连云港防波堤时序InSAR沉降监测研究

范雪婷，潘九宝

（1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013）

传统的地面沉降及形变监测方法主要包括水准测量、GNSS测量、基岩标及分层标监测等，以上监测手段虽测量精度高，但存在成本高、效率低、点位获取稀疏，难以全覆盖等特性。合成孔径雷达干涉测量 （InSAR）技术作为近年来逐渐开展起来的地面沉降监测新方法，因监测范围广、精度高等特点，已在区域地面沉降监测及水利工程形变监测中得到广泛应用。董山等[1]利用2007－2011年的ALOS PALSAR数据以及2012－2015年的Radarsat-2数据，对连云港市以及盐城北部地区开展了InSAR地面沉降监测，并对两期的结果进行了对比分析。裴媛媛等[2]结合时序InSAR技术，研究了Envisat ASAR数据在长江口南岸和杭州湾北侧堤坝形变监测中的应用，验证监测精度达mm级。肖儒雅等[3]结合水库大坝环境的特殊性和复杂性，改进了时序InSAR技术的数据处理流程，提取了广南水库大坝的高精度形变信息。黄其欢等[4]采用PSI技术和Sentinel-1A影像对某港区防波堤进行沉降监测，与水准结果比较的标准偏差为6.6 mm。

本文基于主影像相干目标小基线技术[5]（InSAR，MCTSB-InSAR），利用2017年1月至2018年12月获取25期Radarsat-2超宽精细模式SAR影像数据对连云港市进行地面沉降监测，全面揭示连云港地面沉降状况及沉降原因，并针对徐圩港区防波堤工程进行重点应用分析。

1 研究区与实验数据

1.1 研究区概述

连云港市地理位置于33°59′N～35°07′N、118°24′E～119°48′E，地处江苏省沿海地区最北端，东靠黄海，地势由西北向东南倾斜，西部丘陵海拔一般为100～200 m，中东部平原海拔一般为3～5 m。区内分布有大量的软土层，属于第四纪晚期的滨海相沉积类型，工程地质性能差。研究区域包含连云港绝大部分地区（除赣榆区北部一角未覆盖），范围如图1左图黄线所示，右图为徐圩港区防波堤所在位置的影像图。

徐圩港区是以石化、集装箱等运输为主的产业驱动型综合大港，规划建设30万吨级深水航道和116个大中型码头泊位，目前10万吨级航道已开通使用。徐圩港区防波堤工程由东防波堤与西防波堤组成，呈双导堤大环抱形态，全长约21.77 km，在水深-4.5 m以内区域，使用斜坡堤模式，而在海水较深处使用桶式基础直立堤结构方式。文中重点研究斜坡式结构防波堤，东斜坡堤长约7.83 km，西斜坡堤长6.36 km，如图1中的AA'和BB'。

1.2 实验数据

本文采用25期Radarsat-2卫星超宽精细模式（Extra Fine）影像，数据格式为单视复数据（SLC数据），卫星重访周期为24 d，雷达波入射角21.8°，极化方式为VV，方位向和距离向像素大小分别为3.0 m和2.7 m，影像覆盖范围125 km×125 km，如图1左图绿色方框所示，该模式数据兼具幅宽大与分辨率高的优势。数据获取时间的跨度为2017年1月至2018年12月。数据处理过程中选用30 m分辨率的SRTM 数字高程数据去除地形相位的影响。

图1 研究区与SAR影像覆盖范围

2 数据处理

MCTSB-InSAR技术主要包括数据预处理、线性形变反演、非线性形变反演等步骤，主要处理流程如图2所示。

图2 技术路线图

2.1 数据预处理

数据预处理即SAR影像差分干涉处理，主要包括轨道加密、基线分析、影像配准、确定干涉相对、生成干涉图、去除地形相位、滤波等处理，生成差分干涉图。

确定干涉像对采用基于特征小区域干涉图信噪比的方法：选取城乡结合小区域（一般500×500像素）作为特征区域；然后将各小区域SAR影像两两组合，可快速获取全部干涉图；定量比较并选择高信噪比的小干涉对组合。该方法在保证干涉图质量的同时，可极大地提高生成效率与自动化作业水平。本文最终保留86个干涉相对。

2.2 线性形变反演

线性形变反演主要包括稳定点目标提取、点目标三角网连接、建立相位差分模型求解线性形变速率和高程误差等处理。

本文使用“三阈值二级探测法”提取稳定点目标。阈值设置为：绝对平均相干系数大于0.67，相对平均相干系数大于0.52，平均幅度大于1.3，幅度离差小于0.3，共提取3 577 709个稳定点。

对于全部稳定点目标采用局部Delaunay三角网进行连接[6]。差分干涉图两顶点间差分干涉相位计算公式（1）：

式中，Δv为两点间的线性形变速率之差；B⊥和T分别为干涉图的垂直基线和时间基线；Δh为高程误差之差；残余相位增量Δφres=Δφnl+Δφa+Δφn，是两点间非线性形变相位、大气延迟相位和噪声影响相位差分的和；R、λ、θ分别为雷达波斜距、波长、入射角。

大气相位与空间距离具有高相关性，一般在1～ 2 km范围内时，其贡献量可以忽略，非线性形变相位同样具有一定的空间特性，并且高相干点的噪声影响相位很小，所以|Δφres|＜π成立，可通过整体相位相干性最大化模型来计算Δh、Δv，如公式（2）：

式中，γ为模型相干系数；J表示单位复数；M为干涉图数目。采用空间搜索法[7]或二维周期图法[8]，实现所有边Δh、Δv的最大化求解。选择γ≥0.7的边认定为可靠连接，剔除不可靠边，从某一目标点开始通过区域生长法连接成一个完整网络，采用最小二乘平差方法集成各条边的相对线性形变速率和相对高程误差，得到各点目标沿雷达视线向的线性形变速率和高程误差绝对量。

2.3 非线性形变反演

剔除差分干涉相位中稳定点的线性形变和高程误差相位，获得残余相位，并根据分量不同的频谱特征进行时、空滤波，分离得到大气相位、非线性形变相位及噪声相位，将线性形变和非线性形变叠加可获取雷达视线向地表形变量。最后，根据雷达入射角信息，将视线向形变量转化为垂直向形变量。

3 监测结果与应用分析

3.1 区域地面沉降状况

根据MCTSB-InSAR技术方法，得到2017－2018年 连云港地表沉降速率（图3）。统计各区县沉降速率大于10 mm/a 的PS点个数，如图4所示。结果表明，连云区沉降速率大于10 mm/a的点数及占比皆最大，为54 293个和24.7%；灌云县、灌南县次之，沉降速率大于10 mm/a的点数占比分别为14.3%、10.9%；海州区、赣榆区、东海县沉降速率大于10 mm/a的点数较少，皆不足2.0%。

图3 连云港地表沉降速率分布

图4 各区县沉降速率大于10 mm/a PS点个数统计表

从地表沉降的空间位置上来看，连云区沉降区域最大，主要分布在青口盐场、猴嘴街道、连岛街道、板桥街道、徐圩街道等地区，最大沉降速率达251.7 mm/a，位于徐圩港；灌云县沉降主要分布在东部的圩丰镇、燕尾港镇，最大沉降速率达94.9 mm/a，位于灌西盐厂东；灌南县沉降主要分布在新安镇、新集镇、堆沟港镇，最大沉降速率为44.4 mm/a；海州区、赣榆区少量的沉降主要分布在云台农场、宋庄镇、墩尚镇等地；东海县几乎未见明显的地表沉降。

董山等[1]研究了连云港及盐城北部地表沉降，指出连云区北部及东部沿海、赣榆区东部沿海、灌云县（燕尾港镇）、灌南县（堆沟港镇）沉降严重。总体来说，二者沉降监测信息符合性较好，同时也证实本文监测结果的可靠性。

基于获取的连云港稳定点沉降监测结果，采取克里金插值方法（Kriging）对沉降速率进行插值，获得研究区完整的形变速率图，参考江苏省[9]、北京市[10]地面沉降危险性分级标准，将连云港地面沉降危险性化分为四个等级：沉降严重区（速率大于50 mm/a）、较严重区（速率30～50 mm/a）、一般区（速率10～30 mm/a）、 轻微区（速率小于10 mm/a）。经统计（表1），连云港市地面沉降轻微区面积在90%以上，沉降一般区面积占比约9%，沉降严重区和较严重区面积分别为 8.93 km2和42.95 km2，主要分布于连云区和灌云县。

表1 地表沉降危险性分级面积统计

3.2 港区防波堤沉降分析

水库大坝、海堤等水利设施对安全性要求极高，微小形变都可能引发极其严重的安全事故。依据图3发现位于徐圩港区的防波堤出现较为明显的沉降，防波堤的沉降分布特征需要进一步分析。

图5为徐圩港区地表沉降速率分布图，从PS点分布来看，相较于东西走向的直立堤而言，南北走向的斜坡堤相干性更好，可提取密集的监测点，与不同结构防波堤的填筑材料或不同走向防波堤的散射机制有关。经统计，速率超过10 mm/a、20 mm/a、30 mm/a 的监测点占比分别为70.3%、25.8%、10.3%，平均沉降速率达16.9 mm/a，可见徐圩港区整体沉降形势严峻。从图5可以看出，徐圩1区、2区以及东、西防波堤沉降最为严重。最大沉降速率达251.7 mm/a，出现在东防波堤上。靠近陆地的环形港池部分，由于建成较早，沉降相对较小，最大沉降速率为107.0 mm/a； 西防波堤最大沉降速率达143.0 mm/a；徐圩1区、 2区最大沉降速率分别为140.3 mm/a、139.9 mm/a。 图6为徐圩港区时序累计沉降量（以2017-01-05为起始时间）。可见，随着时间的推移，2017年4月东防波堤最先出现沉降，至2017年8月前后，西防波堤和徐圩1、2区也逐渐表现出沉降。

图5 徐圩港区地表沉降速率

图6 徐圩港区累计沉降量序列

经统计，东防波堤共提取319个监测点，平均点密度达41个/km；西防波堤提取174个监测点，平均点密度约为27个/km。东、西防波堤分别以A、B为起点，沿AA'、BB'两条线段进行距离换算，得到两堤的形变空间分布，如图7所示。

图7 徐圩港区防波堤沉降空间分布

分析可知，两防波堤呈现出分段式沉降规律： ①东防波堤从点A至里程DK0+182表现轻微沉降，至DK2+820较为稳定，沉降量一般不超100 mm，随着向海洋深处延伸沉降逐渐加重，最大沉降量达 503.9 mm，位于中间DK6+558处。②西防波堤同样在靠近陆地沉降量较小，至DK1+737沉降开始加剧，提取监测点的累计沉降多数大于100 mm，在DK2+067处沉降量达最大值289.6 mm，之后沉降略有趋缓。整体来看，防波堤海侧比陆侧沉降严重，但最大沉降皆出现在堤体中间某处。

根据资料分析可知，该港区防波堤填筑分别从两端开始，陆侧采用从陆向海进占方式填筑，海侧采用船抛式堤体填筑，最后在在中间某点进行断面合拢。两端的软土地基在堤身荷载作用下的排水固结和压缩变形较中部先发生和完成，因此防波堤的最大沉降量出现在堤体中间，而不是最深海处。可见，本文获取的防波堤沉降规律能够较好地反映堤体填筑的实际情况。文献[4]针对徐圩港区东防波堤2016年9月至2017年12月的沉降状况进行监测，得到最大累计沉降量达336 mm，同样位于堤体中间，与本文监测结果具有一致性。

3.3 沉降原因分析

根据资料分析，连云港沉降的主要原因如下：

1）典型软土环境是导致地面沉降的内在因素。连云港处于江苏沿海地区，属于典型的软土区，第四系沉积物厚薄不一，海相淤泥和淤泥质软土分布广泛，具有高含水、大孔隙、差透水、高压缩及易触变等特性[11]。土体的自然固结为地面沉降的产生提供了内在条件。

2）长期超采地下水是诱发地面沉降的主要因素。灌南县堆沟港及灌云县燕尾港一带隶属沿海临港工业区，区内存在大量的化工企业，开采井密集分布，过量汲取地下水，形成大范围地下水位降落漏斗中心，漏斗中心最大地下水位埋深超过35.00 m[12]。地下水长期过量开采已引发堆沟港、燕尾港沿海地区深层地下水位持续下降，造成区域地面沉降。

3）大规模工程建设加剧地面沉降的发育。近年来，随着江苏沿海开发建设的加快，围填海工程规模扩大，由于围填海实施填埋作业时间较短，软土质土体的自然固结压实，加上工程建设产生的附加荷载、基坑排水等作用，导致连云港沿海地区特别是徐圩港区一带发生较严重的地面沉降。防波堤沉降除了软土压缩、地基固结之外，还有海水冲刷、侵蚀等外界作用的影响。

4 结 语

本文基于Radarsat-2卫星EX模式影像数据，利用MCTSB-InSAR方法监测了连云港市2007年1月至2018年12月的地表沉降状况，并对徐圩港区防波堤稳定性及地表沉降原因深入分析。

结果表明连云港90%以上的区域为沉降轻微区（速率小于10 mm/a）。沉降主要发生在连云区、灌云县、灌南县的沿海地区，最大沉降速率达251.7 mm/a，位于连云区徐圩港区。徐圩港区东、西防波堤上提取了高密度的稳定点，通过分析形变空间特征发现，两防波堤皆表现出了明显的沉降，整体上深海区比近陆区沉降严重，最大沉降皆出现在堤体中间某处，其主要原因是沿海地区特殊软土环境下的地下水开采与大规模工程建设的附加荷载作用所致。

建议未来对围填海、地下水取用应加以遏制，以减缓连云港地面沉降的趋势，为区域长期可持续发展提供较为稳定的生态地质环境，同时应定期、不定期检查重点沿海水利工程设施安全性，保障人民群众生命财产的安全。