天津市沿海区InSAR地面沉降监测

2022-07-16江培华王金洋郝延锦

华北科技学院学报 2022年3期

江培华，王金洋，唐伟，郝延锦

(1. 华北科技学院建筑工程学院，北京东燕郊 065201；2. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

0 引言

地面沉降是一种在自然或人为因素下导致地下松散岩层固结压缩，并引起地面一定范围内标高降低的地质现象[1]。地面沉降的累积和空间不均匀分布会对地面产生破坏，对地表植被、水体、建筑产生威胁，影响人类生活生产的安全，演变成为一种地质灾害[2-4]。天津市是中国北方最大的港口城市，地表沉降已在市区内多个区域发生。1959-1997年，天津市的沉降情况可以分为三个阶段[5]：(1)1959-1977年处于缓慢沉降阶段，沉降速率为50 mm/year；(2)1978-1982年加速沉降，沉降速率为100 mm/year；(3)1983-1997年沉降减缓，沉降速率为20～30 mm/year。位于滨海新区的汉沽2000-2007年的平均沉降速率达35～45 mm/year，1959-2007年的最大累计沉降量达3.08 m，是当前天津市四大沉降中心之一[6]。为了监测地表沉降情况，国内外都建立了包含众多手段的地面沉降监测网络。地面沉降的监测技术包括水准测量、全球定位系统(GPS)和合成孔径干涉雷达(InSAR)等。研究人员采用InSAR时间序列分析技术，对2007年至2009年间Envisat卫星C波段ASAR影像与ALOS卫星L波段PALSAR影像数据处理，来提取天津地表形变，结果显示天津西部地区沉降主要受地下水的开采影响，而东部地区的沉降情况则受天津南、天津北和大寺断裂控制，同时也与含水层Aquifer Ⅱ和Aquifer Ⅲ有关[7]。2018年研究人员利用多时相InSAR技术对2016年1月9日至2017年6月8日25景升轨Sentinel-1A 卫星影像处理得出，天津市的地面形变从市区到郊区逐渐增加，不同的地质条件也对沉降产生了不同的影响。此外，居住区和工业区之间明显的沉降差异表明，即使在同一地质区域，抽取地下水的深度差异也可能导致不同的沉降率[8]。2019年研究人员对2015年5月至2016年6月的25景Sentinel-1雷达影像，采用小基线集(Small baseline subset,SBAS)技术，结合城市规划研究天津市滨海新区地表沉降特征，其中2008年存在大量的围海造陆区域，软土固结需要一定的周期，围海区域大量的软土沉积引发较大的地面沉降[9]。针对天津市的沉降情况，目前的研究大都集中在市区范围内，而近年来沿海地区进行填海造陆扩张土地，地面沉降情况尤为突出。同时，InSAR获取的形变信息为地表实际三维形变投影到雷达视线向(Line-of-sight,LOS)的一维形变结果。分解得到的垂直向形变值更能直观地反映地表沉降情况，而Sentinel-1卫星所获得的升、降轨数据为视线向沉降量的三维分解提供了便利。

本文结合了天津市填海区的填海造陆的历史及海岸线的变化，利用SBAS-InSAR时序分析技术对Sentinel-1卫星SAR数据进行分析，获取天津沿海地面沉降时空分布信息，并结合三个GPS观测站点的数据进行对比分析。最后，从汉沽、临港、南港三个区域及其海岸线的变化来分析研究沿海区的地面沉降时空演变特征。结论对天津市的地面沉降防治工作具有实际意义。

1 研究区与SAR数据

1.1 研究区概况

滨海新区位于中国华北平原北部，天津市中心的东边，东临渤海，北部与河北省唐山市相邻，南部则与河北省黄骅市相邻。海岸线主体长约153公里，陆地面积达2270平方公里，海域面积约3000平方公里，如图1所示。本文将滨海新区分为汉沽区、临港工业区和南港工业区进行分析。汉沽区面积441.5平方公里，其中海涂面积69.85平方公里，有着“千年盐城”之称，航运发达。临港工业区是国家级重型装备制造基地，总规划面积约200平方公里，围海造地面积约67平方公里。南港工业区是世界级石化产业和港口综合功能区，规划面积约200平方公里。

图1 研究区概况

滨海新区地处华北平原的东部塌陷盆地边缘，位于渤海盆地的西部，处在黄骅凹陷区北部区域。地形地貌类型是由冲积平原沉积而成，具有冲积平原到潮间带之间完整的地貌分布带规律。近年来随着经济建设，填海造陆的人工地貌单元面积超过200平方公里。

1.2 InSAR数据

所采用的数据集来自Sentinel-1卫星TOPSAR数据，其中升轨数据72期，时间范围从2017年1月3日至2019年4月11日；降轨数据66期，时间范围从2017年1月2日至2019年4月10日。Sentinel-1卫星是近极地太阳同步轨道卫星，重访周期为12天，基于C波段采用右侧视观测，具有4种成像模式，其分辨率最高达5 m、幅宽达400 km[10]。数据范围如图2所示。

图2 SAR数据范围

2 InSAR数据处理

2.1 SBAS-InSAR解算

SBAS-InSAR是对相干目标进行相位分析来获取时序形变，通过选择合适的空间基线和时间基线阈值组成差分干涉对，并且选取相干目标点利用线性相位变化模型进行建模和解算，并通过时空滤波去除大气延迟，在减少失相关影响及高程误差、大气误差的同时获取地表的形变时间序列。SBAS-InSAR技术可以在利用较少数据对的情况下获取较好的结果，适用于监测大区域、长时间序列的微小缓慢形变。本文在组成干涉对时，时间基线阈值选择50天，空间基线阈值选择100 m，升轨数据共形成237个干涉对，降轨数据共形成203个干涉对，干涉对组合见图3。

SABS-InSAR算法重在应用短基线的差分干涉图集，集合内的影像对基线距小，而集合间的影像对基线距大，集合构成相位回归分析的序列，用均值相干系数作为相干目标识别的指标，再根据最小范数准则，利用奇异值来分解算法逐个分离相位构成，实现每个相干目标形变序列的获取，减少空间和时间去相关影响，保证精度与可靠性[11]。

差分干涉相位组成如下：

Δφ=Δφdefo+Δφatm+Δφorbit+ΔφΔDEM+Δφnoise

(1)

式中，Δφdefo是地表形变，Δφatm是大气延迟，Δφorbit是轨道误差，ΔφΔDEM是DEM误差，Δφnoise是噪声误差。假设不考虑大气延迟、轨道误差、DEM误差和噪声，且干涉图中的解缠不存在误差，可建立如下最小二乘模型

Aφdefo=Δφ

(2)

式中，A为M×N的设计矩阵，其中M为干涉图数量，N为SAR影像数量。Δφ为已知观测量，φdefo为未知参数向量。由于M≥N，设计矩阵A的秩为N，所以有唯一解，根据经典最小二乘原理VTPV=min,可以得到

Δφdefo=(ATA)-1ATΔφ

(3)

图4为利用上述SBAS-InSAR算法获得的升降轨视线向沉降速率。可以看出升轨与降轨数据得到的沉降空间分布基本一致，天津市区范围的沉降控制较好，沉降主要集中在滨海新区西南部与三个研究区域范围内，最严重的沉降情况出现在临港工业区。

图3 升降轨数据InSAR干涉对组合

图4 天津市滨海新区LOS形变速率

2.2 InSAR升降轨融合提取水平和垂直向形变

对升降轨数据进行融合分解可以获取地表水平东西向和垂直向形变分布信息。如图5所示，展示了SAR侧视成像几何及三维坐标下的角度参数。

图5 SAR侧视成像几何及角度参数

InSAR干涉图中某个像素的视线向LOS的形变实际上是该像素点三维位移分量在视线向的投影之和，如下：

rLOS=uxcosφsinθ-uysinφsinθ-uzcosθ

(4)

式中，rLOS为视线向形变量；θ为雷达信号入射角，即视线向与垂直方向的夹角；φ为卫星航向角。地面的位移矢量u=[uxuyuz]，ux为沿东西方向的形变分量，uy为沿南北方向的形变分量，uz为沿垂直方向的形变分量，可将视线向的沉降量r，由式(4)分解得

(5)

所以视线向rLOS中令uy为零，且考虑升降轨两个视线向形S变则列出两个方程，如下:

(6)

其中ra为升轨视线向的沉降量，rd为降轨视线向的沉降量将式(6)列为矩阵形式：

r=Pu′

(7)

u′=[PTP]-1×PT×r

(8)

得到ux与uz，即东西方向与垂直方向的形变。图6展示了研究区东西方向与垂直方向的形变速率。从垂直形变速率图中能明显的看出沉降的空间分布情况。沉降主要集中在填海造陆区域，同时此区域的东西方向形变也更为严重。

图6 天津市滨海新区沉降与东西方向形变速率

3 天津沿海地面沉降特征分析

3.1 InSAR与GPS的形变结果比较

首先对InSAR结果进行精度分析，选取试验区中的三个GPS监测站点数据进行对比验证。GPS站点位置如图1中的五角星所示。

从图7中可以看出，整体来说，二者垂直方向的结果更为吻合(RMSE(均方根误差)小于7 mm)，略优于东西方向的结果(RMSE小于10 mm)，印证了InSAR对垂直方向的位移敏感度最高，对东西方向位移次之。分别来说，TJBH站点数据吻合较好，东西方向与垂直方向RMSE分别为6.72 mm与6.60 mm；TJA1站点的垂直方向结果最佳，RMSE最小，为6.24 mm；KC01站点垂直方向RMSE为6.80 mm；而KC01与TJA1站点东西方向的结果并不理想，RMSE分别为9.55 mm和7.86 mm。

图7 三个站点InSAR结果与GPS结果对比

3.2 滨海新区地面沉降空间分布特征

图8展示了研究区的沉降分布情况，可以从中看出滨海新区的沉降呈现出不均匀的特点，内陆地区的沉降较小，越靠近沿海地区，沉降量越大，而在填海造陆区，沉降则十分严重。原因是填海造陆区地表浅层的地质结构处于不稳定的状态，地表人类进行各种建筑的建设活动与生产活动，土层固结压缩，导致地表下沉较大。

图8 滨海新区沉降速率分布图

其中，汉沽区的情况相对较好，最大沉降速率为209.9 mm/year，南港工业区的最大沉降速率为240.7 mm/year，最严重的下沉情况出现在临港工业区，最大下沉速率达275.4 mm/year。

根据图8结果，在三个沉降严重的区域内选取三个具有代表性的沉降点(图8中的P1-P3点)，进行沉降时间序列分析，并进行线性拟合(图9)。可以从图9看到各点数据有明显的下沉趋势，且拟合情况良好。P1点最大下沉量为137 mm，经过线性拟合得到下沉速率为64.54 mm/year；P2点最大下沉量为295 mm，经过线性拟合得到下沉速率为155.03 mm/year；P3点最大下沉量为342 mm，经过线性拟合得到下沉速率为167.62 mm/year。

图9 三个沉降点垂直方向形变时间序列图

地表沉降的原因一般分为自然因素和人为因素，自然因素有地质构造活动、土体变形固结、地层的压密和地壳的升降运动；人为因素则是地下水抽取、地下自然资源开采和地下工程施工影响[13]。资料显示，天津市存在一条海河断裂带，作为一种重要的基底活动构造，对沉降情况起了一定的作用；唐山大地震曾波及天津市及沿海地区，并且在汉沽区形成了一个下沉中心，这种地震活动，同样也对沿海区的地表沉降情况产生一定影响；沿海区的土质属于软弱土层，在自重压力与地表活动影响下，地下水的压力逐渐减小，地层固结，也导致了一定量的地表下沉。

3.3 地面沉降与海岸线变化分析

本文选取了1995年到2018年，每隔5年共6幅的云量低于20%的Landsat TM和Landsat ETM+影像，对天津市填海区的海岸线变化进行提取。图10展示了天津市填海区1995～2018年的海岸线变化和此区域垂直方向的沉降速率对比。

可以看出，围海造陆的区域从2005年之后大规模扩张，临港工业区在2010形成了如今的规模，南港工业区在2015年形成如今规模，开垦土地的主要应用为建设用地和湿地。此区域上集中了滨海新区大部分的工业园区，岸线长度占了整个海岸线长度的76.8%，并且仍在随着围海造陆活动与港口发展迅速向海域扩张[14]。

由图10可知，沉降严重的区域分布在近年的填海区，填海造陆活动本身对地表浅层的地质结构会有根本性的影响，地质较为松软，不断积压，加上海水的不断侵蚀，加剧了地表沉降。同时大部分土地利用类型是建筑用地，地表的建设活动与载荷也会产生一定量的地表沉降。所以研究区的沉降分布情况与围海造陆活动相关。根据区域监测结果分析，临港工业区不同填土厚度区域沉降差异较大，最初5～6年对地表沉降影响较大，之后逐年递减[15]。