李曉影

(杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 浙江 杭州 310012)

0 引言

城市在建設(shè)發(fā)展過程中往往伴隨著地面沉降的發(fā)生,地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法主要有水準(zhǔn)測(cè)量、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測(cè)量等[1]。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量的精度較高,可以同時(shí)兼顧地表形變和高程基準(zhǔn)的建設(shè)需求,但存在人力投入成本大、點(diǎn)位分布較為稀疏、作業(yè)周期長等問題[2]。面對(duì)日益擴(kuò)大的區(qū)域性地面沉降趨勢(shì),越來越需要現(xiàn)代高新技術(shù)提供更全面、及時(shí)、科學(xué)的監(jiān)測(cè)手段。GNSS測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)某點(diǎn)或設(shè)施長時(shí)間、動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如大壩、橋梁監(jiān)測(cè)等,但如果采用大量布點(diǎn)、靜態(tài)觀測(cè)的話,實(shí)施周期較長,點(diǎn)位密度稀疏[2]。

InSAR技術(shù)是基于雷達(dá)遙感的新型空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù),它可以高精度地監(jiān)測(cè)大面積微小地面形變,實(shí)現(xiàn)對(duì)地表形變毫米級(jí)的幾何測(cè)量[3-4]。在城市地面沉降監(jiān)測(cè)方面,InSAR技術(shù)主要表現(xiàn)在：①監(jiān)測(cè)覆蓋面廣,一次衛(wèi)星過境就可以覆蓋上千平方千米的范圍;②監(jiān)測(cè)連續(xù)性好,衛(wèi)星按一定的時(shí)間間隔對(duì)地面同一目標(biāo)進(jìn)行周期性的觀測(cè),數(shù)據(jù)更新快,數(shù)據(jù)量豐富,可監(jiān)測(cè)地面目標(biāo)在時(shí)間序列上的連續(xù)形變過程;③受天氣影響小,雷達(dá)衛(wèi)星受天氣影響較小,可全天候、全天時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。

在城市地面沉降監(jiān)測(cè)研究方面,先后有學(xué)者[5-10]研究了InSAR技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn),說明了因InSAR機(jī)理限制而無法觀測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域,水準(zhǔn)方法可以進(jìn)行有效的測(cè)量,并通過數(shù)據(jù)融合理論或方法得到高時(shí)空分辨率的地面沉降監(jiān)測(cè)成果。上述研究主要集中在InSAR技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的融合理論,但在城市區(qū)域內(nèi)開展多期水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)對(duì)比分析不足,少量的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比容易造成評(píng)定結(jié)果優(yōu)良的假象,且較少結(jié)合城市區(qū)域重要基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)成果開展應(yīng)用分析。

本文主要以杭州市為例,通過多期大量的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)和InSAR監(jiān)測(cè)成果,研究城市地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的適用性和技術(shù)難點(diǎn),旨在為新一線城市地面沉降監(jiān)測(cè)和控制提供建設(shè)思路。

1 地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法與應(yīng)用

本文以杭州市為例研究城市地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法與應(yīng)用,杭州市地處長江三角洲,錢塘江下游,是我國地面沉降重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)。歷史上,境內(nèi)平原地區(qū)由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海水升降、古苕溪和古錢塘江多次河道改造等,致使杭州市第四系地層更具豎向土層厚薄變化多、軟硬交替頻繁等特點(diǎn),地面沉降成因復(fù)雜多變。根據(jù)多年的水準(zhǔn)測(cè)量資料顯示,杭州市東部沉降量較大,尤其以鄞州區(qū)塊更為顯著,個(gè)別地方最大沉降量累計(jì)達(dá)70 mm。

本文采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR技術(shù)相結(jié)合,獲取城市區(qū)域多維度、高精度地面沉降數(shù)據(jù),研究區(qū)范圍如圖1所示,通過疊加大鄞州新城、大型線性工程等數(shù)據(jù),分析地面沉降對(duì)重大工程的影響范圍和程度,為制定城市空間規(guī)劃、建設(shè)城市軌道交通和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施等,提供高分辨率、高精度、及時(shí)更新的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)范圍

1.1 多期水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

杭州市自2014年—2015年即建立起新一代城市水準(zhǔn)沉降觀測(cè)網(wǎng),主要布設(shè)在杭州市東部平原地區(qū),由510 km一等水準(zhǔn)路線(框架網(wǎng))和1 100 km二等水準(zhǔn)路線(監(jiān)測(cè)網(wǎng))組成,其中一等水準(zhǔn)路線構(gòu)成4個(gè)閉合環(huán),二等路線構(gòu)成120個(gè)附合路線或閉合環(huán)。全網(wǎng)包括520個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,含一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)、基巖點(diǎn)、GNSS點(diǎn)、城市地鐵深樁點(diǎn)等,按照《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》和《地面沉降測(cè)量規(guī)范》的要求,分別于2017、2019、2020年開展了水準(zhǔn)觀測(cè)任務(wù)。

經(jīng)外業(yè)測(cè)量檢查合格的水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)首先對(duì)起算點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,再對(duì)水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理。平差采用間接平差方法,以加過標(biāo)尺長度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正后的往返測(cè)高差中數(shù)為平差元素,首先求取結(jié)點(diǎn)高程,再次采用附合路線推求其他點(diǎn)高程。由于涉及多期水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析與平差處理,而杭州市城市水準(zhǔn)沉降觀測(cè)網(wǎng)聯(lián)測(cè)了10座基巖點(diǎn),本文通過基巖點(diǎn)間高差較差的變化來分析,確定“Ⅰ青杭108基巖”穩(wěn)定可靠,將此點(diǎn)作為多期沉降監(jiān)測(cè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)起算點(diǎn)使用,從而保證了起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理,得到了城市水準(zhǔn)沉降觀測(cè)網(wǎng)1985國家高程基準(zhǔn)高程成果,通過重合點(diǎn)的兩期平差高程變化量計(jì)算沉降量,分別得到了2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年水準(zhǔn)地面沉降測(cè)量結(jié)果。

1.2 InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)的范圍和周期,本文采用Sentinel-1衛(wèi)星升軌干涉寬幅模式單視復(fù)數(shù)圖像(single look complex image,SLC)數(shù)據(jù),合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)數(shù)據(jù)列表見表1,分辨率為20 m(方位向)×5 m(距離向),SAR數(shù)據(jù)覆蓋面積25 506 km2,其中杭州市行政區(qū)劃內(nèi)面積8 284 km2。為掌握杭州市地面沉降年際變化信息和階段性的沉降規(guī)律,分2015—2017年、2017—2020年兩期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表1 SAR數(shù)據(jù)列表

本文以StaMPS方法進(jìn)行時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)處理,兩期主圖像分別為20161222、20180215,干涉對(duì)的最大空間基線113 m,數(shù)據(jù)處理主要包含SAR數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、差分干涉處理、去除平地效應(yīng)、時(shí)序InSAR分析,相位解纏、地理編碼等過程[11-12],時(shí)序InSAR分析主要采用永久散射體 (persistent scatterer,PS)方法分別評(píng)估大氣影響相位、軌道誤差相位、地形殘差相位等,對(duì)相位解纏后的相位去除大氣影響相位、軌道誤差相位、地形殘差相位,即為形變相位,轉(zhuǎn)換為年均沉降速率,以反映該地區(qū)的形變空間分布趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)處理過程中,發(fā)現(xiàn)西部山區(qū)存在異常形變,分析認(rèn)為西部山區(qū)與平原地區(qū)高差較大,該地區(qū)存在明顯的大氣垂直分層引起的誤差。大氣垂直分層延遲主要由靜力學(xué)延遲和小部分天頂濕延遲組成,該部分誤差與地形有較強(qiáng)的相關(guān)性[13-14]。本文采用多尺度分解方法評(píng)估高程-相位比例系數(shù)及最佳分解尺度,校正該地區(qū)時(shí)序干涉測(cè)量結(jié)果中的大氣垂直分層延遲。相對(duì)于低通、高通濾波圖像,帶通濾波圖像的高程-相位相關(guān)性R更大,線性關(guān)系更明顯,因此選擇帶通濾波圖像統(tǒng)計(jì)的高程-相位比例系數(shù)校正研究區(qū)大氣垂直分層延遲[14]。

本文通過嵌入matlab代碼的方式去除大氣垂直分層延遲的誤差影響,得到較為可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果,大部分的異常形變得到了消除。InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,2015—2017年、2017—2020年杭州市地面沉降主要發(fā)生在蕭山區(qū)和余杭區(qū),零星分布在富陽區(qū)、主城區(qū),平均沉降速率結(jié)果見圖2,地面沉降漏斗存在空間上的變化并存在一定的減弱趨勢(shì)。

(a)2015—2017年

(b)2017—2020年

1.3 成果應(yīng)用分析

結(jié)合多期水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果分析杭州市近年來地面沉降發(fā)展趨勢(shì)和變化特征,通過沉降變化量、平均形變速率、形變時(shí)間序列、累計(jì)沉降量、典型沉降區(qū)域位置及范圍等,針對(duì)城市區(qū)域內(nèi)重要基礎(chǔ)設(shè)施、大型線狀工程、跨江橋梁等進(jìn)行地面沉降應(yīng)用分析,有利于城市規(guī)劃建設(shè)和災(zāi)害防治的科學(xué)決策。

杭州市地鐵相繼開通運(yùn)營的有12條,通過疊加地面沉降監(jiān)測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)部分地鐵線路經(jīng)過地面沉降漏斗區(qū)域,新建地鐵線路部分地段存在一定的地面沉降,中醫(yī)藥大學(xué)地鐵站在建設(shè)施工期造成了一定程度的地面沉降,運(yùn)營期地面沉降逐漸消失。

本文將連接杭州的多條高鐵線路疊加地面沉降監(jiān)測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)余杭高鐵站附近沉降相對(duì)較為明顯,沉降速率約為9～15 mm/a;杭州東高鐵站臺(tái)處較為穩(wěn)定,而站臺(tái)兩側(cè)多條股道存在一定程度的沉降,沉降速率為6～16 mm/a。

由于杭州市位于錢塘江下游,到目前為止,錢塘江上已有十座跨江橋梁建成通車,跨江橋梁疊加地面沉降監(jiān)測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)彭埠大橋和錢江鐵路橋跨江段存在一定程度不均勻沉降,實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),錢江鐵路橋和錢江二橋的西北側(cè)正在改造,正在施工的杭甬高速工程新建了新彭埠大橋,該橋的基礎(chǔ)開挖建設(shè)可能對(duì)緊挨的兩座大橋產(chǎn)生影響,誘發(fā)橋梁不均勻沉降。

2 地面沉降監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

2.1 多期水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

由于2019年復(fù)測(cè)了全部一等水準(zhǔn)網(wǎng)和外圍兩個(gè)環(huán)的二等水準(zhǔn),2020年復(fù)測(cè)了全部一等水準(zhǔn)網(wǎng)和內(nèi)部兩個(gè)環(huán)的二等水準(zhǔn),因此為便于沉降量的提取和分析,將多期水準(zhǔn)測(cè)量沉降量分為2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年共3個(gè)階段,如圖3。杭州市整體沉降并存在幾處較明顯的沉降區(qū)域,地面沉降平均沉降量為10～15 mm,最大沉降點(diǎn)沉降量52 mm,主要分布在蕭山區(qū)和余杭區(qū),多期地面沉降對(duì)比發(fā)現(xiàn)其趨勢(shì)存在一定的減弱,說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 水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

雷坤超等人在北京平原區(qū)分析了水準(zhǔn)測(cè)量參考基準(zhǔn)不同,獲得的沉降信息會(huì)存在明顯差異[15]。本文為便于數(shù)據(jù)對(duì)比分析,InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過程中參考區(qū)域選取與水準(zhǔn)測(cè)量起算點(diǎn)相同位置,基于統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)開展水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)成果對(duì)比和精度評(píng)定。

將同期水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)匹配和疊加分析,在相干目標(biāo)稀少的地區(qū),通過空間插值(空間插值方法采用克里金插值法)相干目標(biāo)點(diǎn)擬合成面,提取水準(zhǔn)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的相干目標(biāo)擬合面的位置,分別提取水準(zhǔn)和相干目標(biāo)的沉降值,組成一組精度驗(yàn)證數(shù)據(jù);在相干目標(biāo)密集的地區(qū),采用最鄰近點(diǎn)法搜索水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)附近最鄰近相干目標(biāo)點(diǎn),組成驗(yàn)證數(shù)據(jù)組,其搜索應(yīng)在5個(gè)像元以內(nèi),待收集齊所有的驗(yàn)證數(shù)據(jù)組后,進(jìn)行精度驗(yàn)證和相關(guān)性分析,評(píng)價(jià)的主要參數(shù)有樣本數(shù)目、誤差平均值和中誤差。

2014—2017年、2017—2019年、2017—2020年3個(gè)階段樣本數(shù)目分別為412、283、259個(gè),將水準(zhǔn)測(cè)量沉降量和InSAR監(jiān)測(cè)累積沉降量計(jì)算差值,誤差平均值分別-3.2、-2.6、-4.0 mm,中誤差分別為±6.3、±5.9、±7.2 mm,如圖4所示,差值直方圖近似服從正態(tài)分布,反映水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與InSAR監(jiān)測(cè)成果整體具有一致性。

(a)2014—2017年

(b)2017—2019年

(c)2017—2020年

2.3 數(shù)據(jù)融合與綜合分析

水準(zhǔn)測(cè)量的精度較高,可以同時(shí)兼顧地表形變和高程基準(zhǔn)的建設(shè)需求,但人力投入成本大,點(diǎn)位分布較為稀疏。InSAR監(jiān)測(cè)覆蓋范圍面廣,相干目標(biāo)點(diǎn)位密度大,能刻畫出更多的地面沉降細(xì)節(jié)信息,尤其對(duì)線狀地物沿線的沉降情況能夠有效地把握。

在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中,水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)可以相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充、有效融合,水準(zhǔn)測(cè)量可以為InSAR監(jiān)測(cè)參考基準(zhǔn)的設(shè)置提供參考,而InSAR監(jiān)測(cè)面狀的成果信息可以為輔助優(yōu)化水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)型。通過InSAR監(jiān)測(cè)到的時(shí)間序列變化,可以更好地詮釋不同季節(jié)水準(zhǔn)測(cè)量成果存在季節(jié)性的誤差。同時(shí)根據(jù)城市地面沉降的監(jiān)測(cè)資料,開展實(shí)地調(diào)查,摸清發(fā)生地面沉降的位置、原因和范圍,從而制定針對(duì)性的措施防控地面沉降帶來的危害,為城市建設(shè)發(fā)展提供支撐服務(wù)。

3 結(jié)束語

本文以杭州市為例,開展了多期水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理,獲取了杭州市2015—2020年地面沉降空間分布特征和發(fā)展趨勢(shì)信息,并針對(duì)城市區(qū)域內(nèi)地鐵、高速鐵路、跨江橋梁等進(jìn)行了地面沉降應(yīng)用分析。將多期水準(zhǔn)測(cè)量成果和InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和數(shù)據(jù)融合分析,顯示兩種技術(shù)方法測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性,不同技術(shù)方法可以相互彌補(bǔ)、互為補(bǔ)充。

城市大型線性工程如地鐵、高速鐵路、高架路網(wǎng)是城市建設(shè)中的基礎(chǔ)性建設(shè),這些重大工程對(duì)城市地面沉降的影響至關(guān)重要,成為政府關(guān)注的重點(diǎn)。通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)城市建設(shè)過程中地鐵的開挖造成地面沉降,及時(shí)挽救損失;可以對(duì)城市大型基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患。

城市地面沉降的監(jiān)測(cè)可以為城市管理和民生重點(diǎn)工程建設(shè)和維護(hù)提供及時(shí)的服務(wù),為城市規(guī)劃和地質(zhì)災(zāi)害防控提供支撐。將多期水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行融合處理和綜合分析的建設(shè)思路,可以為新一線城市地面沉降監(jiān)測(cè)和控制提供科學(xué)的決策依據(jù)。

為進(jìn)一步開展城市沉降觀測(cè),下一步的研究重點(diǎn)將放在持續(xù)動(dòng)態(tài)更新及對(duì)同步開展傳統(tǒng)水準(zhǔn)沉降觀測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)的優(yōu)化組合方面,以充分發(fā)揮這兩種方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì),揚(yáng)長補(bǔ)短,進(jìn)一步提高工作效率和節(jié)約資金投入。