运用时序InSAR技术监测合肥市地面沉降及断裂活动

于书媛 杨源源 张鹏飞 孙 军 骆佳骥

1 安徽省地震局，合肥市长江西路558号，230031 2 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽省亳州市蒙城县小涧镇，233527 3 安徽大学资源与环境工程学院，合肥市九龙路111号，230601

合肥市地面沉降已成为一个严峻的问题。本文针对合肥市近年来大规模的城市公共设施建设现状，采用时序InSAR技术，收集2017～2019年24景Sentinel-1A数据，对合肥市城区及周边地区进行地面沉降监测，揭示城区地面形变的空间分布特征及形变原因，并结合时空同步的跨断层水准数据对池河-西山驿断裂近场区域InSAR形变场进行宏观分析，实现对郯庐断裂带分支断裂特征和运动趋势的综合研究。

1 研究区概况及实验数据

研究区位于117.08°～117.46°E，31.69°～31.99°N，平均海拔20～40 m。主城区地势由西北向东南倾斜，岗冲起伏。目前已建成轨道交通1、2、3号线，在建轨道交通项目包括1号线三期及4、5、6号线，图1方框为研究区覆盖范围。采用时间跨度为2017-11～2019-10的24景Sentinel-1A影像数据，C波段，极化模式为同极化VV，升轨(相对轨道号6689)数据，Track为142，Frame为101，入射角为39.58°，空间分辨率为5 m×20 m(方位向×距离向)，覆盖范围(185×240) km2，外部DEM下载30 m SRTM数据。

图1 研究区域Fig.1 Study area

2 数据处理与分析

2.1 PS-InSAR技术处理方法

PS-InSAR技术可用于永久散射体目标点的时序测量[1]。利用PS-InSAR技术处理合肥市同期Sentinel-1A数据，使用SAR图像中保持高相干的PS点目标探测精确位移，最终获得mm级高精度地表形变。PS-InSAR处理步骤包括：1)选取2019-01-22为超级主影像，图2(a)为PS-InSAR的时空基线分布，24个像对的垂直基线在120 m以下，整体相干性较高；2)对影像数据进行配置、干涉图生成、去平、振幅离差指数计算等处理，通过识别一定数量的“相干雷达信号反射”(永久散射体)，分析可靠单一目标的历史相位，进行第1次线性模型反演，获取位移速率和残余地形，对合成的干涉图进行去平处理；3)利用第1次反演产品估算大气相位成分，去除大气相位成分后再进行第2次反演，得到最终的形变速率；4)对PS结果进行地理编码处理，获取研究区完整的矢量PS点地表形变速率图，PS点总数为1 293 605个，PS点密度达到917个/km2。

2.2 SBAS-InSAR技术处理方法

SBAS-InSAR方法是在已有SAR影像数据集中形成基于不同主影像的时间序列干涉图子集，利用矩阵奇异值分解(SVD)方法，将多个SBAS集合联合求解，得到形变序列和平均沉降速率[2]。本文处理步骤包括：1)干涉连接图生成。通过对24景影像数据进行干涉像对配对，设置最大时间基线为120 d。选取2018-06-20影像为超级主影像，对SAR影像进行最优组合，形成短基线集，共获取102个干涉对，时空基线分布见图2(b)。2)差分干涉工作流。对干涉对进行配准、去平和地形相位处理后，使用自适应滤波法抑制相位噪声，获取平滑的差分干涉图，再利用最小费用流法进行相位解缠，并对相干性差或解缠相位跃变的干涉对进行剔除后重新解算。3)轨道精炼和重去平。将PS-InSAR处理中第1次反演系统自动选择的参考点(GCP点)作为轨道精炼控制点，并利用GCP点估算和去除残余的恒定相位以及解缠后仍存在的相位坡道。4)形变速率和DEM系数估算。采用三次多项式模型辅助外部DEM进行轨道精炼和重去平，消除轨道误差引起的趋势相位。基于线性模型反演所有像对的形变和高程信息，估算形变速率和残余地形相位。5)大气相位和地形残余相位去除。利用时空维度的带通滤波估算和去除大气延迟相位，更新轨道误差残余相位，分离出LOS向形变相位信息。6)地理编码。对SBAS结果进行地理编码，获取大气校正后每期卫星视线向形变量。

图2 时空基线分布Fig.2 Distribution of spatial-temporal baseline

2.3 地表形变结果对比

由于LOS向形变速率实际为地表形变速率在卫星视线方向的投影，任何地表形变都可用SN向(N)、EW向(E)和垂直向(U)三分量形变进行表达。雷达侧视成像的几何关系和InSAR观测的LOS形变与地表三分量形变关系表明[3]，无论是升轨还是降轨，垂直形变对LOS向观测的贡献率均在90%以上。InSAR结果对地表形变中垂直形变最为敏感，本文将LOS向形变速率场作为合肥市形变趋势的宏观分析数据。图3为通过2种时序InSAR技术获取的合肥市LOS向年均形变速率。由于缺乏城区同期实测水准数据，利用ArcGIS分别对2种结果进行克里金插值，获取同名点对应的更加直观的连续空间形变图，形变分布趋势非常相似，说明实验结果具有较高的可靠性。

3 结果分析与讨论

3.1 地面沉降与城市建设的影响分析

从图3可以看出，合肥市城区总体稳定，地面沉降程度较低[4]，但覆盖区域较大，形变趋势为西南下沉、东北抬升，大部分区域年均形变速率集中在—10～10 mm/a。主城区地面沉降中心集中在包河区、蜀山区和肥西县，沉降速率为4～45 mm/a。位于包河区近巢湖的滨湖新区沉降范围广、速率大；蜀山区中部和肥西县中部均有大于10 mm/a的明显沉降信号，最大沉降速率达到34 mm/a；中心老城区和北部地区较为稳定，沉降相对较小，年均沉降速率小于4 mm/a。图4为A、B、C区域内沉降中心3个SDFP点的沉降时间序列。可以看出，3个区域沉降趋势明显，最大累积沉降量达到35 mm/a，位于滨湖新区。分析认为，滨湖新区位于合肥市西南部，该区域地表多为第四系土壤堆积物，湖河沿岸为冲积平原，生态承载力较差，近10 a来由于生产建设和地下水抽取等原因，已经发展成为合肥市的沉降漏斗。

①乌云山-合肥断裂；②桑涧子-广寒桥断裂；③池河-西山驿断裂；④固始-肥中断裂；⑤桥头集-东关断裂；⑥六安-合肥断裂；⑦肥西-韩摆渡断裂图3 合肥市地表形变速率Fig.3 Ground deformation rate of Hefei city

图4 A、B、C区域地面沉降时间序列Fig.4 Time series of deformation rate in A, B and C area

3.2 地面沉降与地铁建设的时空特征分析

地铁建设速度加快和线网覆盖范围扩张都可能造成地铁沿线地表沉降加剧。本文基于SBAS-InSAR分析结果，结合ArcGIS的缓冲区分析功能提取各地铁沿线500 m范围内的监测结果(图5)，分析合肥地铁网络沿线地面沉降的时空演变特征。从图5可以看出，地铁1号线从葛大店站到合肥南站拐弯处有明显地面沉降，最大年均沉降速率达到12 mm/a；线路往南进入滨湖会展中心站后，沉降速率增大，发生不均匀沉降，最大年均沉降速率达到27 mm/a。地铁2号线为横贯合肥市东西走向已建成的运营线路，整体较为稳定，蜀山西站到桂庄站有轻微沉降，最大沉降速率为8 mm/a。地铁3号线从市政务中心到幸福坝站均表现为不均匀沉降，该区域地下水系线路较多，最大沉降速率达到14 mm/a。地铁4、5号线属于在建线路，由于受到施工和列车循环载荷运行等因素影响，可能会导致地表稳定性降低而发生沉降。4号线中段的图书馆站到合肥南站沉降明显，最大沉降速率为15 mm/a；5号线南段的云谷路站到贵阳路站沉降明显，最大沉降速率达到34 mm/a。

3.3 地表形变与断裂构造活动的影响分析

合肥地区地质构造复杂，池河-西山驿断裂作为郯庐断裂带的主干断裂之一穿过合肥市东部，在构造地貌上表现明显，在晚第四纪仍有粘蠕滑交替的变形活动，特别是在与北西向断裂交会部位小震丛集[5]。相较于城市地面、地铁、矿区等线性沉降，断裂带地壳形变具有特殊性。首先，断裂形变量级小，变化较为缓慢，多数断层活动强度为每年数mm；其次，多数活动断层分布在人口相对稀疏的地区，整体相干性不及城区[3]。图6为利用普通克里金方法对InSAR测量结果进行插值得到的连续形变场分布图。可以看出，测线近场的池河-西山驿断裂两侧均具有较弱的隆升。安徽省地震局于1987年在池河-西山驿断裂的平行构造处布设一条定点水准测量测线，9、10测点横跨断层，走向近SW，倾向西，倾角约为65°。本文采用水准观测方式与InSAR同步观测方式开展断层形变对比分析，其中2017-11～2018-09定点水准测量频率为每天1次，2018-10之后定点水准测量频率为5 d一次。将InSAR、水准结果统一投影到WGS-84坐标系，实现时空基准上的统一，在此基础上提取D-E水准监测线上对应的克里金插值InSAR测量值，并与测线水准值进行对比分析。从图6可以看出，InSAR测量结果与水准测线结果有较高的一致性，两者差值(InSAR测量值减去水准测量值)在±1 mm之间，呈现隆升、沉降交替的现象，形变幅度整体较小，但形变量大小和趋势存在差异，原因可能包括水准测线的人工观测误差、InSAR监测误差等。综合前人在地震活动性、构造应力场特征、长时间尺度的精密水准观测资料方面的研究认为[6-7]：1)断裂近场区域现今地壳垂直形变量很小，最大形变速率不超过2 mm/a；2)池河-西山驿断裂近场区域的水准数据和InSAR观测数据在垂直方向上均呈现较为一致的沉降和隆升交替变化，推测是由于受到断裂现今垂直升降交替和水平张压交替综合作用控制；3)断裂阶段性垂直升降交替和水平拉张交替造成的区域应力累积量不足以孕育中强震，从形变角度分析可能是现今郯庐断裂带的主干断裂池河-西山驿段沿线地震活动性较弱的原因。

图5 合肥市地铁沿线500 m范围内形变速率Fig.5 Deformation rate within 500 m of Hefei metro line

图6 克里金插值InSAR形变场及时间序列Fig.6 Kriging interpolation InSAR deformation field and time series

4 结 语

1)合肥市形变趋势为西南下沉、东北抬升，年均形变速率集中在—10～10 mm/a，属于低程度沉降等级。形变沉降区主要集中在包河区、蜀山区，区域性沉降特征明显，包河区内的滨湖新区沉降速率超过40 mm/a，蜀山区最大沉降速率超过30 mm/a，沉降原因可能与区域生态承载力较差、产业发展、人口密集、地下水开采等因素有关。

2)研究区中部、北部的地铁网络部分相对稳定，南段存在区域性沉降，沉降速率较大。地铁2号线较稳定，年均沉降速率小于8 mm/a；1、3号线部分站点沉降速率较大，分别达到12 mm/a和14 mm/a；在建4、5号线沿线存在不均匀沉降，其中5号线最大年均沉降速率达到34 mm/a。

3)对比时空同步的定点跨断层水准数据与InSAR形变数据发现，两者获取的垂直形变结果具有一致性，呈现挤压或拉张交替的特征，整体形变幅度较小。结合前人对郯庐断裂带南段区域形变速率场的研究推测，池河-西山驿断裂近场区域现今地壳形变量很小且断裂的垂直升降交替和水平张压交替的综合作用导致断层的水准和InSAR观测数据在垂直方向上均呈现沉降和隆升交替变化的趋势。