基于SBAS-InSAR技术武汉市地面沉降监测及成因分析

摘 要：地面沉降是城市化进程中常见的地质现象，武汉市作为中部地区的重要城市，地面沉降问题日益严峻。本文基于哨兵一号（Sentinel-1）数据，采用SBAS-InSAR（Small Baseline Subset InSAR）技术，对武汉市地面沉降进行系统监测与分析。研究结果表明，监测期间武汉市主城区地面沉降呈现明显的空间差异，研究区形变速率为-39.07mm/a至23.97mm/a，其中最高抬升106.44mm，最高沉降166.58mm。最后也分别从地下水开采、地面荷载、地质条件与地层特征、湖泊填充和降水变化五个方面进行地面沉降成因分析，研究成果为武汉市地面沉降监测与治理提供了科学依据，并为城市规划与资源管理提供了有力的支持。

关键词：武汉；地面沉降；SBAS-InSAR；哨兵一号 

1979年改革开放后，随着经济全球化和城市国际化，我国城市化进入持续稳定的发展阶段[1]。城市化在提高人们物质文明水平的同时，人地关系所面临的问题也日益突出，各类资源在地域与时间上的供应失调，为满足能源需要而加速开采地下矿物；为缓解城市交通压力而修建地铁，地下停车场；城市水资源供给不足，于是开采地下水等行为，这些行为虽然满足了城市化发展的需要，但在另一方面也带来了许多负面影响其中就包括因其缓慢发生，而不易被发现的地面沉降。

地面沉降是是一种由自然或人为因素而导致地表下面发生缓慢或突然塌陷的环境地质现象[2]。城市地面沉降是城市化发展中不可避免的全球性问题，也是目前威胁城市安全的主要因素。1891年，地面沉降首次发现于墨西哥城，美国约超过40个州以及中国近20个省都发生了不同程度的的地面沉降[3]。地面沉降不仅诱导地质灾害（如滑坡、火山喷发、地震）的发生[4]，还会影响城市地上地下的基础设施（比如建筑物、道路[5,6]、地铁[7]）。

准确、持续地对区域进行地面沉降监测是城市安全监测与防治的重要部分。以往传统技术为大地水准测量和GNSS测量，但由于该技术测量范围小，对于大尺度范围上的沉降监测来说，成本需求高[8]。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）包括PS-InSAR[9]技术,SBAS-InSAR技术[10]以及DS-InSAR[11]等技术。因其高精度、高分辨率、全天候等特点在近年来广泛运用[12]，且与高分辨率合成孔径雷达图像综合运用，对地面沉降监测和分析取得了可靠的结果。例如:(Li等人)利用SBAS-InSAR技术监测并分析了河南中北部平原地面沉降，并与水准测量结果较一致[13]。（王涛等人）运用D-InSAR技术对天津地区地面沉降进行监测，同水准监测数据对比，沉降结果与水准资料相一致[14]。（Hussain等人）通过PS-InSAR技术获取了拉合尔地面沉降信息，分析得到该城市地面沉降与地下水、土壤固结以及人口增长有关[15]。因此准确获取城市地面沉降信息，并进行针对性成因分析研究对城市的发展规划和安全防治具有重要意义。

本文以武汉市主城区为研究区开展地面沉降研究，收集覆盖该区域2019年1月20日至2023年10月02日43景Sentinel-1A影响，采用SBAS-InSAR技术进行数据处理，最终得到武汉市沉降速率与时序信息，并借助ArcGIS软件进行空间分析以及成因分析。研究结果可为武汉市地面沉降监测和防治提供参考。

一、研究区域及数据源

武汉市位于中国中部的长江中游平原，地理坐标为东经113°41′～115°05′，北纬29°58′～31°22′，总面积约8569.15km²[16]，是湖北省省会及长江经济带的核心城市之一（图1）。武汉地处长江与汉江交汇处，拥有丰富的水资源，素有“九省通衢”之称，是全国重要的经济中心、科教中心和综合交通枢纽。研究区选取武汉市主城区，主要包括黄陂区、江岸区、江汉区、洪山区、硚口区、汉阳区、蔡甸区、青山区、武昌区、洪山区、江夏区共十一个区，面积约707.96km²。近年来，随着城市化进程的加快和地下资源的过度开采，武汉市部分地区出现了不同程度的地面沉降现象。地面沉降的发生与城市地层结构、地下水开采强度以及地表负载等多种因素密切相关，给城市基础设施安全和社会经济发展带来了潜在威胁。

图1 研究区位图

本次实验所采用的是覆盖武汉市2019年1月20日至2023年10月02日期间获取的43幅Sentinel-1A影响数据，数据基本信息如下：

表1 影像基本信息

精密轨道数据下载于；https://step.esa.int/auxdata/orbits/Sentinel-1/POEORB/S1A/。

DEM数据下载于：https://search.earthdata.nasa.gov/search。

二、数据处理—SBAS-InSAR

SBAS-InSAR方法作为-种先进的多时相InSAR 分析方法，能够很好地降低时间和空间失相干对InSAR干涉形变的影响，有效消除了解缠误差与大气效应延迟误差等影响，提高了其位移监测能力和时空分辨率[17]。SBAS-InSAR技术方法可有效解决单个集合内时间采样不够的问题,从而得到覆盖整个观测时间的形变序列和平均沉降速率，这种方法最早是Berardino 等人在2002年提出[10]。

SBAS-InSAR是一种依据多主影像和短时空基线准则的时间序列InSAR分析方法,其通过多主影像、短时空基线准则生成的干涉组合,可以形成尽可能多的干涉对集合,利用最小二乘法对每个小集合的形变时间序列进行解算,并通过奇异值分解法将多个小集合联合起来进行求解从而获取整个观测时间内的地表时间序列形变信息。SBAS-InSAR技术在一定程度上减缓了由于时空基线过长而导致的失相干现象,同时还增加了形变监测的时间分辨率。其主要技术原理描述如下[18]：

设有按照一定时间序列)获取覆盖同一区域的N+1幅SAR影像,任意选取一幅影像作为主影像进行配准,设置合适的时空基线阈值进行干涉对组合,再分别对每个组合影像对进行差分干涉处理,共生成M幅差分干涉图,此时M满足:

假设第幅已经解缠的干涉图是由和时刻获取的两期SAR影像进行差分干涉得到,那么此时这幅干涉图中某个像素点处的干涉相位可以表示为:

式中, 为某一像素点处的干涉相位)和分别是像素点在和时刻对应于时刻的相位; 为时刻之间视线向的形变相位; 为地形相位误差; 为大气相位误差; 为噪声引起的相位误差。其中,可进一步表示为:

式中, 和分别代表和时刻相对参考时间时刻的视线向累积形变量; 为雷达波长;为雷达到地面观测物体的斜距; 为入射角;为垂直基线; 为高程误差: 、分别为和时刻对应的大气延迟相位。

最后将得到的地表形变结果转换到垂直方向，关系式如下：

其主要操作步骤有:

（一）数据预处理：DEM数据和SAR数据的预处理

（二）连接图生成:选取超级主影像，根据输入的时间和空间基线阈值生成SAR数据对连接图;

（三）差分干涉:对所有配对的干涉像对进行相干性生成、去平、滤波、相干性计算和相位解缠，并配准到超级主影像上;

（四）轨道精炼和重去平:估算和去除残余的恒定相位和相位解缠后残留的相位坡道;

（五）SBAS反演：经过两次反演计算形变速率和时间序列上的位移;

（六）地理编码:将地面沉降反演结果转换到地理坐标系下[19,20]

三、沉降结果

研究利用哨兵一号（Sentinel-1）卫星的合成孔径雷达（SAR）影像，通过SBAS-InSAR技术成功提取了武汉市主城区内的2019年1月至2023年10月地面沉降速率与时空演变特征（图2）所示。

整体上看，武汉市主城区的地面形变速率呈现出显著的空间差异。研究期间，主城区的形变速率最大值为23.97mm/a，最小值为-39.07mm/a，平均形变速率为-0.96mm/a。形变量方面，研究期内的最高抬升量为106.44mm，最高沉降量为166.58mm，平均形变量为-7.97mm。将主城区按不同区划进行分析，各区的平均形变速率和形变量如表2所示，差异较大。从平均形变速率来看，江岸区的平均形变速率最大，为-2.22mm/a，其次为硚口区、黄陂区和江夏区，显示出这些地区的沉降现象较为明显。就形变量而言，江夏区的平均形变量最大，达到16.74mm，表明该区域的地面沉降最为显著，其次为江岸区和洪山区。这些差异表明，不同区域的地面沉降和抬升情况差异较大，且沉降的空间分布特征具有显著的区域性。

表2 各区平均形变速率与平均形变量

图2 武汉市主城区形变速率(a)、形变量(b)结果图与形变量分级图(c)

    从空间分布上（图2c）看，武汉市主城区各区的地面沉降呈现出显著的区域差异。江夏区和洪山区为沉降最为严重的地区，沉降量普遍在0mm至40mm之间，部分区域的沉降量甚至超过50mm，显示出这些区域的地面沉降现象较为广泛且明显。与此同时，青山区、武昌区、江岸区和硚口区的沉降情况则较为复杂，既有抬升现象，也存在不同程度的沉降，且这些地区均呈现明显的沉降漏斗区域，显示出不同区域间的地面形变差异。在这些区域，沉降和抬升交替出现，表明局部区域的沉降速率较高。至于蔡甸区、汉阳区（南部除外）和江汉区，整体上呈现出地面抬升趋势，几乎没有显著的沉降现象，且抬升量较为均匀，显示出这些区域地面形变的稳定性较好。

四、武汉市地表形变成因分析

武汉市地面沉降的发生是多种因素综合作用的结果，涉及自然因素与人为活动的相互影响。通过对遥感影像、地下水位数据、地质资料和城市发展数据的分析，本研究对武汉市地面沉降的主要成因进行了系统分析。根据研究结果，地面沉降的主要成因可以归结为以下几个方面：

（一） 地下水过度开采

武汉市的地面沉降与地下水开采密切相关。地下水的过度开采，尤其是在城市化进程中的工业和居民用水需求增加，导致了地下水位的持续下降[21]。长期的地下水抽取使得地下水层受到过度开采的影响，导致土壤和岩层的压实，进而引发地面沉降。特别是在武汉的武昌区、江汉区和汉阳区等区域，部分地区地下水开采强度较大，地下水位下降现象尤为明显。这些区域的沉降速率较高，地下水位下降与地面沉降之间呈现出高度的相关性。地下水位下降不仅使得地下水承压层发生沉降，还可能导致地面裂缝、地基沉降等问题，进一步影响建筑物的安全性和城市基础设施的稳定性。

（二） 地面荷载与城市建设

随着武汉市城市化进程的快速推进，特别是市中心和重要商业区的大规模建筑工程和基础设施建设，地面荷载对地面沉降的影响逐渐显现。密集的建筑物和基础设施增加了地基的荷载，导致土层发生压实和固结，进而引发地面下沉。尤其是在高密度的商业区和工业区，重型机械的使用加剧了土壤的固结与变形。此外，城市建设过程中涉及的大规模土方开挖、道路铺设和地下管网建设，改变了地下水流动模式和土层的承载力，进一步加剧了地面沉降的问题。特别是在地铁和地下商业空间等地下空间开发项目中，大规模的土方开挖和地下结构建设引起了土层扰动和地下水位变化，导致地层松动，进一步加剧了沉降现象，表明城市建设和地面荷载对地面沉降的影响不可忽视。

（三） 地质条件与地层特征

武汉市地质结构复杂，地层主要由松散沉积物构成，尤其是江汉平原和长江、汉江沿线的地区。研究表明，武汉市的部分地区，尤其是低洼区和河流附近的软土层，承载力较弱，容易发生沉降。地质条件不均匀性是导致地面沉降的自然原因之一。地下水位的波动对软土层和松散沉积物的影响尤为显著。当地下水位下降时，土层中的孔隙水压力减少，土颗粒间的粘结力减弱，导致土层发生压实和固结，进而引起地面沉降。在武汉市，尤其是靠近长江和汉江的地区，这种现象较为明显。

（四）湖泊填充

武汉市有大量的湖泊和湿地，在城市化过程中，大量的湖泊被填埋或改造为建设用地。湖泊填充改变了原有的地下水流动和土壤结构，导致土层的承载能力降低，从而引发地面沉降。湖泊填埋区域的地面沉降速度通常较快，且沉降范围较广。例如，沙湖、南湖、汤逊湖等湖泊的部分填埋区，在短期内出现了明显的沉降现象。湖泊及湿地的填埋通常伴随着大量的土方工程，这些地区的沉降过程往往是长期且累积性的，表现为缓慢但持续的地面下降。

（五） 降水变化

气候变化也可能对地面沉降产生一定的影响。特别是在降水量剧烈变化的年份，地面沉降的速率可能会有所波动。强降水或干旱天气会导致地下水位的波动，从而影响地层的稳定性。在武汉市，尤其是降水较为集中的季节，土壤的含水量变化可能影响沉积物的压实程度，造成局部区域的地面沉降。在一些低洼区域，沉降现象与气候因素的关系较为显著。

五、结语

本文采用SBAS-InSAR技术，结合2019年1月至2023年10月的Sentinel-1A影像，对武汉市主城区11个区进行地面沉降监测。研究结果表明：监测期间武汉市主城区呈现不均匀沉降，研究区形变速率为-39.07mm/a至23.97mm/a，其中最高抬升106.44mm，最高沉降166.58mm。并且不同区其沉降情况也不同。最后也分别从地下水开采、地面荷载、地质条件与地层特征、湖泊填充和降水变化五个方面进行地面沉降成因分析。研究结果揭示沉降的时空分布特征及成因，为地质灾害防控提供科学依据；另一方面，通过对沉降问题的监测与评估，可为城市规划、地下水资源管理及基础设施建设提供支持，助力武汉市实现经济发展与生态保护的协调统一，推动城市可持续发展。

参考文献：

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