基于PS-InSAR技术的南宁地表沉降监测与分析

代志宏 卢 鹏 张志芳 汪晓龙 许 国 董建明

1 广西财经学院管理科学与工程学院, 南宁市明秀西路100号,530022 2 南宁市勘察测绘地理信息院有限公司, 南宁市茶花园路31-1号, 530022

地表沉降是由于自然因素或人类工程活动引发地下松散岩层固结压缩，并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象，是一种缓变性地质灾害[1]。南宁市属于地质灾害易发区，近年来，南宁市城区内地表沉降引起的塌陷、房屋拉裂及倾斜等地质灾害事故频繁发生，但一半以上灾害并不在已排查出的隐患范围内，因此还存在大量的隐蔽性灾害亟待发现。

地质灾害隐患点往往位于具有明显地表变形迹象的区域，若对地表变形实时监测，即可实现对灾害隐患点的全面识别和预警[2]。传统的监测方法，如水准测量、GNSS测量、分层标记测量等，可以获取监测点的时间分辨率和形变信息，但劳动强度大，作业效率偏低，无法获得大区域的沉降信息[3]。近年来兴起的合成孔径雷达干涉测量技术(synthetic aperture radar interferometry, InSAR)，克服了传统监测技术的局限性，具有监测精度高、范围广、空间分辨率高等特点[4]，现已在地表形变监测领域广泛应用，如城市地表沉降[5]、火山运动[6]、地震位移[7]、滑坡[8]等的监测。但常规的InSAR易受空间和时间失相干以及大气延迟效应的影响，对外部DEM的精度误差、系统热噪声太过敏感，难以完成高精度的长时间间隔地表监测[4]。针对以上问题，Ferretti等[9]提出永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(permanent scatters interferometric synthetic aperture radar, PS-InSAR)，仅对影像集中长时间保持高相干的目标点进行相位分析，其监测精度可达mm级[9]。

本文采用PS-InSAR技术对南宁市2013～2016年的地表形变进行监测，通过分析获取其地面形变特征和规律；进而对沉降突变区域开展实地调查，核实和评估该区域地质灾害潜在风险性，判别PS-InSAR技术监测地表沉降及定位灾害隐患点的可行性；最后结合水文地质环境、历史卫星影像及工程建设等资料，分析沉降突变点地表变形原因，并提出相应的预防和补救措施。本文的研究为政府开展地质灾害预测和防治工作提供了新思路。

1 研究区概况

南宁市(107°45′～108°51′E，22°12′～23°06′N)位于广西南部偏西，是连接东南沿海与西南内陆的重要枢纽，建成区面积372 km2，由青秀区、兴宁区、江南区、良庆区、邕宁区、西乡塘区等多个辖区组成。其地形为以邕江广阔河谷为中心的盆地形态，盆地向东开口，南、西、北三面均为山地围绕，南有七坡高丘陵，西有凤凰山，北有高峰岭低山。整个市区展布于邕江多级阶地上，上部多为粘性土和粉土，下部为砂岩、石英、砾石等组成的砂砾石层，结构疏松，利于地下水的侵入渗透，致使抗剪强度偏低，易受到施工开挖[10]等人类工程活动以及强降雨等自然灾害的影响，诱发地面塌陷、滑坡、地裂缝、崩塌等地质灾害。

2 SAR数据及研究方法

2.1 SAR数据

本文采用的影像覆盖范围为南宁市主城区，选取2013-01～2016-01期间44景高分辨率COSMO-SkyMed重复轨道的SAR影像数据，基本参数如表1所示。

表1 InSAR数据基本参数

2.2 研究方法

PS-InSAR技术是在InSAR的基础上，选取散射特性较稳定且相干性较高的点作为PS点，根据各点相位分量的特性分离出地形、大气、平地等相位，从而得到较高精度的地表形变相位[11]。目前，确定PS点普遍采用振幅离差指数法，主要是根据时序振幅标准差与均值的比值判断目标点的稳定性，从而设置合适的阈值来选取PS目标点[12]。选取的PS点需满足以下条件：

(1)

PS初选点的干涉相位中存在差分相位，包含形变相位φdef、噪声相位φnoise、地形相位φtopo及大气延迟相位φatm，即

φ=φdef+φtopo+φnoise+φatm

(2)

(3)

式中，Δv和Δε分别表示相邻PS点之间的形变速率和高程误差的增量，Δω为相邻PS点间的残余相位。

残余相位Δω包括噪声、大气延迟相位和非线性形变相位。一般情况下，由于相邻点的大气和噪声环境极其相似，在处理过程中的差值可忽略不计。若不考虑非线性形变，则可通过M幅干涉相位解算Δv和Δε的值。由于有M+2个未知数，却只有M个方程，因此常规方法无法求解，实际数据处理中，可通过搜索如下相关系数最大值来求解Δv和Δε[13]：

(4)

综上，将差分干涉图中相邻PS点建立上述相位差分方程，可求解时序基线的形变速率和高程误差，再对它们进行积分，可得到每个PS点相对于主参考点的形变速率和高程误差。

2.3 技术路线

本文技术方案流程如图1所示，其主要处理步骤为：

1)数据源：SAR影像、DEM数据。

2)InSAR数据处理：以SAR影像中的一幅作为主影像，分别与其余影像配准生成干涉图；利用DEM数据，对干涉图进行差分干涉处理；采用振幅离差指数法识别和选取高相干性PS点，并在去除大气相位误差后提取研究区的地表形变信息。

3)InSAR监测结果分析：结合现场调研和水文地质环境、历史卫星影像及工程建设等资料，分析地表沉降监测结果及形成原因。

图1 技术流程Fig.1 Technical process

3 结果与分析

基于PS-InSAR技术获取了南宁市2013～2016年地面沉降速率，如图2(a)所示，结果表明，城区内年平均形变速率较小，大部分形变速率范围在-7～5 mm/a。部分区域分布有沉降突变点，其形变特征表现为：形变速率高于平均值2倍及以上；监测周期内累积形变较大，且沉降持续发展、未稳定。根据PS-InSAR计算共获得4 409 406个PS点，其中平均形变速率超过-9 mm/a的PS点共有34 941个，占PS点总数的0.792%，且大多数分布在青秀区、西乡塘区、兴宁区的南宁绕城高速以内，如青秀区东、西侧，西乡塘区地铁2号线、3号线沿线等，其余区域有零星点分布。本文针对沉降突变量大、人员活动密集的建筑群和市政公路区域，选取青秀区新竹路与思贤路交叉段建筑密集区域、民族大道高速立交出入口区域等沉降突变点(图2(b))，进一步分析和研究地面沉降原因。

图2 南宁市2013～2016年地面沉降结果Fig.2 Land subsidence results in Nanning from 2013 to 2016

3.1 新竹路与思贤路交叉区域地面沉降结果与分析

南宁市青秀区新竹路与思贤路交叉口周边PS点的形变速率如图3所示。其中A～E(红线框内)为形变相对较大区域，对应位置分别为新竹公寓、南宁人防生活区、广西社会科学界联合会宿舍、广西纺织总会宿舍以及欧景庭园小区。为更直观地分析各突变点的形变结果，绘制了各点在2013～2016年的形变时间序列图，如图4所示。

图3 新竹路与思贤路交叉段建筑密集区域年平均沉降速率Fig.3 Annual average subsidence rate of the intersection of Xinzu road and Sixian road

图4 A～E点形变时间序列图Fig.4 The time-series of the A-E points

由图4可知，A～E区域的形变量均表现为非线性，虽监测期间发现地面出现了几次轻微抬升，但整体上呈现下降趋势，累积形变量均超过-25 mm。其中B点(图中带菱形的红色折线)为南宁人防生活区，在2013-10～2014-01期间沉降速率较快；E点(图中带方块的绿色折线)为欧景庭园小区，该点的累积变形量最大。本文以B和E点为例，对沉降形变原因进行进一步分析和研究。

3.1.1 南宁人防生活区(B点)地面沉降分析

通过现场调研发现，南宁人防生活区(B点)门卫室和非机动车车库均有不同程度的贯穿裂缝，裂缝长度约1～3 m，宽度约5～20 mm。由此可知，PS-InSAR监测数据得到的B点的沉降速率变大与该区域的地面裂缝、房屋结构开裂有关。

值得注意的是，贯穿裂缝的形成一般与地基沉降有关。依据《危险房屋鉴定标准JGJ125-2016》[14]，当裂缝宽度超过10 mm时会影响砌体结构承重墙体的承载力和稳定性，属危险标准等级，因此，南宁人防生活区(B点)的房屋存在一定程度的安全隐患。

现场调研中发现，广西区检察院宿舍位于南宁人防生活区(B点)的西侧，水平距离仅为4.0～6.0 m。根据B点的光学历史影像(图5)，广西区检察院宿舍(图5中红线框处)的基坑作业时间为2012年～2013年底。根据PS-InSAR监测数据显示(图4)，B点于2013-10～2014-01期间的沉降速率较大，3个月内累积沉降量达-7.76 mm，且短期内无收敛趋势。由此可推断，南宁人防生活区地面的沉降突变与广西区检察院宿舍基坑开挖关联性较大。

图5 光学历史影像Fig.5 Optical historical image

查阅广西区检察院宿舍改造项目建设资料获悉，该基坑深度为16.0 m，其中基坑壁上部出露地层包括填土、粉质粘性、粉土、细砂等，总厚度约8.6 m，下部为卵石夹砂层；填土层含上层滞水，砂层、卵石层富含潜水。基坑开挖及支护造成侧向土体应力发生变化，易导致地表发生形变。同时，基坑外地下水埋深较高(埋深8.7 m，位于砂卵石层间)，在降水作业过程中，砂卵石层中的小颗粒容易与水一同抽走，使地层发生损失；且降水施工导致场地水位下降，地下水对土体的承托力减小，造成基坑外土体发生下沉变形，容易导致周边建筑物发生地面沉降和墙体开裂。

3.1.2 欧景庭园(E点)地面沉降分析

2016-10-29对E点所处的区域(欧景庭园)进行现场调查发现，小区房屋墙体出现了轻微裂缝，围墙混凝土柱发育有水平裂缝，长度为0.1～0.2 m，宽度为4～6 mm；小区前路面起伏，出现了较大裂缝，宽度约10～20 mm。由此可知，现场调研与PS-InSAR监测数据均能反映E点的地面沉降问题。

通过收集该点水文地质条件及周边工程建设情况，推测其地面沉降是广西光明职业大学办公住宅综合楼基坑施工和地铁一号线施工共同影响的结果。其中广西光明职业大学办公住宅综合楼位于欧景庭园东北侧，距离约100 m，基坑开挖施工主要从2014年冬季(枯水期)开始，2015年底完工。该基坑穿过粉土层，施工时地下水位以下的粉土层易被扰动而发生液化沉降，以至于丧失承载力。另外，南宁轨道交通1号线位于欧景庭园南侧，距离约70 m，施工时间为2012～2016年，现已开通营运。由于地铁隧道穿越粉砂、圆砾层，盾构施工易导致地层损失[15]，其中粉细砂颗粒较为敏感。因此，原先承担骨架作用的粉、细砂变成孔隙，土层在上部荷载的作用下会发生压缩沉降，同时施工降水还会引起场地周围局部地下水位降低，使建筑物地基土层发生固结沉降。

3.2 民族大道-泉南高速入口处地面沉降结果与分析

图6为民族大道-泉南高速入口处(下称F、G点)地面年平均沉降速率，由图可知，该区域的平均形变速率为-13.87 mm/a，累积形变量超过-40 mm。

图6 民族大道高速立交出入口区域年平均沉降速率Fig.6 Annual average subsidence rate of the area ofMinzu avenue high-speed interchange entrance

经分析，F、G点2013～2016年地面沉降大致可分为3个阶段，分别为2013-01～2013-06、2013-11～2014-04以及2015-11～2016-01。其中F点累计沉降量较大，3个阶段累积沉降量依次为-8.21 mm、-15.36 mm、-11.61 mm；监测期间地面出现小幅回弹，但在监测末期的2个月内，累积沉降量超过-11 mm，形变速率陡增，且有继续下沉的趋势(图7)。

图7 F、G点形变时间序列图Fig.7 The time-series of the F and G points

2016-11-01对泉南高速南侧南宁高速公路运营有限公司工作区进行现场调查发现，多栋主体建筑发生沉降开裂，长度约1～3 m，宽度约2～10 mm；区域内路面也发现不同大小裂缝。由此可知，该沉降区域属于地质灾害重点隐患处。因此，为防止沉降现象持续恶化，查明地面沉降原因并采取相应补救措施至关重要。

该高速入口所在区域，地貌上属于以河谷为中心的盆地形态，地层主要为人工填土、冲积粘性土、粉土、粉砂及圆砾，下覆基岩为南宁第三系泥岩、粉砂岩。地下水主要有两种类型：上层滞水和潜水。上层滞水一般赋存于人工填土层、耕植土中；潜水主要赋存于下伏古近系半成岩粉砂岩、泥质粉砂岩中，具承压性，富水性弱，属弱～中透水层[16]。潜水主要来自大气降水及绿地浇水等入渗补给，沿含水层渗流排泄。

据调查，南宁高速公路运营有限公司(F点)观测周期中周边正在修建大型工程，包括华丰城深基坑项目与轨道交通1号线琅东客运站-百花岭区间。华丰城商住楼基坑穿过泥质粉砂，在基坑施工过程中，对地下水位以下的泥质粉砂岩产生扰动，静止水位以下的泥质粉砂岩发生崩解，结构遭到破坏，使地基发生沉降，承载力下降。基坑采用放坡+桩锚的支护模式，开挖导致周围土体的水平围压应力下降，土体被卸去边荷载后，建筑物下方靠近基坑一侧的土体承载力降低，则该处土体将会产生垂向位移，从而使建筑物发生沉降、开裂。同时距离较近的地铁区间段在施工及试运行过程中产生的外荷载也会使区域地表产生不均匀沉降。

4 结 语

本文利用PS-InSAR技术监测南宁市建成区地表沉降情况，详细分析典型区域的沉降特征及原因，得出以下结论：

1)根据PS-InSAR技术成功获取南宁市2013～2016年时空形变信息，结果显示，研究区年平均沉降速率范围为-7～5 mm/a；沉降突变点大多分布在青秀区、西乡塘区以及兴宁区的南宁绕城高速以内；青秀区建筑密集、工程建设频繁，其中新竹路与思贤路的交叉区域、民族大道高速出入口区域地面沉降明显，平均形变速率超过-9 mm/a，累积形变量最高达-41.61 mm。

2)重点研究区域为青秀区新竹路与思贤路交叉段建筑密集区、民族大道高速立交出入口区域等沉降突变区，结合PS-InSAR监测数据与实地调查进行分析，获得了反映地面沉降问题的结果。由此可知，采用PS-InSAR技术监测获取的沉降突变区，其建筑物均存在地基及路面下沉、结构体开裂等灾害现象，属地质灾害隐患点。这在一定程度上验证了PS-InSAR技术找寻城区灾害隐患点的可行性。

3)基于收集的沉降突变区域水文地质环境及周边工程建设情况推测，南宁人防生活区(B点)、欧景庭园(E点)及民族大道-泉南高速入口处(F点)的地面沉降，主要是因为周围建筑物基坑施工抽水、地铁盾构施工等因素引起土体应力发生变化，导致一定范围内的地表沉降，进而使建筑物产生形变。因此在基坑施工前，应考虑抽水、开挖等作业对周边建筑物的影响，可在影响范围内建筑处布设沉降监测点，一旦沉降量接近建筑物预警值，须采取相应补救措施。

4)本研究验证了PS-InSAR技术监测城市地表形变、判别地质灾害隐患点的可行性。基于InSAR技术数据精度高、监测范围广、空间分辨率高的优势，对比传统监测手段，可更及时、准确、高效地发现隐蔽性地质灾害，提前预报并采取相应预防措施，规避地质灾害的发生。