填海造地相关沉降引发的海岸灾害潜力监测与评估：中国防城港的InSAR与海岸线变化综合方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：Monitoring and Assessment of Coastal Hazard Potential Induced by Reclamation-Related Subsidence: An Integrated InSAR and Coastline-Change Approach in Fangchenggang, China

　　

沿海填海造地区域的地面沉降已成为沿海城市的关键隐蔽灾害之一。本文提出了一种集成InSAR（干涉合成孔径雷达）和海岸线变化框架，用于沿海填海城市的地面沉降监测与驱动力分析。以中国防城港市为研究区，研究人员利用欧洲空间局（ESA）的266景Sentinel-1A SAR图像（2016–2025年），应用时间序列SBAS-InSAR（小基线集干涉合成孔径雷达）获取了10年时间序列的地面沉降监测结果，并在四个检查点与PS-InSAR（永久散射体干涉合成孔径雷达）进行交叉验证，均方根误差（RMSE）低于4 mm。此外，通过整合海岸线变化、降水和地下水指标数据，分析了影响因子。本文结论如下：（1）首次识别出防城港市2016–2025年期间七个明显的地面沉降漏斗。空间上，地面沉降表现出显著的空间异质性，主要集中于企沙半岛和渔洲半岛的沿海填海区域，最大沉降速率高达?163.53 ± 4.90 mm/yr。时间上，研究区沉降速率随时间逐渐减缓。（2）1964–2025年海岸线变化结果揭示了三个阶段的时序特征：1964–1995年、1995–2008年和2008–2025年期间，陆地面积分别增加了2.23 ± 4.51 km²、14.28 ± 6.19 km²和23.31 ± 4.51 km²。时间序列InSAR结果与海岸线变化结果表明，沿海填海造地是导致本研究区地面沉降的主要因素。（3）除填海造地外，降水和地下水指标等驱动因子也与地面沉降呈现轻微相关性。

**论文解读：填海造地相关沉降的监测与评估——以中国防城港为例**

**1. 研究背景与意义**

沿海城市面临多种灾害威胁，如海啸、海岸洪水和海平面上升。填海造地是许多沿海城市扩展土地的重要手段，但随之而来的地面沉降已成为威胁城市基础设施（如建筑、道路、铁路）安全的潜在重大隐患。尽管遥感技术已广泛用于海啸监测、洪水暴露评估和海平面上升预测，但针对填海区地面沉降这一隐蔽灾害的监测与驱动力分析仍相对不足。传统监测方法（如精密水准测量、连续GNSS观测站）虽单点精度高，但存在网密度低、维护成本高、时空连续性差等局限，难以满足大范围动态监测需求。而干涉合成孔径雷达（InSAR）技术，特别是时间序列InSAR方法（如PS-InSAR和SBAS-InSAR），凭借其大范围、高空间分辨率、连续时间序列监测的优势，已成为城市地面沉降监测不可或缺的技术工具。已有研究表明，全球45%的城市土地以超过3 mm/yr的速度沉降，过度抽取地下水和重型基础设施是主要驱动因素，且到2120年，22–26%的沿海土地将因沉降和海平面上升的组合效应而低于海平面。然而，在防城港这一典型填海城市，此前的研究未能明确识别出填海区沉降漏斗信号，也未能详细分析填海造地这一关键因素对沉降的影响。因此，本研究旨在利用时间序列InSAR和光学遥感数据，系统监测防城港市2016–2025年地面沉降，并结合1964–2025年海岸线变化，分析驱动因素，为城市快速发展和稳定运行提供数据支持与决策依据。论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

**2. 主要关键技术方法**

本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）时间序列SBAS-InSAR（小基线集干涉合成孔径雷达）方法，用于提取2016–2025年研究区地面沉降速率和累积形变；同时使用时间序列PS-InSAR（永久散射体干涉合成孔径雷达）方法进行交叉验证。（2）海岸线提取方法，结合MNDWI（改进归一化差异水体指数）阈值分割和目视解译，从多源光学遥感影像（包括美国KH侦察卫星、Landsat 8、Google Earth历史影像、Sentinel-2A）中提取1964–2025年海岸线变化。（3）驱动力分析方法，集成降水量数据（来自广西水利厅和统计局）和地下水储量变化数据，分析降水与地下水对地面沉降的影响。数据来源包括欧洲空间局（ESA）的266景Sentinel-1A SAR图像（2016–2025年，分辨率为20 m×5 m，IW模式，VV极化，升轨），以及44景光学遥感影像。

**3. 研究结果**

**3.1 时间序列SBAS-InSAR地面沉降监测结果（2016–2025年）**
通过SBAS-InSAR获取研究区2016–2025年年度沉降速率图，发现沉降信号非常显著。时间上，每年均发生沉降，2017年最大沉降速率达?163.53 ± 4.90 mm/yr。空间上，多个沉降区主要位于近十年新填海区域，部分零星分布在城市建成区。根据《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程（DD2014-11）》分级，2016–2019年缓慢沉降区和中等沉降区面积比例持续增加，而2020年后稳定区比例逐年上升，表明前期填海区逐渐固结压实，沉降速率趋缓。

**3.2 时间序列PS-InSAR监测结果与交叉验证**
使用PS-InSAR获取2025年沉降速率图，与SBAS-InSAR结果对比显示空间分布高度一致，但PS-InSAR在填海区点密度较低。选取四个验证点，PS-InSAR与SBAS-InSAR的累积沉降时间序列趋势高度一致，均方根误差（RMSE）均小于4 mm，验证了SBAS-InSAR结果的可靠性。

**3.3 1964–2025年海岸线变化结果**
通过44景光学遥感影像提取海岸线变化，1964–2025年防城港海岸线发生显著变化，渔洲半岛和企沙半岛经历大规模填海，人工海岸线大幅扩张。其中渔洲半岛2025年陆地面积较1964年增加约一倍；企沙半岛在2008年后出现大规模填海。

**3.4 地面沉降时空分布特征**
基于SBAS-InSAR和海岸线结果，识别出七个主要沉降区（A–G区）。A–C区沉降始于2016年，D区始于2019年，E–F区始于2022年，G区始于2025年。所有沉降区均位于填海区域，且表现为负形变信号（沉降），无正形变信号。各沉降区时间序列曲线显示，A、C、D区呈现“早期快速沉降，后期缓慢沉降”的衰减模式，沉降速率随时间逐渐减缓。

**3.5 七个主要沉降区的时间变化趋势**
A区（港口513–516号泊位）2017年最大沉降速率?163.53 mm/yr，填海后沉降逐渐减弱，2023–2025年仅残留轻微沉降。B区（煤炭储备基地）2016–2018年沉降范围扩大，2019–2021年沉降减缓，2022年最大沉降速率?59.77 mm/yr。C区（广西钢铁集团防城港基地）2019年最大沉降速率?107.23 mm/yr，之后逐渐下降。D区（广西明阳智慧新能源公司）2020年起出现沉降，2021年形成明显沉降漏斗，最大速率?70.22 mm/yr。E区（401#泊位二期）2024年最大沉降速率?44.55 mm/yr，中心沉降强于边缘。F区（广西金川有色金属公司）填海从西向东推进，沉降空间演化与填海顺序一致，2022年最大速率?77.64 mm/yr。G区（渔之园海钓俱乐部）2025年新填海区出现沉降，最大速率?46.97 mm/yr。研究指出，填海区沉降主要受松散填料自身固结控制，后期建筑荷载通过桩基传递至深层持力层，导致建成区沉降不明显。

**4. 讨论与结论总结**

**讨论部分**：研究分析了三个主要驱动因素。（1）填海造地因素：1964–2025年陆地面积呈“三阶段”增长模式，1964–1995年缓慢增长，1995–2008年加速，2008–2025年进一步加速，面积增长系数分别为0.06、0.78、1.01。所有七个沉降区均位于填海区域，表明填海造地是地面沉降的首要因素。沉降程度还受土地利用类型影响，如重型机械、货物堆放和交通荷载加剧了固结压缩。（2）降水因素：选取三个地面点，将2022年月降水量与时间序列沉降对比，发现降水高峰期（2月、6月、8月、10月）沉降出现小幅回弹波动，表明降水通过影响地下水补给和土壤湿度间接影响沉降。（3）地下水储量变化因素：2016–2024年地下水储量呈波动上升趋势，与年最大沉降速率呈负相关。研究还与前人工作进行对比，指出本研究的创新在于首次识别出防城港七个沉降漏斗，并明确填海造地是主导因素，而非仅作为多种因素之一。

**研究结论**（翻译）：
（1）利用SBAS-InSAR和PS-InSAR方法，对研究区2016–2025年进行了时间序列InSAR地面沉降监测，并对两种方法的结果进行了交叉验证。结果表明两种监测结果具有良好的一致性，说明使用时间序列InSAR方法监测该区域地面沉降是可靠的。（2）基于时间序列InSAR地面沉降结果，识别出七个明显的沉降区域。空间上，地面沉降分布表现出显著的空间异质性，主要集中于企沙半岛和渔洲半岛的填海区。早期完成的填海区沉降速率一般小于?10 mm/yr，趋于稳定；但2016–2025年期间最大沉降速率高达?163.53 ± 4.90 mm/yr。时间上，研究区地面沉降速率随时间逐渐减缓，即填海早期沉降速率较高，随后逐渐减慢，呈现“初期快速沉降、后期缓慢”的演化特征。（3）研究区1964–2025年海岸线变化呈现三阶段时序特征。具体而言，1964–1995年、1995–2008年和2008–2025年期间，陆地面积分别增加了2.23 ± 4.51 km²、14.28 ± 6.19 km²和23.31 ± 4.51 km²，增长率系数分别为0.06、0.78和1.01。本研究的2016–2025年时间序列InSAR监测期恰好落在海岸线快速变化的第三阶段。时间序列InSAR沉降监测结果与海岸线变化结果相互印证，进一步表明导致研究区地面沉降的首要因素是填海造地。（4）除了分析填海造地的影响外，本研究还考察了降水、地下水等影响因素。时间序列InSAR地面沉降结果与降水数据的对比揭示了时间序列沉降数据中的细微波动信号。这些微小波动主要发生在降水高峰月份（2月、6月、8月、10月）。具体而言，当降水量增加时，研究区地面沉降值出现回弹现象；反之，当降水量减少时，沉降值正常下降。此外，地下水与时间序列InSAR地面沉降结果呈正相关。