地面沉降是指由于自然或者人为因素导致的地面高程下降的一种环境地质现象。自然因素主要包括地壳运动、火山、地震、土体自然固结等;常见的人为因素有地下流体资源及矿产资源开采、工程施工以及地表建筑物和交通工具的动、静荷载等。随着21世纪人类城市化进程的进一步推进,由地下水常年过量开采、持续性大规模的人类工程建设等人为因素引起的地面沉降将日益加剧。在城市地区,地面沉降在带来地面高程损失的同时还破坏城市基础设施和建筑物,威胁交通设施安全运行和建筑物的稳定,影响城市地表径流和水文循环,增大城市发生内涝灾害的风险,严重制约着城市的可持续发展。近几年是武汉市城市建设高峰期,由岩溶坍塌、软土层压缩、工程施工中基坑工程降水等引发的地面沉降多有报道。监测武汉市地面沉降现状,探讨地面沉降演变规律,识别地面沉降驱动因子并揭示由地面沉降引发的一系列资源环境效应,对应对快速城市化背景下日益严峻的地面沉降及其负面效应问题具有十分重要的意义。针对已有地面沉降研究监测周期短、范围小,缺少对地面沉降时空格局分析的定量化研究、地面沉降驱动因子的空间回归模型分析,和较少涉及地面沉降资源环境效应研究的不足,本研究以武汉市为研究区,以长时间跨度多平台的ALOS-PALSAR、Radarsat-2和Sentinel-1影像为数据源,基于改进D-InSAR技术提取武汉市长时间序列的地面沉降信息;在此基础上,采用一系列空间格局分析方法研究武汉市地面沉降的时空格局;结合与地面沉降相关的地质构造背景、地下水状况、地面荷载、地下空间开发、工程施工等5个方面的影响因素,建立地面沉降驱动力GWR模型,分析不同监测周期不同沉降区域地面沉降的主导驱动因子及其变化;最后,利用地理探测器模型探测地面沉降对城市内涝的影响作用,并以沙湖流域为研究区,考虑地面沉降,利用InfoWorks ICM模型对不同降雨重现期洪涝情况进行模拟。本文主要内容以及研究结论可以总结为以下4点:(1)基于改进D-InSAR的地面沉降监测方法研究。以30期Sentinel 1A IW影像为实验数据,采用常规D-InSAR方法和两种改进D-InSAR方法(SBASInSAR、PS-InSAR)提取武汉地区的地面沉降信息。通过与水准测量结果的比较,分析3种地面沉降监测方法的优势和局限性。结果表明:常规D-InSAR方法对数据量要求小,可与改进的D-InSAR方法得到比较一致的地面沉降空间分布结果,但反演得到的相干点数量太少且反演过程中由于大气干扰带来的误差较大,难以满足城市大面积地面沉降制图的需求。SBAS-InSAR与PS-InSAR方法得到的地面沉降速率空间分布较为一致,但与水准测量结果线性拟合度不是很高,其原因可能是地面沉降反演结果与水准测量结果空间和时间匹配度不高,以及水准点分布不广且部分受到破坏。本次试验得到的地面沉降空间分布与以往研究保持一致,但地面沉降速率由于监测周期长、制图分辨率低等因素较以往研究偏低,通过与以往研究的比较还发现了沙湖北沉降区的沉降范围呈不断扩大趋势。(2)武汉市地面沉降时空格局研究。以2007-2011年的ALOS-PALSAR影像和2015-2019年的Radarsat-2影像为数据源,提取武汉市主城区两个监测阶段的地面沉降平均速率和时间序列,采用空间自相关、冷热点分析、城乡梯度分析和景观格局分析等空间格局方法定量分析武汉市主城区地面沉降的时空格局,并与降雨量、软土层、城市建设等要素进行关联分析,探讨武汉市地面沉降的发生、演变规律。结果表明:两个监测阶段内武汉市主城区均出现了一定的地面沉降,但大多数地区地面沉降速率不超过-5 mm/yr。地面沉降在空间上存在明显的空间自相关性,2007-2011年地面沉降速率较高的区域集中在汉口地区、沙湖沿岸、白沙洲地区、以及沙湖以北的长江沿岸地区,2015-2019年地面沉降速率较高的区域集中在汉口地区、沙湖北部地区、白沙洲地区。三环线以内1-3 km梯度范围内地面沉降相对较为严重。景观格局分析表明各类地面沉降景观类型占比趋向接近且趋于集中化连片分布。碳酸盐岩带和软土层分布等水文地质条件对地面沉降的发生至关重要,地下水开采、地下施工以及相关城市建设活动均影响着地面沉降的发生,而大量的降雨可以在一定程度上缓解地面沉降。(3)武汉市地面沉降驱动力研究。在梳理地面沉降影响因素的基础上,结合武汉市实际情况,选取地质构造背景、地下水条件、地面荷载、地下空间开发、工程施工等5个方面的相关指标,分别建立OLS模型和GWR模型来识别武汉市主城区地面沉降的驱动因子。比较两种模型拟合效果并分析地面沉降驱动因子在不同监测阶段的差异性及在空间上的非平稳性。结果表明:两个阶段地面沉降GWR模型全局拟合度(R2)明显高于OLS模型,而AICc值低于OLS模型,GWR模型解释程度更高。2007-2011年,武汉市主城区规划单元尺度地面沉降的主要驱动因子为第四系和软土层的大量分布、地下空间开发以及工程建设。2015-2019年,第四系的广泛分布和工程建设是引起武汉市主城区地面沉降的主要驱动因素。此外,部分驱动因子对地面沉降的影响在空间上体现出了一定的差异性。(4)武汉市地面沉降水文效应与模拟研究。以武汉市中心城区为研究区,以主要汇水系统为研究单元,采用地理探测器分析地面沉降在城市内涝形成中所起的作用及其与其他致涝因子的交互关系。在此基础上,以沙湖流域为例,以是否考虑地面沉降因素为单一变量,采用InforWorks ICM模型模拟5年、20年和50年降雨重现期的内涝情景并分析其差异性。结果表明:地理探测器模型中虽然地面沉降速率的因子影响力仅为0.13,但地面沉降与其他影响因素交互作用后,对城市内涝的增强作用明显,部分交互后因子解释力之和达到了0.9,因此地面沉降不是导致城市内涝的主导因素,但其与地形、地面渗透性等因子交互作用后对城市内涝的影响很大。根据实际降雨期间出现的渍水情况对模型模拟结果进行验证,证明构建的InforWorks ICM模型具备可用性。是否考虑地面沉降得到的洪涝模拟情况大体一致,但在局部由于地面沉降是非均匀的,其带来的水文效应并非是线性的。地面沉降主要通过改变地形特征来影响城市水文过程,城市降雨径流的汇聚具有系统性的特征,微小地形的改变带来的可能是整个流域系统渍水情况的变化。面对日益严重的城市地面沉降问题,及时了解地面沉降发展现状、变化趋势,识别其多元成因机制是预防和控制地面沉降的首要条件。考虑地面沉降影响的水文模型对城市洪涝过程的模拟预测会更准确。本文将改进D-InSAR方法应用于武汉市地面沉降监测,基于多期地面沉降监测和系列空间格局分析方法揭示地面沉降发生、演变规律,利用空间回归模型识别地面沉降驱动因子及空间非平稳性,基于地理探测器模型和InforWorks模型剖析了地面沉降的水文效应并对其进行模拟预测。本研究进一步丰富和完善地面沉降研究理论和方法体系,对于武汉市地面沉降的防控和负面资源环境效应的缓解具有一定的指导作用,对城市的可持续发展和居民福祉具有重要的意义。