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0 引言

地面沉降是自然因素和人为因素综合作用下形成的地面标高损失。自然因素包括构造下沉、地应力变化及土体自然固结等。人为因素主要包括开发利用地下流体资源（地下水、石油、天然气等）、开采固体矿产、软土地区与工程建设有关的固结沉降等。我国受地面沉降影响较为严重，且主要发生在长江三角洲、华北平原、汾渭盆地、珠江三角洲、东北平原、淮河平原、江汉平原、滨海平原，以及山区断陷盆地等地区，其中长江三角洲、华北平原、汾渭盆地地面沉降最为发育。截至2015年底，全国已有21个省（直辖市）102个地级以上城市发生地面沉降[1]。在地面沉降监测方面，合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）中的永久散射体（permanent scatterers InSAR，PS-InSAR）[2-3]、短基线集（small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR）[4]、斯坦福永久散射体（stanford method for persistent scatterers，StamPS）[5-6]等技术已经成为地表形变监测的重要方法，并在京津冀、华北平原等地得到广泛应用[7-9]。

江苏沿海地区地处海陆交互地带，地质条件复杂，受长江、淮河、黄河与黄海相互作用沉积形成了以广袤滨海平原为主的地貌形态，成陆时间较晚，地质环境相对脆弱。近年来随着沿海地区社会经济的发展，人类活动对地质环境的各种干扰逐渐加大，出现了地面沉降、岸线侵蚀淤积等环境地质问题。为此，江苏省政府2012年正式批准开展江苏沿海地区综合地质调查工作，建立全球定位系统（global positioning system，GPS）监测网、水准网、InSAR的全区沉降监测，重点沉降区、港口区、重要节点区的地面沉降监测标和光纤监测孔监测的监测网。同时众多专家学者针对江苏沿海地面沉降也开展了大量工作。在InSAR沉降监测方面，张永红、董山等基于中等分辨率ALOS PALSAR（10 m）、RADARSAT-2宽模式（30 m）数据，采用时序InSAR方法分别获取了江苏全省和连云港、盐城北部2007—2011、2012—2015年两个时间段和的地面沉降信息 [10-11]。孔祥意基于中等分辨率Sentinel-1（5 m20 m）数据，采用时序InSAR方法获取了江苏全省2015—2018年地面沉降信息[12]。何秀凤、何敏等基于中等分辨率ASAR数据（30 m），采用PS-InSAR方法、干涉图叠加方法分别获取南通市2006-2007年与盐城市2003-2009年地面沉降信息[13-14]。

在沿海地区地面沉降风险评估、成因分析方面，胡喜梅等采用层次分析-综合指数法，将沉降信息与沿海高度、人口密度等评价因子展开综合分析，并结合风险模型，划分江苏沿海地面沉降风险区[15]。毛磊等在分析江苏沿海地区地面沉降与地下水关系的基础上，研究区域地面沉降特征和机理，构建地下水-地面沉降耦合模型[16]。刘明遥等通过对江苏沿海地区地面沉降、地质背景及人类活动的分析，阐述了地下水过量开采是控制区域地面沉降发生和发展的主要因素，水文地质条件的不同导致了南北地面沉降发生和发展的差异 [17]。

地面沉降造成江苏沿海高程损失、土地盐渍化，威胁海堤安全，阻碍江苏沿海经济的可持续发展。因此有必要开展江苏沿海地区地面沉降监测，获取其动态发育特征，查明沉降区现状及空间分布，为江苏海岸带保护和合理开发利用及海洋管理决策提供数据基础、技术支撑和科学依据。以往江苏沿海地面沉降监测多利用中等分辨率SAR数据作为数据源，沉降结果存在相干点密度相对较小，精细化程度不足等问题。本文利用高分辨率RADARSAT-2 超宽精细模式（5 m）作为数据源，采用时序InSAR方法，对江苏沿海地区地面沉降进行监测，获取高密度、精细化的地面沉降信息，并对其进行精度评价，在此基础上，分析当前阶段江苏沿海地区地面沉降的分布特征及主要影响因素。

1 研究区与数据

1.1研究区概况

江苏沿海地区位于我国东部沿海，行政区划包括连云港、盐城及南通三市，总面积为3.25万 km2, 海岸线长954 km。全区大部分地势低平，在连云港市北部与南通局部地区存在山地丘陵，地面高程资源十分宝贵。在覆盖层上，区内大部分为第四纪地层覆盖(除赣榆县西北部低山丘陵区及东海县西部、北部有基岩出露)。研究区的地下水类型以松散沉积物孔隙水为主，这类地下水由于分布广泛、发育深度厚、层次多及水量丰富，是研究区主要开采的地下水源[13]。

1.2 SAR数据

本次使用的InSAR数据为C波段RADARSAT-2超宽精细（extra fine，XF）模式数据。XF模式影像分辨率为5 m，幅宽125 km×125 km，极化方式为VV极化，轨道方向为降轨，重访周期24天。与ASAR、PALSAR等数据相比，具有高分辨率、大幅宽特点。覆盖研究区共需4个条带、5个图幅67景影像，RADARSAT-2数据空间覆盖情况如图1所示，可完整覆盖江苏沿海三市，各图幅影像期数及拍摄时段见表1。外部DEM数据为美国航空航天局提供的SRTM1(shuttle radar topography mission，SRTM)数据，空间分辨率为30 m。

2 时序InSAR处理方法

本文采用短时空基线与线性形变假设模型相结合的时序InSAR处理方法，首先进行数据配准等预处理，然后开展差分干涉、相干点提取、相干点相位分离等操作，最后将不同轨道数据处理结果进行平差拼接。整体处理流程如图2所示。

2.1短基线干涉对集合选取

由于各条带中影像数量相对较少，因此采用短基线集策略，设定时间基线阈值96 d、空间基线阈值250 m，每个条带均生成31个干涉对。4个条带干涉对集合如下：

2.2 线性形变速率反演

2.3非线性形变反演

将获取的线性形变速率和高程残余从解缠后的相位中剔除，得到包含大气延迟相位和非线性形变相位的信号。为了有效区分出大气延迟和非线性相位分量，需要对该信号进行时空分析。大气延迟在时间上是不相关的、表现为高频特性，而在空间上是强相关的、表现为低频特性。非线性形变在时间和空间上均具有相关性，在时间序列和空间上均表现为低频特性。失相关噪声在时间和空间上均不相关，在时间序列和空间上均表现为高频特性。利用大气延迟、非线性形变和失相关噪声不同的时空特征，对残余相位进行时域高通滤波，滤波后的结果主要包含大气延迟相位和失相干噪声，再对高通滤波结果进行空间域低通滤波，滤除失相干噪声，剩余相位就是主副SAR影像总的大气延迟相位。

由非线性形变相位即可得到各相干点目标不同时段的非线性形变量，将所得非线性形变量与已得线性形变速率相结合即得到各点总的形变量。

2.4图幅成果拼接

同一条带拍摄的影像具有相同的获取日期和观测参数，为避免处理过程引入的误差影响，在精确配准前先将同一条带的上下两幅影像根据成像时间和拍摄参数信息直接进行拼接，然后再开展时序InSAR分析。

不同条带影像的获取日期、主影像、各影像的轨道误差及大气影响均不相同，这是造成相邻轨道重叠区内形变结果存在差异的主要因素。同名相干点目标之间的统计差异可作为相邻轨道速率结果之间的补偿依据，依此将多个轨道之间的速率结果进行定标、拼接、统一。本文在条带结果平差镶嵌处理中，本文以条带2为参考基准，对4个条带的地表形变监测成果进行平差镶嵌。选择条带2作为参考的原因在于该条带位于研究区的中部，能够有效控制处理误差的传播。

3 监测结果及分析

利用时序InSAR技术分别对江苏沿海地区4个条带RADARSAT-2影像进行处理，再将不同条带形变结果进行拼接，最终得到2020年江苏沿海地面沉降速率成果，如图4所示。沿海地区共提取3645万个相干点目标，整体平均点密度430个/km2，其中城市区域点密度高，沿海滩涂、围垦种植区域点密度较少。

3.1精度验证

从地下基岩经不同土层引至地表的标志点即为基岩（分层）标，通过对比标组前后两期高程数据便可获得地表形变信息，其监测精度在3 mm以内，能够真实反映地面沉降情况。利用与SAR影像拍摄时间相近的基岩标监测数据对InSAR成果进行精度评价，首先选取基岩标周围100 m内的相干点目标；然后结合光学影像，剔除一些无法反映地面表层形变的相干点目标（高层建筑、桥梁等）；最后统计剩余相干点目标与基岩标的沉降值进行对比。结果显示基岩标与InSAR监测结果数值上较为接近，最大偏差为4.26 mm，中误差为2.58mm，表明InSAR监测结果可靠性较高。

3.2成果分析

从2020年的监测成果来看，当前盐城和南通市区域性地面沉降已经逐渐消失，说明江苏沿海的地面沉降防治工作取得了良好成效，各地级市具体情况如下。

现阶段连云港市地面沉降最为严重，沉降区主要集中在东南部，包括连云区城区、海州区、灌云县和灌南县。连云区猴嘴街道、云山街道、板桥街道、徐圩街道沉降区平均沉降速率15~20 mm/a；海州区宁海街道、板浦镇沉降区平均沉降速率17~25 mm/a；灌云县圩丰镇-洋桥农场沉降区平均沉降速率38 mm/a。沿海地面沉降最严重区域位于灌南县堆沟港镇四圩村附近，平均沉降速率92.5 mm/a，最大沉降速率超过150 mm/a。

盐城市地面沉降空间分布较为零散，沉降区范围较小，但个数较多，在响水县、滨海县、射阳县、亭湖区、大丰区和东台市均有分布。在响水县运河镇、大有镇、灌东盐场沉降区平均沉降速率超过20 mm/a。滨海县淮滨镇、陈涛乡、滨海港镇沉降区平均沉降速率21 mm/a。射阳县临海镇、合德镇、海通镇、黄沙港镇、兴桥镇、盘湾镇沉降区平均沉降速率31.3mm/a。亭湖区南洋镇、便仓镇、步凤镇沉降区平均沉降速率29.8 mm/a。大丰区三龙镇、刘庄镇、大中镇、西团镇沉降区平均沉降速率超过33 mm/a。东台市琼港镇沉降区平均沉降速率18 mm/a。

南通市整体地表以稳定或轻微反弹为主，地面沉降主要发生在如东县东部沿海地区、启东市东部沿海堤坝以及海门市南部江岸，沉降范围及严重程度为沿海地区最小。在如东县丰利镇、苴直街道、长沙镇一带存在较大范围沉降区，平均沉降速率20.5 mm/a。

为统计沿海三市沉降面积，利用suffer软件将沉降速率散点进行克里金插值，经平滑、滤波等操作后，得到沿海地区2020年沉降速率等值面结果，如图5所示。

依照《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程（DD2014-11）》，对江苏沿海地区地面沉降严重程度进行分级并统计各地级市沉降面积。

沿海三市中指标较低分级的地面沉降区域中连云港市占比58.59%，盐城市占比26.33%，南通市占比15.08%；中等地面沉降中连云港市占比82.42%，盐城市占比17.58%；较高指标沉降中连云港占比86.76%，盐城市占比13.24%；高指标沉降区全部位于连云港市。综上所述，江苏地面沉降沉降范围、严重程度由北向南依次减弱，连云港地区沉降最为严重，盐城沉降次之，南通市沉降相对较轻。

3.3影响因素分析

从20世纪50年代末至今，江苏沿海的地下水开采共经历了地下水开发利用初级阶段、城市地下水开采阶段、城市地下水超采阶段、区域地下水超采阶段、区域地下水控制开采阶段及区域地下水压缩开采阶段6个阶段[15]。2013年后，沿海三市开始地下水压采工作，2015年地下水开采量控制在1.4×108 m3以下，水位降幅减缓，大部分地区呈回升趋势，地面沉降趋缓[17]。截止2020年底，沿海三市地下水井封填、封存工作结束，超采区、禁采区压采工作全面完成，三市地下水水位明显回升，进而促使部分区域发生地表回弹现象。

3.3.1养殖大棚抽采地下水

2020年的地面沉降结果显示盐城城区外围存在多处形变明显的局部沉降区。结合光学影像与实地调查发现，这些沉降区大多位于水产养殖大棚附近，沉降区域与水产养殖大棚空间分布高度一致。由于水产养殖对水质要求高，需要经常换水，因此多采取抽采地下水的方式来获取水源，过度抽采地下水引发了较严重的局部地面沉降。区内典型养殖大棚附近沉降如图6所示。

图6中地面沉降区以养殖大棚为中心，向四周扩散，影响范围较小，但沉降速率较大。灌南县堆沟港镇四圩村养殖大棚周边平均沉降速率高达92.5 mm/a，连云区板浦镇马庄养殖大棚周边平均沉降速率21.2 mm/a，盘湾镇北部养殖大棚周边平均沉降速率50.5 mm/a，特庸镇红旗五组养殖大棚周边平均沉降速率30.2 mm/a，三龙镇斗龙港村养殖大棚周边平均沉降速率61 mm/a，如东县沿海养殖区速率介于5～30 mm/a，部分严重区域超过30 mm/a。

3.3.2软土层地表工程建设

软土层本身存在蒸发固结、自重固结、有机质氧化、土体蠕动等作用容易产生土体变形。江苏沿海地区约有54%的土地面积可见软土分布，其中软土厚度大于10 m的地区主要集中分布于连云港南部、盐城市南部、南通市城市规划区南部、海门-启东一带的临海临江地区，其中连云港地区的软土力学性质差，对区内工程建设的影响较为突出[18-19]。

连云港分布有大量的软土，属于第四纪晚期的滨海相沉积类型，含水量高45~80%、空隙比大（1.2~1.8），灵敏度高(3~6)，压缩系数1.1~1.6 MPa-1[20]。近年来连云港东南部软土区及围填海区开展了大量城市建设工作。在软土层开展工程活动，会人为加快软土排水固结压缩沉降进程，同时因为软土土质、厚度及上部建筑荷载不均匀，造成道路与建筑产生的不均匀沉降。在连云区猴嘴街道西北部、徐圩街道、连云新城等地道路、建筑均出现了不同程度的地面沉降情况，如图7所示。连云新城平均沉降速率23.3 mm/a，猴嘴街道平均沉降速率25.4 mm/a，徐圩新区平均沉降速率17.8 mm/a。

4 结束语

本文通过高分辨率时序InSAR分析技术获得了江苏沿海地区2020年的地面沉降现状，并通过地面实测数据对其结果的可靠性进行了验证。监测成果表明：在地下水压采背景下，江苏沿海地面沉降已由过去的区域性分布转变为当前阶段的小范围零星发育，严重程度由北向南逐渐减弱，表明沿海地区沉降防控措施成效显著。目前该区域地面沉降主要由水产养殖大棚抽采地下水及软土区建设施工造成。后续考虑采用更长时间序列影像数据，研究各沉降区长时间序列下的变化特征，建立沉降时序样本，探究地面沉降发生、发展动态变化过程，同时收集沉降区地下水开采信息，分析地面沉降与地下水开采量之间的相关关系。

（原文有删减）