城市地面沉降监测技术方法与应用

李晓影

(杭州市勘测设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310012)

0 引言

城市在建设发展过程中往往伴随着地面沉降的发生,地面沉降监测技术方法主要有水准测量、合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测量等[1]。传统的水准测量的精度较高,可以同时兼顾地表形变和高程基准的建设需求,但存在人力投入成本大、点位分布较为稀疏、作业周期长等问题[2]。面对日益扩大的区域性地面沉降趋势,越来越需要现代高新技术提供更全面、及时、科学的监测手段。GNSS测量可以实现针对某点或设施长时间、动态的实时监测,如大坝、桥梁监测等,但如果采用大量布点、静态观测的话,实施周期较长,点位密度稀疏[2]。

InSAR技术是基于雷达遥感的新型空间对地观测技术,它可以高精度地监测大面积微小地面形变,实现对地表形变毫米级的几何测量[3-4]。在城市地面沉降监测方面,InSAR技术主要表现在：①监测覆盖面广,一次卫星过境就可以覆盖上千平方千米的范围;②监测连续性好,卫星按一定的时间间隔对地面同一目标进行周期性的观测,数据更新快,数据量丰富,可监测地面目标在时间序列上的连续形变过程;③受天气影响小,雷达卫星受天气影响较小,可全天候、全天时地实现对地观测。

在城市地面沉降监测研究方面,先后有学者[5-10]研究了InSAR技术和水准测量的优缺点,说明了因InSAR机理限制而无法观测的重点区域,水准方法可以进行有效的测量,并通过数据融合理论或方法得到高时空分辨率的地面沉降监测成果。上述研究主要集中在InSAR技术和水准测量技术的融合理论,但在城市区域内开展多期水准测量和InSAR监测对比分析不足,少量的水准测量数据与InSAR监测结果的对比容易造成评定结果优良的假象,且较少结合城市区域重要基础设施的建设对地面沉降监测成果开展应用分析。

本文主要以杭州市为例,通过多期大量的水准测量数据和InSAR监测成果,研究城市地面沉降监测技术方法的适用性和技术难点,旨在为新一线城市地面沉降监测和控制提供建设思路。

1 地面沉降监测技术方法与应用

本文以杭州市为例研究城市地面沉降监测技术方法与应用,杭州市地处长江三角洲,钱塘江下游,是我国地面沉降重点监控区。历史上,境内平原地区由于新构造运动、海水升降、古苕溪和古钱塘江多次河道改造等,致使杭州市第四系地层更具竖向土层厚薄变化多、软硬交替频繁等特点,地面沉降成因复杂多变。根据多年的水准测量资料显示,杭州市东部沉降量较大,尤其以鄞州区块更为显著,个别地方最大沉降量累计达70 mm。

本文采用传统的水准测量和InSAR技术相结合,获取城市区域多维度、高精度地面沉降数据,研究区范围如图1所示,通过叠加大鄞州新城、大型线性工程等数据,分析地面沉降对重大工程的影响范围和程度,为制定城市空间规划、建设城市轨道交通和其他城市基础设施等,提供高分辨率、高精度、及时更新的地面沉降监测数据。

图1 研究区范围

1.1 多期水准测量数据处理

杭州市自2014年—2015年即建立起新一代城市水准沉降观测网,主要布设在杭州市东部平原地区,由510 km一等水准路线(框架网)和1 100 km二等水准路线(监测网)组成,其中一等水准路线构成4个闭合环,二等路线构成120个附合路线或闭合环。全网包括520个监测点位,含一、二等水准点、基岩点、GNSS点、城市地铁深桩点等,按照《国家一、二等水准测量规范》和《地面沉降测量规范》的要求,分别于2017、2019、2020年开展了水准观测任务。

经外业测量检查合格的水准观测数据首先对起算点稳定性进行分析,再对水准观测数据进行平差处理。平差采用间接平差方法,以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正后的往返测高差中数为平差元素,首先求取结点高程,再次采用附合路线推求其他点高程。由于涉及多期水准测量数据的分析与平差处理,而杭州市城市水准沉降观测网联测了10座基岩点,本文通过基岩点间高差较差的变化来分析,确定“Ⅰ青杭108基岩”稳定可靠,将此点作为多期沉降监测一等水准网起算点使用,从而保证了起算基准的统一。

经过严密的数据处理,得到了城市水准沉降观测网1985国家高程基准高程成果,通过重合点的两期平差高程变化量计算沉降量,分别得到了2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年水准地面沉降测量结果。

1.2 InSAR监测数据处理

根据沉降监测的范围和周期,本文采用Sentinel-1卫星升轨干涉宽幅模式单视复数图像(single look complex image,SLC)数据,合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)数据列表见表1,分辨率为20 m(方位向)×5 m(距离向),SAR数据覆盖面积25 506 km2,其中杭州市行政区划内面积8 284 km2。为掌握杭州市地面沉降年际变化信息和阶段性的沉降规律,分2015—2017年、2017—2020年两期进行数据处理。

表1 SAR数据列表

本文以StaMPS方法进行时序InSAR数据处理,两期主图像分别为20161222、20180215,干涉对的最大空间基线113 m,数据处理主要包含SAR数据预处理、图像配准、差分干涉处理、去除平地效应、时序InSAR分析,相位解缠、地理编码等过程[11-12],时序InSAR分析主要采用永久散射体 (persistent scatterer,PS)方法分别评估大气影响相位、轨道误差相位、地形残差相位等,对相位解缠后的相位去除大气影响相位、轨道误差相位、地形残差相位,即为形变相位,转换为年均沉降速率,以反映该地区的形变空间分布趋势。

数据处理过程中,发现西部山区存在异常形变,分析认为西部山区与平原地区高差较大,该地区存在明显的大气垂直分层引起的误差。大气垂直分层延迟主要由静力学延迟和小部分天顶湿延迟组成,该部分误差与地形有较强的相关性[13-14]。本文采用多尺度分解方法评估高程-相位比例系数及最佳分解尺度,校正该地区时序干涉测量结果中的大气垂直分层延迟。相对于低通、高通滤波图像,带通滤波图像的高程-相位相关性R更大,线性关系更明显,因此选择带通滤波图像统计的高程-相位比例系数校正研究区大气垂直分层延迟[14]。

本文通过嵌入matlab代码的方式去除大气垂直分层延迟的误差影响,得到较为可靠的监测结果,大部分的异常形变得到了消除。InSAR监测结果显示,2015—2017年、2017—2020年杭州市地面沉降主要发生在萧山区和余杭区,零星分布在富阳区、主城区,平均沉降速率结果见图2,地面沉降漏斗存在空间上的变化并存在一定的减弱趋势。

(a)2015—2017年

(b)2017—2020年

1.3 成果应用分析

结合多期水准测量和InSAR监测结果分析杭州市近年来地面沉降发展趋势和变化特征,通过沉降变化量、平均形变速率、形变时间序列、累计沉降量、典型沉降区域位置及范围等,针对城市区域内重要基础设施、大型线状工程、跨江桥梁等进行地面沉降应用分析,有利于城市规划建设和灾害防治的科学决策。

杭州市地铁相继开通运营的有12条,通过叠加地面沉降监测资料,发现部分地铁线路经过地面沉降漏斗区域,新建地铁线路部分地段存在一定的地面沉降,中医药大学地铁站在建设施工期造成了一定程度的地面沉降,运营期地面沉降逐渐消失。

本文将连接杭州的多条高铁线路叠加地面沉降监测资料,发现余杭高铁站附近沉降相对较为明显,沉降速率约为9～15 mm/a;杭州东高铁站台处较为稳定,而站台两侧多条股道存在一定程度的沉降,沉降速率为6～16 mm/a。

由于杭州市位于钱塘江下游,到目前为止,钱塘江上已有十座跨江桥梁建成通车,跨江桥梁叠加地面沉降监测资料,发现彭埠大桥和钱江铁路桥跨江段存在一定程度不均匀沉降,实地调查发现,钱江铁路桥和钱江二桥的西北侧正在改造,正在施工的杭甬高速工程新建了新彭埠大桥,该桥的基础开挖建设可能对紧挨的两座大桥产生影响,诱发桥梁不均匀沉降。

2 地面沉降监测方法对比分析

2.1 多期水准测量结果的对比

由于2019年复测了全部一等水准网和外围两个环的二等水准,2020年复测了全部一等水准网和内部两个环的二等水准,因此为便于沉降量的提取和分析,将多期水准测量沉降量分为2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年共3个阶段,如图3。杭州市整体沉降并存在几处较明显的沉降区域,地面沉降平均沉降量为10～15 mm,最大沉降点沉降量52 mm,主要分布在萧山区和余杭区,多期地面沉降对比发现其趋势存在一定的减弱,说明沉降得到了一定程度的控制。

(a)2014—2017年

(b)2017—2019年

(c)2017—2020年

2.2 水准测量与InSAR监测结果的对比

雷坤超等人在北京平原区分析了水准测量参考基准不同,获得的沉降信息会存在明显差异[15]。本文为便于数据对比分析,InSAR监测数据处理过程中参考区域选取与水准测量起算点相同位置,基于统一的参考基准开展水准测量和InSAR监测成果对比和精度评定。

将同期水准测量结果与InSAR监测结果进行目标匹配和叠加分析,在相干目标稀少的地区,通过空间插值(空间插值方法采用克里金插值法)相干目标点拟合成面,提取水准点位置对应的相干目标拟合面的位置,分别提取水准和相干目标的沉降值,组成一组精度验证数据;在相干目标密集的地区,采用最邻近点法搜索水准点数据附近最邻近相干目标点,组成验证数据组,其搜索应在5个像元以内,待收集齐所有的验证数据组后,进行精度验证和相关性分析,评价的主要参数有样本数目、误差平均值和中误差。

2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年3个阶段样本数目分别为412、283、259个,将水准测量沉降量和InSAR监测累积沉降量计算差值,误差平均值分别-3.2、-2.6、-4.0 mm,中误差分别为±6.3、±5.9、±7.2 mm,如图4所示,差值直方图近似服从正态分布,反映水准测量结果与InSAR监测成果整体具有一致性。

(a)2014—2017年

(b)2017—2019年

(c)2017—2020年

2.3 数据融合与综合分析

水准测量的精度较高,可以同时兼顾地表形变和高程基准的建设需求,但人力投入成本大,点位分布较为稀疏。InSAR监测覆盖范围面广,相干目标点位密度大,能刻画出更多的地面沉降细节信息,尤其对线状地物沿线的沉降情况能够有效地把握。

在城市地面沉降监测中,水准测量和InSAR监测可以相互验证、相互补充、有效融合,水准测量可以为InSAR监测参考基准的设置提供参考,而InSAR监测面状的成果信息可以为辅助优化水准监测网型。通过InSAR监测到的时间序列变化,可以更好地诠释不同季节水准测量成果存在季节性的误差。同时根据城市地面沉降的监测资料,开展实地调查,摸清发生地面沉降的位置、原因和范围,从而制定针对性的措施防控地面沉降带来的危害,为城市建设发展提供支撑服务。

3 结束语

本文以杭州市为例,开展了多期水准测量和InSAR监测数据处理,获取了杭州市2015—2020年地面沉降空间分布特征和发展趋势信息,并针对城市区域内地铁、高速铁路、跨江桥梁等进行了地面沉降应用分析。将多期水准测量成果和InSAR监测结果进行对比验证和数据融合分析,显示两种技术方法测量结果具有较好的一致性,不同技术方法可以相互弥补、互为补充。

城市大型线性工程如地铁、高速铁路、高架路网是城市建设中的基础性建设,这些重大工程对城市地面沉降的影响至关重要,成为政府关注的重点。通过本文的研究可以发现城市建设过程中地铁的开挖造成地面沉降,及时挽救损失;可以对城市大型基础设施健康状态进行监测和分析,及时发现存在的安全隐患。

城市地面沉降的监测可以为城市管理和民生重点工程建设和维护提供及时的服务,为城市规划和地质灾害防控提供支撑。将多期水准测量和InSAR监测技术方法进行融合处理和综合分析的建设思路,可以为新一线城市地面沉降监测和控制提供科学的决策依据。

为进一步开展城市沉降观测,下一步的研究重点将放在持续动态更新及对同步开展传统水准沉降观测与InSAR监测的优化组合方面,以充分发挥这两种方法的技术优势,扬长补短,进一步提高工作效率和节约资金投入。