王 鵬， 高雅萍， 蔣亞楠， 尚嘉寧

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059）

延安新區(qū)“削山造城”工程引發(fā)的地面沉降是典型的地質(zhì)災(zāi)害，其對(duì)延安工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、市民的生命財(cái)產(chǎn)安全、生產(chǎn)生活方式、政府的城市規(guī)劃、交通建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等方面帶來(lái)嚴(yán)重的威脅. 因此，對(duì)延安新區(qū)地面沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義. 傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量精度高，但效率低，無(wú)法滿足長(zhǎng)期對(duì)大區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)任務(wù)的要求［1］. 近年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，在國(guó)家及有關(guān)方面專家的支持下合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）有了不俗的發(fā)展，在地質(zhì)災(zāi)害的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與隱患早期識(shí)別方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步［2］. 合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)能夠做到精確探測(cè)地表微小形變，效率高，節(jié)省時(shí)間和人力、物力、財(cái)力，在各種天氣條件下，24 h重復(fù)對(duì)地觀測(cè)，能夠滿足現(xiàn)代測(cè)量對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求，但其也受大氣和時(shí)空失相干影響［3］. 為了解決上述問題，2001 年Ferretti 等提出利用成像區(qū)域內(nèi)雷達(dá)后向散射特性較為穩(wěn)定的永久散射體（persistent scatter，PS）來(lái)探測(cè)區(qū)域地表形變［4］，這一思路已被應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［5-6］；2002年，Berardino等提出了小基線集（small baseline subset）方法［7］，該方法利用的SDFP點(diǎn)是在短時(shí)間段內(nèi)具有較強(qiáng)相干保持能力的分布式散射體（distributed scatterer，DS）目標(biāo)［8］，已被應(yīng)用于礦區(qū)、城市、三峽庫(kù)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別與災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面［9-11］. 目前，針對(duì)延安新區(qū)地面沉降的研究較少，根據(jù)研究區(qū)的光學(xué)遙感影像，發(fā)現(xiàn)延安新區(qū)內(nèi)地面硬目標(biāo)分布廣泛，如房屋、公路等，可作為永久散射體，其回波信號(hào)信噪比高，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，甚至幾年內(nèi)仍然具有高相關(guān)性. 本研究選取2019年3月—2020年3月共33景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，首先使用小基線集（SBAS-InSAR）方法提取延安新區(qū)的平均形變速率，其次采用永久散射體干涉測(cè)量（PS-InSAR）方法再次提取其形變作為驗(yàn)證，對(duì)兩種方法獲得的形變結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和相關(guān)性分析，獲取延安新區(qū)的地表形變情況，并綜合分析地表形變的原因.

1 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（109°27′～109°32′E，36°37′～36°48′N）位于陜西省北部，在黃土、丘陵溝壑區(qū)域內(nèi)，處于延安老城區(qū)周圍水系極其發(fā)育的V型地帶. 2011年延安市決定在老城周圍的丘陵地帶將深溝填平，山頭削平，以此為基礎(chǔ)建設(shè)新區(qū)［12］，研究區(qū)域如圖1所示. 左圖中黑色矩形為雷達(dá)影像覆蓋范圍，藍(lán)色矩形為研究區(qū)范圍；右圖為光學(xué)遙感影像.

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the experimental area

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取歐洲空間局提供的33景C波段（波長(zhǎng)為5.6 cm）Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，觀測(cè)模式為IW，極化方式為VV，分辨率為5 m×20 m，具體數(shù)據(jù)見表1. 外部參考DEM為分辨率30 m的ASTGTM2數(shù)據(jù).

2 技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)

2.1 SBAS-InSAR技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)

小基線時(shí)序測(cè)量方法主要原理是使雷達(dá)影像兩兩配對(duì)，增加短基線干涉對(duì)組合，克服大氣和時(shí)空失相干影響，并提高數(shù)據(jù)采樣率，獲取高精度形變監(jiān)測(cè)結(jié)果.

表1 SAR數(shù)據(jù)信息Tab.1 Information of SAR datesets

首先用衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)校正軌道信息. SBAS處理時(shí)選擇2019年04月24日的影像為超級(jí)主影像，兩兩組合，為了避免影像失相干設(shè)置合理的時(shí)間和空間基線，得到118個(gè)干涉對(duì)，最大基線201 m，最小基線0.4 m，如圖2. 對(duì)影像做多視處理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，距離向和方位向的視數(shù)比取4×1. 對(duì)干涉圖濾波選擇Goidstein 方法以提高信噪比. 在相干性高、遠(yuǎn)離形變區(qū)的地方選擇地面控制點(diǎn)，采用Delaunay MCF 方法進(jìn)行3D 解纏.最后根據(jù)奇異值分解法（SVD）估計(jì)273 121 個(gè)高相干點(diǎn)形變速率并地理編碼，得到研究區(qū)視線向（LOS）形變結(jié)果. 研究區(qū)面積約為78.5 km2，平均3479 個(gè)/km2SDFP點(diǎn).

2.2 PS-InSAR技術(shù)原理實(shí)驗(yàn)

該技術(shù)基本原理是使用覆蓋研究區(qū)至少25景以上的影像數(shù)據(jù)參與計(jì)算，并且接收時(shí)間要連續(xù)，在時(shí)間序列上使用振幅離差指數(shù)法初步確定候選點(diǎn)，使用相干系數(shù)法進(jìn)一步探測(cè)回波信號(hào)信噪比高的穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)［4］，如房屋、金屬、巖石等，利用PS計(jì)算殘余地形、目標(biāo)偏移及大氣效應(yīng)，根據(jù)線性模型反演地表形變.

選取2019 年10 月9 日的影像為最佳主影像，生成32 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，如圖3，黃色代表主影像，綠色代表副影像，空間基線分布最大123 m，最小5 m，平均基線長(zhǎng)度40 m，時(shí)間基線最大值為384 d，最小12 d，說(shuō)明影像數(shù)據(jù)相干性比較高. 基于影像的相干性信息和振幅強(qiáng)度信息最終提取168 888 個(gè)PS 點(diǎn)，平均2151 個(gè)/km2PS點(diǎn)，圖4 為選點(diǎn)結(jié)果. 可以看出，PS 點(diǎn)主要分布于建筑物，延河水域無(wú)PS 點(diǎn)分布. 篩選出穩(wěn)定點(diǎn)后差分處理生成32幅差分干涉圖，去除地形相位時(shí)選擇30 m分辨率的ASTGTM2數(shù)據(jù). 對(duì)干涉圖解纏選擇最小費(fèi)用流算法（MCF），然后進(jìn)行時(shí)間域和空間域?yàn)V波，得到每個(gè)PS點(diǎn)的線性形變結(jié)果.

圖2 SBAS時(shí)空基線分布Fig.2 Spatial-temporal baseline distribution of SBAS

圖3 PS時(shí)空基線分布Fig.3 Spatial-temporal baseline distribution of PS

圖4 PS點(diǎn)分布Fig.4 PS points scatters distribution

3 結(jié)果與討論

3.1 對(duì)比分析

圖5（a）和（b）分別是SBAS-InSAR和PS-InSAR兩種時(shí)間序列處理的視線向（LOS）形變結(jié)果. 將上述兩個(gè)結(jié)果導(dǎo)入到Arcgis10.5中進(jìn)行克里金插值. 因缺乏延安新區(qū)同時(shí)期實(shí)測(cè)水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，所以對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)方法得到形變結(jié)果進(jìn)行比較，隨機(jī)選取50個(gè)相同地理坐標(biāo)點(diǎn)做Pearson相關(guān)性分析，得出兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果線性相關(guān)性達(dá)0.96，說(shuō)明了PS-InSAR和SBAS-InSAR的形變結(jié)果比較一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠. 由圖5可知，兩次實(shí)驗(yàn)表明2019年3月—2020年3月延安新區(qū)地表形變趨勢(shì)基本一致，圖5中紅色表明該區(qū)域下沉. PS-InSAR和SBAS-InSAR 的時(shí)序結(jié)果顯示延安新區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10～10 mm/a，測(cè)得最大沉降速率分別是75 mm/a和81 mm/a，最小沉降速率分別是55 mm/a和48 mm/a. 出現(xiàn)差異的主要原因在于PS-InSAR只采用線性模型估算，而且PS點(diǎn)與SDFP點(diǎn)選取的算法也不同. 造城范圍內(nèi)有3處明顯沉降，形成沉降漏斗，它們分別為A區(qū)，即行知南路（尚品尊邸小區(qū)）-遵義大街-瑞金街-子長(zhǎng)路-軒轅大道-志丹路-東方紅大道-中環(huán)大道-上海東路-膚施大道（尚品尊邸小區(qū)）；B 區(qū)，即延州大道；C 區(qū)，即交警支隊(duì)新城大隊(duì)東側(cè). 結(jié)果顯示，延安新區(qū)周圍老城區(qū)比較穩(wěn)定. 此外，SBAS 結(jié)果還顯示在延安新區(qū)西部存在局部區(qū)域沉降，但范圍較小，主要受人類活動(dòng)影響所致.

圖5 延安新區(qū)形變速率Fig.5 Deformation rate of PS-InSAR in Yanan’New District

3.2 形變結(jié)果分析

3.2.1 部分區(qū)域沉降原因分析 A區(qū)域：沉降位于延安新區(qū)中部大型流域內(nèi)，在削山造城過(guò)程中此流域內(nèi)幾乎遍布填方體. 填方體總沉降由填方體自身沉降和原地基沉降兩部分組成，以填方體自身沉降為主［13］，大量填方體存在是導(dǎo)致地面產(chǎn)生不均勻沉降的主要因素. 圖5表明沉降速率主要集中在10～30 mm/a，局部形變達(dá)到30～50 mm/a. 由圖6（b）可知，A區(qū)域PS點(diǎn)時(shí)間序列表明此處整體形變呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中2019年5月6日至2019 年5 月8 日以及2019 年11 月14 日至2019 年11 月26 日期間輕微抬升，抬升范圍為0～5 mm/a. 填方體地基沉降呈現(xiàn)出在原始溝谷邊坡上部沉降量達(dá)到最大，到溝谷底部最?。?4］，施工時(shí)填方體基本沿原始溝谷展布，沉降范圍和趨勢(shì)與河流展布基本一致. 施工完成后，由于填方體自重以及公路、建筑物等外部荷載的影響，地基下部黃土地層的厚度變化，填方體兩側(cè)原始地層發(fā)生橫向位移，同時(shí)出現(xiàn)填方區(qū)地表的不均勻沉降.

圖6 A區(qū)域PS點(diǎn)時(shí)間序列Fig.6 Time series of PS points in A area

圖7 B區(qū)域PS點(diǎn)時(shí)間序列Fig.7 Time series of PS points in B area

B 區(qū)域：延州大道位于造城范圍內(nèi)主要建筑區(qū)域內(nèi)，沉降速率主要集中在10～40 mm/a，圖7（b）中PS 點(diǎn)時(shí)間序列表明此處整體形變呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中2019 年3 月7 日至2019 年4—12 日期間輕微抬升，范圍在0～10 mm/a. 延安新區(qū)內(nèi)流域基本呈西北-東南走向，延州大道西北端相比較東南端沉降更為集中. 雖然2019 年延安新區(qū)造成工程與之前相比進(jìn)程減慢，但是近年經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，大量高層建筑迅速崛起，諸多建筑物的重量加載在地層之上，導(dǎo)致靜載荷的增長(zhǎng)，建筑規(guī)模越大、密集度越高，對(duì)工程性地面沉降影響越明顯［15］. 隨著城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)頻繁，帶來(lái)每天通行多次的高速列車，加之不斷建設(shè)的城市交通，導(dǎo)致了動(dòng)載荷的不斷增加［16］，故動(dòng)、靜載荷是造成該區(qū)域地面不均勻沉降的主要因素.C 區(qū)域：由于新區(qū)東部交警支隊(duì)新城大隊(duì)東側(cè)還在施工階段，沉降速率范圍主要集中在25～75 mm/a.圖8（b）表明此處2019 年10 月21 日至2019 年11 月2 日期間以及2020 年1 月25 日至2020 年2 月6 日抬升，抬升范圍在29～40 mm/a 及25～75 mm/a，但整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最大沉降速率達(dá)到75 mm/a，施工過(guò)程中沉樁的沖擊產(chǎn)生的震動(dòng)加上交通循環(huán)的動(dòng)載荷是引起地面沉降的主要因素. 土體的抗剪強(qiáng)度在動(dòng)荷載大于某一振動(dòng)加速度值時(shí)會(huì)發(fā)生變化，在周期荷載作用下，土體的應(yīng)變值隨著動(dòng)應(yīng)力的增大而增大，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加［17］. 沉樁以及車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生固定頻率的震動(dòng)，這種經(jīng)常性的動(dòng)載荷對(duì)大厚度填方體、路基以及濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)造成極大影響. 相較于早期完工的A、B 生活區(qū)，C區(qū)正在建設(shè)中，因此受到的影響更為明顯.

3.2.2 黃土的性質(zhì)對(duì)地面沉降的影響 延安新區(qū)地處濕陷性黃土區(qū)，高填方的回填材料主要為Q2和Q3黃土. 濕陷性指黃土被水浸濕后受到自重或外力的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞從而導(dǎo)致下沉. 若黃土含水率低、壓實(shí)度小會(huì)加劇被水浸濕后的變形［18］. 壓縮性指在外力作用下土體顆粒空間受到擠壓，總體積變小. 由于延安新區(qū)地質(zhì)環(huán)境因素和工程建設(shè)需要，使用了大量的回填壓實(shí)黃土，該黃土經(jīng)機(jī)器壓實(shí)后形成，因氣體排出、排水固結(jié)具有壓縮性. 黃土含水率越大，其壓縮量越大，二者呈正相關(guān)［19］. 此處位于溝壑地帶，溝谷發(fā)育，地勢(shì)復(fù)雜，挖方、填方工程煩瑣，導(dǎo)致削山造地后不同部位、不同深度均具有回填壓實(shí)黃土［20］. 現(xiàn)有資料表明，延安新區(qū)土層被水浸濕后，深挖方區(qū)沉降量達(dá)到自然狀態(tài)下的一倍［21］. 由此可見，黃土的濕陷性和壓縮性是導(dǎo)致城市地表出現(xiàn)不均勻沉降的重要原因.

圖8 C區(qū)域PS點(diǎn)時(shí)間序列Fig.8 Time series of PS points in C area

3.2.3 其他因素 延安新區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化也是造成地面沉降的主要因素之一. 現(xiàn)有研究表明人為影響主要是在工業(yè)及城市生活開采區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)超量開采地下水，致使水位下降［22］，豐水期或地下管道堵塞致使水位上升時(shí)又導(dǎo)致黃土和地基沉降. 地下水中對(duì)工程建設(shè)有顯著影響的是第四系潛水和基巖孔隙和裂隙水［23］，對(duì)于黃土丘陵溝壑地區(qū)影響更為明顯，因其溝谷水系較為發(fā)育，施工中填方、挖方處較多，不同部位受到的影響會(huì)有差異. 由圖5可知，A區(qū)和B區(qū)域兩處沉降區(qū)處在建筑物密集的生活區(qū)，是造城的先期工程，形變速率集中在-10～-40 mm/a，說(shuō)明地面沉降與地下水動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān).

4 結(jié)語(yǔ)

1）造城區(qū)內(nèi)有3個(gè)明顯沉降，形變速率集中在-10～10 mm/a，沉降區(qū)域呈西北-東南走向，一處位于中部（A），范圍較大，幾乎跨越整個(gè)新區(qū)，兩處位于東部（B和C），范圍較小. 延安新區(qū)的回填壓實(shí)黃土具有壓縮性和濕陷性，這是地面沉降發(fā)生的基礎(chǔ)，平山造城工程中使用大量填方體導(dǎo)致A區(qū)域沉降；城市大規(guī)模擴(kuò)張、密集建筑群出現(xiàn)以及交通載荷造成B區(qū)域地面沉降；C區(qū)域沉降與工程施工、動(dòng)載荷密切相關(guān).

2）通過(guò)對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)分析，表明兩者線性擬合結(jié)果比較好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠.

3）延安新區(qū)本身地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，平山造城工程增加了災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)延安新區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)有助于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全. 本研究補(bǔ)充了延安新區(qū)2019年3月至2020年3月地表形變監(jiān)測(cè)情況，研究結(jié)果表明需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)延安新區(qū)內(nèi)人類集中生活區(qū)域及最新施工區(qū)域.