南京市江北新区中央商务区地面沉降监测分析

徐慧文，孙静雯，徐良兴，朱坚，张琪

（1.南京江北新区建设和交通工程质量安全监督站，南京 211899；2.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

地面沉降是地面受地表荷载、地下水位下降及地质构造等因素的影响发生下沉的现象，是一种变化缓慢、大面积的持续性地质灾害[1-2]。 传统的地面沉降监测方法有水准测量和GNSS测量，这些方法监测成本高且效率低、时空采样率差，易受环境限制，难以快速实现大面积的地面高精度监测[3-4]。 因此，单纯依赖上述这些方法采集的数据在时间和空间上都具有一定的局限性，获得的沉降数据也不完整，往往只能得到一些离散点目标上的相对沉降量， 难以满足大范围的整体和实时形变监测需求。 相比以上传统地面沉降监测方法，合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一种全新的对地观测技术， 它使用两幅或多幅合成孔径雷达影像图，根据卫星接收的回波相位差生成地表形变图，以探取地表的微小形变信息[5]。 InSAR 技术不仅周期短、精度高，还能全天时、全天候地对大范围的地表形变进行监测，极大地弥补了传统监测手段的不足[6]。

本文以南京市江北新区中央商务区为研究区， 收集了2022 年5 月～2023 年3 月的22 景升轨Sentinel-1A 数据，采用小基线集雷达干涉 （Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR）技术，提取了研究区的地面沉降监测数据，使用同期水准数据验证精度，并进一步分析了地面沉降时空特征， 监测结果可为地面沉降灾害预防提供数据支持。

2 研究区概况与数据源

2.1 研究区概况

南京市江北新区位于长江以北，包括浦口区、六合区部分区域和栖霞区八卦洲街道， 是2015 年6 月27 日由国务院批复设立的第13 个国家级新区， 也是江苏省唯一的国家级新区。 江北新区为南京新一轮规划热点地区，正在大规模开展地铁建设，涉及江北新区核心区域的有南京地铁4 号线和11 号线。 地铁建设主要集中在长江漫滩区域，容易诱发地面沉降等地质灾害，因此，需要对该区域的地面沉降进行重点监测。 本文选择地面沉降较为严重的江北新区中央商务区作为研究区，研究区范围如图1 所示。 该区域为长江漫滩冲积平原区，地形平坦， 地面高程5～8 m； 近地表广泛分布淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂等，普遍厚度在30～60 m；地下水包括孔隙潜水和孔隙承压水。

图1 研究区范围

2.2 数据源

本文采用的主要数据源为22 景2022 年5 月25 日～2023年3 月9 日升轨Sentinel-1A 卫星影像，极化方式“VV”，成像模式“IW”。 Sentinel-1A 卫星于2014 年4 月3 日发射升空，是欧洲空间局哥白尼计划发射的首颗环境监测卫星， 采用12 d的重访周期进行全球成像，提供干涉宽幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）、条带模式（Strip Map Mode，SM）、超幅宽模式（Extra-Wide Swath Mode，EWS）以及波模 式（Wave，WV）4 种工作模式， 影像距离向×方位向分辨率为5 m×20 m， 波长约5.6 cm， 入射角约44°。 辅助数据包括30 m 分辨率的SRTM DEM 数据及精密轨道文件。 数据采用的平面坐标系为WGS 84 大地坐标系（通用横轴墨卡托投影，6°分带，中央子午线为117°）；高程基准为1985 国家高程基准。

3 研究方法

首先，根据Sentinel-1A 数据相干性变化特征，设定合适时空基线阈值组合基线，获取质量较高的差分干涉数据集合，并结合外部DEM 以及卫星轨道信息去除地形相位及平地相位，并对差分相位进行相位解缠。然后，从影像中提取可靠的相干点，根据其相位信息进行迭代回归分析，分离出的高程改正和残差都能达到可以接受的程度，对高程改正后的相位图进行空间低通滤波分离出大气相位， 对残差相位进行空间高通滤波，以分解出形变相位，并与优化后的解缠相位叠加，得到最优形变相位值。 最后，利用奇异值分解方法求解出各个时间段内的形变序列及形变速率。

4 结果与分析

4.1 精度验证

为验证InSAR 监测结果的可靠性， 采用水准测量值进行精度验证。 选用研究区8 个地面水准测量基准点，选取每个基准点最邻近InSAR 地面监测点作为对应InSAR 监测结果。 对比分析2022 年6～12 月实测水准数据与InSAR 沉降监测数据，总体上呈现了较好的一致性。计算每个水准点的InSAR 监测结果和水准测量误差，最大误差绝对值为4.8 mm，最小误差绝对值为0.3 mm，平均误差为2.5 mm。 说明基于InSAR 技术监测结果的准确性较好， 获取的中央商务区地面沉降量具有较高的精度和可靠性。

4.2 地面沉降时空特征分析

4.2.1 地面沉降空间特征分析

利用时序InSAR 技术对研究区Sentinel-1A 数据进行处理，得到地面沉降速率图（见图2）。 本研究区总面积27.7 km2，共识别出22 269 个地面点，监测点密度约803 个/km2。监测结果显示，研究区沉降特征较为明显，最大沉降速率达114 mm/a，其中， 约75%的监测点地面沉降速率大于10 mm/a，57%的监测点地面沉降速率大于20 mm/a，37%的监测点地面沉降速率大于30 mm/a，22%的监测点地面沉降速率大于40 mm/a，6%的监测点地面沉降速率大于60 mm/a。地面沉降严重区主要分布在中央商务区中部、北部和东部，分别集中在南京国际警官交流中心、南京铁道职业技术学院（浦口校区）—东南门和横江大道—广西梗大街十字路口周边。

图2 研究区地面沉降速率图

4.2.2 地面沉降时间特征分析

以2022 年5 月25 日为起始日期，2023 年3 月9 日为截止日期， 选取6 个时间点的地面沉降速率来分析地面沉降时间演化过程。分析发现，2022 年5～12 月，研究区地面沉降面积明显增加， 地面沉降速率在20～40 mm/a 的区域增加尤为显著；2022 年12 月～2023 年3 月， 研究区地面沉降分布总面积持续增加，且局部区域地面沉降速率加快，沉降速率最大可达114 mm/a。 从地面沉降时间演化过程可看出，研究区内地面沉降总面积呈现出先增加后趋于稳定的现象； 但局部地区地面沉降速率持续加快，说明该地区存在严重的差异沉降，人为施工等因素可能是差异沉降的主要原因。

4.2.3 重点监测点分析

为了更好地分析研究区地面沉降时空演化特征， 结合光学影像和地面沉降速率图， 选取3 个沉降严重的重点监测点P1、P2、P3，具体位置见表1，对其进行时序沉降分析，得到了2022 年5 月25 日～2023 年3 月9 日随时间变化的累积沉降量折线图（见图3）。

图3 重点监测点累积沉降量折线图

分析可知， 在监测期间，3 个重点监测点累积沉降量以不同的沉降速率呈现出逐年增加的趋势，其中，P2 在监测时间段内沉降最为严重，累积沉降量约为98 mm；P1 在监测时段内累积沉降量最小，约为71 mm。

5 结论

本文采用SBAS-InSAR 技术及Sentinel-1A 卫星影像，对2022 年5 月～2023 年3 月覆盖南京市江北新区中央商务区的22 景升轨Sentinel-1A 影像数据进行沉降监测分析，获得了中央商务区的地面沉降速率， 分析了中央商务区地面沉降时空演变特征，结论如下。

1）沉降严重区主要集中在南京国际警官交流中心、南京铁道职业技术学院和横江大道-广西梗大街十字路口。 其中，37%的监测点地面沉降速率大于30 mm/a，22%的监测点地面沉降速率大于40 mm/a，6%的监测点地面沉降速率大于60 mm/a。

2）在监测期间，研究区沉降分布基本处于稳定状态，但局部差异沉降显著，沉降速率最大可达114 mm/a。

3）重点监测点沉降量随时间增加而增加，且基本呈线性关系。 预测局部区域地面沉降量将在未来一段时间内持续增加，并且差异沉降现象将继续加重，有必要对该区域进行持续的地面沉降监测。