時間特征分析

以2022 年5 月25 日為起始日期，2023 年3 月9 日為截止日期， 選取6 個時間點的地面沉降速率來分析地面沉降時間演化過程。分析發現，2022 年5～12 月，研究區地面沉降面積明顯增加， 地面沉降速率在20～40 mm/a 的區域增加尤為顯著；2022 年12 月～2023 年3 月， 研究區地面沉降分布總面積持續增加，且局部區域地面沉降速率加快，沉降速率最大可達114 mm/a。 從地面沉降時間演化過程可看出，研究區內地面沉降總面積呈現出先增加后趨于穩定的現象； 但局部地區地面沉降速率持續加快，說明該地區存在嚴重的差異沉降，人為施工等因素可能是差異沉降的主要原因。

4.2.3 重點監測點分析

為了更好地分析研究區地面沉降時空演化特征， 結合光學影像和地面沉降速率圖， 選取3 個沉降嚴重的重點監測點P1、P2、P3，具體位置見表1，對其進行時序沉降分析，得到了2022 年5 月25 日～2023 年3 月9 日隨時間變化的累積沉降量折線圖（見圖3）。

圖3 重點監測點累積沉降量折線圖

分析可知， 在監測期間，3 個重點監測點累積沉降量以不同的沉降速率呈現出逐年增加的趨勢，其中，P2 在監測時間段內沉降最為嚴重，累積沉降量約為98 mm；P1 在監測時段內累積沉降量最小，約為71 mm。

5 結論

本文采用SBAS-InSAR 技術及Sentinel-1A 衛星影像，對2022 年5 月～2023 年3 月覆蓋南京市江北新區中央商務區的22 景升軌Sentinel-1A 影像數據進行沉降監測分析，獲得了中央商務區的地面沉降速率， 分析了中央商務區地面沉降時空演變特征，結論如下。

1）沉降嚴重區主要集中在南京國際警官交流中心、南京鐵道職業技術學院和橫江大道-廣西梗大街十字路口。 其中，37%的監測點地面沉降速率大于30 mm/a，22%的監測點地面沉降速率大于40 mm/a，6%的監測點地面沉降速率大于60 mm/a。

2）在監測期間，研究區沉降分布基本處于穩定狀態，但局部差異沉降顯著，沉降速率最大可達114 mm/a。

3）重點監測點沉降量隨時間增加而增加，且基本呈線性關系。 預測局部區域地面沉降量將在未來一段時間內持續增加，并且差異沉降現象將繼續加重，有必要對該區域進行持續的地面沉降監測。