《Geodesy and Geodynamics》：Land subsidence characteristics in Tianjin based on multi-source data
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地面沉降是一种广泛分布的地质灾害，天津市是中国受此灾害影响最严重的城市之一。研究地表形变特征有助于理解地面沉降的分布规律，并为合理的城市规划提供支持。研究人员基于覆盖天津地区的Sentinel-1升轨与降轨数据，采用改进的小基线集时间序列干涉测量（Small
地面沉降是一种广泛分布的地质灾害，天津市是中国受此灾害影响最严重的城市之一。研究地表形变特征有助于理解地面沉降的分布规律，并为合理的城市规划提供支持。研究人员基于覆盖天津地区的Sentinel-1升轨与降轨数据，采用改进的小基线集时间序列干涉测量（Small Baseline Subset InSAR, SBAS-InSAR）方法，获取了卫星视线方向（Line-Of-Sight, LOS）的形变速率场。结果显示，天津市形变呈现显著的不均匀性，中心城区变形较小，武清区与北辰区变形最为明显，形成大范围且幅度较大的形变漏斗，其中心位于武清区王庆坨镇，最大LOS形变速率约为100 mm/a。研究人员结合GNSS形变数据，应用赫尔默特方差分量估计（Helmert Variance Component Estimation, HVCE）方法，解算得到天津市的三维形变结果，三维解算的最大垂直沉降速率约为90 mm/a。利用等扇区分析法（Equal Fan Analysis Method, EFAM）对武清区和北辰区的时空演化特征进行分析，发现该沉降漏斗主要集中在南（S）、西南（SW）及南西南（SSW）方向。此外，研究人员分析了天津市部分城市基础设施的时序形变特征，结果表明地铁线路和天津机场位于相对形稳定的区域，桥梁形变与温度呈一定相关性，天津港地区表现出显著的不均匀沉降，需要长期时序监测。基础设施的时序形变特征显示，自2020年后形变趋势总体趋缓，这与相关部门实施的控沉措施密切相关。
研究背景与意义
地面沉降是由自然因素或人类活动导致松散表土层压缩、地面高程降低的地质灾害，具有渐进性和不可逆性，在全球范围内普遍存在。日本新潟地区最早于1898年识别出此类现象，随后美国萨克拉门托谷与中国沿海区域相继发现类似问题。直到1936年，墨西哥城与伦敦的研究报告使该问题获得国际广泛关注。传统水准测量、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）监测与全站仪测量等方法在城市基础设施形变监测中存在局限性，难以实现大范围高效监测。近二十年来，合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）作为一种新型遥感技术，凭借全天时、全天候、高精度和大覆盖范围的优势，在地表形变监测中得到广泛应用。从单期相位的有限数据发展到多时相、多源数据的时序分析与处理，衍生出堆叠干涉法（Stacking）、永久散射体干涉测量（Persistent Scatterer InSAR, PS-InSAR）、角反射器InSAR（Corner Reflector InSAR, CR-InSAR）和小基线集InSAR（SBAS-InSAR）等技术，有效抑制了时空失相关与大气延迟的影响。天津市地处冲积平原，整体沉降较大，尽管自1986年起部分地区实施了控沉措施，灾害形势依然严峻，特别是在未采取控沉措施的武清、汉沽、大港、津南等地形成了新的沉降中心。不均匀沉降会导致地表建筑开裂破坏、地下隧道与管线变形错位，严重威胁城市建设和居民安全。因此，开展天津市地面沉降的监测与分析具有重要的科学与现实意义。该研究由张青云、李永生、郭楠楠、苏广利、詹伟等完成，发表于《Geodesy and Geodynamics》。
主要关键技术方法
研究人员选取覆盖天津全域的Sentinel-1升轨T69与降轨T149宽幅干涉模式数据，成像时间为2014年11月至2021年11月，辅以30 m分辨率的SRTM DEM（Digital Elevation Model）及欧洲空间局精密轨道数据。收集2016年至2021年天津市GNSS连续运行参考站网及地壳运动观测网的25个站点数据，利用GAMIT/GLOBK 10.70软件进行高精度处理。针对传统SBAS-InSAR在复杂地形区提取相干点困难及大气相位延迟误差去除不足的问题，引入GACOS大气模型进行校正，采用最小费用流法进行相位解缠，并结合闭环残差法修正解缠误差，最终利用最小二乘法计算干涉图，获得相干点的时序形变速率与累积形变。三维形变解算采用HVCE联合调整InSAR与GNSS数据，提高融合精度。
研究结果
4.1 时序形变速率结果
升轨与降轨数据均显示，天津市形变特征显著，中心城区LOS向形变基本小于10 mm/a，外围地区多为负形变，最大形变集中在武清区与北辰区交界处及静海部分地区，其中武清区王庆坨镇形变呈东北—西南向椭圆状，升轨最大LOS形变约-90 mm/a，降轨约-99.2 mm/a。区域内主要断层活动性不明显，沉降主要由地下水超采引起。
4.2 多源数据联合解算的三维形变场结果
通过HVCE方法融合InSAR与GNSS数据，得到天津市三维形变场。水平方向，武清与宝坻地区存在西北向移动，与GNSS结果一致；垂直方向，武清—北辰交界与静海区存在显著沉降漏斗，最大垂直沉降速率约90 mm/a，滨海新区东北端亦存在沉降漏斗，速率约50 mm/a。
5.1 等扇区分析法（EFAM）
对武清—北辰沉降漏斗进行16扇区划分，分析2015至2021年间形变分布。结果显示，沉降漏斗面积逐年扩大，主要集中于S、SW、SSW方向，2020年SSW方向-50 mm/a以上沉降面积达峰值143.51 km2，2021年略有减少。2020年后，随着地下水压采政策实施及南水北调工程通水，沉降得到有效控制。
5.2 城市基础设施形变特征
轨道交通沿线整体稳定，除北辰区部分路段沉降约40 mm/a外，多数区段小于10 mm/a。寿明畜牧农场区域2016至2019年沉降速率为40~50 mm/a，2020年后降至约15 mm/a。天津滨海国际机场整体稳定，形变速率2~5 mm/a，具季节性变化。静海团泊洼水库周边住宅区高层建筑沉降大于中低层建筑，2020年下半年后趋缓。永定新河大桥桥面形变与气温呈负相关，冬夏位移差约10 mm。天津港地区存在显著不均匀沉降，东疆港区西部与临港港区沉降速率达80~90 mm/a，需长期监测。
讨论与结论
研究表明，天津市存在显著沉降漏斗，尤以武清—北辰交界最为严重，最大LOS沉降近100 mm/a；三维解算最大垂直沉降约90 mm/a，滨海新区东北端沉降约50 mm/a。EFAM分析显示沉降漏斗主要向S、SW、SSW方向扩展，2020年后因控沉措施见效，沉降面积缩小。城市基础设施整体较稳定，但港口与部分高层住宅区需持续监测。自2020年以来，各类基础设施形变趋势普遍减缓，与地下水管理与跨流域调水等控沉措施密切相关。研究为天津市地质灾害防控与城市规划提供了科学依据。
