利用时序InSAR分析城市地面沉降

张星星

【摘 要】山西太原市清徐县是山西一个地面沉降较严重的区域，城镇化发展和地下水开采是该区域地面沉降发生的一个重要原因。为了监测该地区地面沉降的及其诱因，该文基于哨兵数据，利用短基线集（smallbaselinesubset，SBAS）-InSAR技术对交城-清徐县地面沉降形变特征进行监测;定量分析4处沉降漏斗及其原因。研究表明，城镇化和地下水开采是该区域地面沉降的主要诱因。该研究成果对指导该地区地下水开采及合理城镇化发展并控制地面沉降有一定参考价值。

【关键词】SBAS-InSAR;地面沉降;时空分析

地面沉降包括地陷和地面下沉，指地面的下沉运动或者垂直变形，其特征表现为地下松散地层压缩固结。主要是由自然因素和人类活动引起，进入20世纪以来，近年来我国的地面沉降呈现大面积区域性扩展，其影响范围广、防治难度大、形成之后往往难以恢复。一方面，地面沉降破坏了土地的自然状态，降低了土地的使用价值;另一方面，水平移动和不均匀沉降会破坏地基的稳定性，导致沉降区域内建筑物、工程、水利、交通设施、农田等产生裂缝和扭曲形变，威胁人民生命财产安全，给生产和生活带来很大影响[1]。至2015年底全国有94个市425个区县地面沉降大于10mm/a，沉降面积高达12万平方千米，其中9省24市发生了50mm/a的严重沉降，影响面积达5860平方千米，由此造成的损失更是无法估算[2]。与发达国家相比，我国地面沉降现象发生晚、发展快、缺乏有效控制措施，年沉降速率大[3]。例如我国地面沉降灾害发育最严重的北京平原地区，在1992-2014年间，最大沉降速率由48mm/a增加到152mm/a，沉降面积也由265.41平方千米增加到433.25平方千米。针对地面沉降灾害日趋严重的情况，如何有效监测和控制灾害的发展是十分迫切的工作，且对后续灾害治理具有重要的现实意义[4]。

一、研究区概况

研究区位于山西省清徐县与交城县交界处，地势西北高，东南低，呈西陡向东缓展布，依次分为中低山区、山前洪积扇、倾斜平原和冲击平原，山区和平川分别约占总面积的1/3和2/3;没有明显的丘陵区;土壤分为山地褐土、草甸土两个类型。境内海拔差异较大，山区800米以上，北部最高点庙前山高达1841米，平原780米以下，南部最低点汾河出境口常丰一带仅753米，相对高差1088米。

二、实验结果分析

（一）数据处理与结果

本文收集了覆盖研究区域的29景哨兵数据进行研究区的地面沉降监测，时间跨度为2018-2019年，哨兵数据空间分辨率为520，轨道重访周期为12天，且存档数据丰富，可以很好的应用于地面形变监测。

由于原始数据量较大，处理起来比较繁琐，因此将29景原始哨兵影像数据进行裁剪得到研究区域，选取时间基线阈值为40天和空间基线阈值为160m，共生成100对小基线差分干涉对，得到时空基线连接图;小基线集（SBAS-InSAR）技术是一种在传统InSAR技术的基础上发展起来，通过时间序列对形变进行监测的方法，有效克服了时空失相干以及大气效应的影响，真正做到长时间、高精度、高效率地监测地面沉降。该技术主要包括3个部分：选择主影像并自由组合基线较短的主从影像对;生成不同时间序列的干涉图子集;利用奇异值分解法进行数据反演得到历史形变量。

（二）地面沉降结果分析

研究区2018年4月-2019年3月年地表沉降形变速率。：研究区的沉降范围主要集中在四个区域（图3（b）），分别是P1（夏家营镇），P2（夏家营村），P3（贾兆村），P4（油房堡村），沉降形变速率在-50～-20mm/a（正值表示地表上升，负值表示地表下降）。夏家营镇和夏家营村的沉降范围为-50～-20mm/a，是整个研究区沉降最为严重的地方，年平均沉降速率达到-50mm/a，工业区以及居民小区都集中在该地区，工业用水以及生活用水都需要地下水，地下水开采严重以及地面负荷的增加是夏家营镇沉降漏斗形成的主要原因;油房堡村沉降漏斗位于研究区的东北方向，该区域的年平均沉降速率达到-40mm/a，近年来城镇化发展较为迅速，城市扩张以及城镇化建设是该地区地表沉降的主要原因。贾兆村的年平均沉降速率在-40～-20mm/a之间，处于比较稳定的阶段。

（三）研究區地表沉降时空变化分析

利用时序特征点分析研究区的地表沉降能够较为直观地看出各特征点以及重点区域的沉降时空变化过程，选择四处不同沉降区域进行时序特征分析，结果如下：总体来看研究区域地表沉降不均匀较为明显，贾兆村、夏家营镇和油房堡村沉降相对稳定，最大累积沉降为15mm。夏家营村出现明显的沉降漏斗，最大累积沉降量分别达到22mm。如果长期人为地、大量地开采地下水，会容易导致地下水位下降，从而导致孔隙水压力的降低，土壤层的有效应力会増加，松软土层就会被压缩、产生形变，从而引发地面沉降。另一方面，从中可以看出，研究区地面沉降较为严重夏家营镇和夏家营村的主要分布有一些工厂厂房和住宅区楼房。工业区厂房的存在说明地下水会被大量开采，人为地集中开采地下水这一行为导致了地表发生形变。同时，住宅区的分布则说明高建筑物密度的增加导致了地表表面负荷增加，也会导致地面沉降。因此这可以看出城市化进程也是导致研究区地面沉降的一个原因。研究结果可以看出，夏家营村城区沉降较为明显，出现明显的沉降漏斗，特征点沉降量成逐年增加趋势，研究时段内该区域的最大累积沉降达到22mm;夏家营村沉降区的沉降量随时间变化慢慢增加，该地区城镇化发展较为迅速，工业和生活用水基本来自地下水的开采，过度开采地下水和工业的快速发展是该地区沉降的主要原因。

三、结论

研究采用SBAS-InSAR技术对交城-清徐县交界处的29幅哨兵影像数据进行处理，揭示了研究区2018-2019年的地表沉降时空变化特征，得到如下结论。2018-2019年研究区域内出现明显的不均匀沉降，贾兆村和油房堡村地表沉降相对平稳，平均沉降速率-30～-20mm/a。夏家营镇和夏家营村是研究区区两个最大沉降漏斗，年平均沉降速率分别达到了-50～-20mm/a。研究区地下水的过度开采、地区城镇化建设是研究区区地表沉降的主要因素，同时也是导致该地区地表沉降范围和幅度不断增大的主要原因。将SBAS-InSAR处理结果应用于城市地表沉降的监测能有效防止地表沉降过大导致的各种危害，给我们提前预警做好准备。

【参考文献】

[1]刘国林，张连蓬，成枢，江涛，合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性分析，测绘通报，（2005）10-13.

[2]张玲，全国地面沉降InSAR调查与监测工程进展介绍，国土资源遥感，（2017）91-91.

[3]秦同春，程国明，王海刚，国际地面沉降研究进展的启示，地质通报，37（2018）503-509.

[4]李伟轩，时序InSAR技术的地面沉降监测应用研究，in，西安科技大学，2019.