基于时序InSAR的广州南沙区地面沉降监测及影响因素分析

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地面环境稳定是城市人居环境健康重要基础。不断推进的城市化进程导致越来越多城市出现了地面沉降现象,但其地面沉降范围、大小、空间特征及其产生原因仍然存在不确定和区域特性。如何有效、快速、准确的进行地面沉降监测引起了人们广泛关注。本研究以广州市南沙区为研究区域,首先利用34景Sentinel1-A合成孔径雷达影像,基于SBAS-In SAR技术监测2015年6月-2018年4月南沙区地面沉降情况,分析其空间格局和时间演变特征,识别定位地面沉降的高风险热点;其次从监测结果沉降速率的合理性、不同极化方式下的SBAS方法检验、历史水准测量数据以及实地调研4种方式验证了地面沉降的有效性。然后在区域沉降监测结果基础上,利用缓冲区和剖面分析方法进一步评估了大型线状基础设施、岸线等线状地物及其周边稳定性情况。最后结合地形地秒等基础地理信息数据,获取人口密度、建筑密度、容积率等社会经济要素,在500m*500m的格网大小下,选取全区356个有效格网点据及7个用于表征地面沉降潜在影响因素的指标,利用多尺度地理加权回归(MGWR)方法挖掘了不同类型的自然因素和人类活动对2016年南沙区地面沉降时空格局的潜在影响及其尺度大小。主要结论如下:(1)SBAS-In SAR技术可较好地反演南沙区地面沉降空间分布。南沙区地面沉降总体稳定,呈现南部高于北部的特点,存在4个连片沉降的重点沉降区域,全区平均沉降速率在-1.81mm/a。以沉降速率在±5mm/a内为稳定标准,下辖万顷沙镇、龙穴街道地面沉降最为严重,东涌镇、横沥镇、大岗镇、珠江街道地面沉降比较稳定,黄阁镇、榄核镇、南沙街道有部分抬升现象,但仍然在可控范围之内。2016年沉降季节性差异明显。2016年累积沉降量最大达到-56.4mm,在夏季部分区域出现沉降回弹,抬升约6mm,冬季累积沉降量最大。(2)多种精度验证方法证明SBAS-In SAR在提取南沙区的地面沉降信息方面是有效和可靠的。首先地面沉降监测结果频率直方图中心在零值偏左侧,符合南沙区地面沉降总体稳定的先验判断,其次利用同一方法不同极化方式数据对监测结果进行交叉验证,VV极化、VH极化监测结果平均值分别为2.09mm、1.01mm,均方根误差分别为1.12 mm、2.65mm,两者表现出较好的一致性。然后还通过历史水准测量数据和实地走访调研的方式,在监测结果中发现了对应下沉趋势。(3)对于大型线状地物而言,在沿线500m缓冲区范围内广州地铁4号线(南沙段)地铁站点比沿线区间稳定,主要的沉降线路集中在蕉门站-金州站之间,金州站沉降速率最大,金州站最大沉降速率在-5mm/a左右,但小于沿线-10.47 mm/a的最大沉降速率,仍处于±5mm/a内的稳定标准。而南沙港快速路除S4-5km、S43-45km有微小抬升外,其余路段都发生了地面沉降,需要及时监测与重点沉降区相交的S43-45km段。此外,南沙岸线沉降与岸线用海开发活动密切相关,湿地、水体沉降速率最大,但精度最低。不透水面、耕地沉降比较严重,而森林沉降速率最小。岸段上的南沙港码头最大沉降出现在2018年1月6日,累计沉降量约26mm。(4)2016年地面沉降潜在影响因素表明,空间单元大小500m*500m为南沙区影响因素分析的最优尺度。该区地面累计沉降量与地下水、断裂带是相关性最强,高程、建筑物密度、容积率、距断裂带的远近与地面沉降累积量呈正相关趋势,距离河流的远近则与地面沉降呈负相关趋势,所以累积沉降量较高的主要特征是离河流的距离远、距离断裂带比较近、低海拔。并且不同地面沉降影响因素作用尺度差异很大。容积率、建筑物密度远高于其他变量的作用尺度,而距离断裂带作用尺度次之。由于各潜在影响因素对地面沉降的影响程度存在着空间异质性和尺度距离,并且不同自然和人类活动或者独立或者联合影响着南沙区地面沉降的空间分布。因此在制定地面沉降灾害防治政策时可以考虑不同影响因素的空间差异和尺度效应,从而使得决策更具针对性。
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