基于時序InSAR技術(shù)的天津郊區(qū)地面沉降監(jiān)測應(yīng)用

張又又

(海安縣海建測繪公司 ，江蘇 南通 226600)

基于時序InSAR技術(shù)的天津郊區(qū)地面沉降監(jiān)測應(yīng)用

張又又*

(海安縣海建測繪公司 ，江蘇 南通 226600)

城市區(qū)域大多實(shí)施了嚴(yán)格有效的沉降防控措施，地表沉降逐漸由城市向郊區(qū)發(fā)展，監(jiān)測城市周邊郊區(qū)的地表沉降十分有必要。基于時序InSAR技術(shù)，利用28景Envisat ASAR影像獲取了天津市西郊的地表沉降速率以及沉降的歷史演化信息。實(shí)驗結(jié)果顯示，在2007年～2010年間，天津市城區(qū)的地表沉降較為緩慢，而郊區(qū)則出現(xiàn)了3個大的沉降漏斗，并且以最大沉降速率超過 100 mm/a的速度快速發(fā)展，有與河北沉降漏斗連通的趨勢。

地面沉降；時序InSAR；郊區(qū)

1 引 言

合成孔徑雷達(dá)干涉測量InSAR技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種先進(jìn)的對地遙測技術(shù)，具有廣覆蓋、高分辨率、高精度等技術(shù)優(yōu)勢，并且不受云霧等干擾。基于相干點(diǎn)目標(biāo)的時序InSAR技術(shù)，能夠以mm級的精度進(jìn)行長時間跨度的地表形變監(jiān)測[1～3]。天津市位于三大沉降盆地之一的華北平原，是典型的由于過量開采地下水導(dǎo)致地表沉降的城市。由于近年來采取的地下水開采控制措施，天津市區(qū)的地表沉降得到明顯控制。但是由于對地下水的持續(xù)需求，天津市郊區(qū)逐漸形成新的沉降漏斗。本文利用28景Envisat ASAR數(shù)據(jù)，基于時序InSAR技術(shù)獲取了天津市西郊在2007年～2010年間的地表沉降的發(fā)展演化信息，為政府完善防治措施提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 時序InSAR技術(shù)原理

時序InSAR分析方法主要有PS-InSAR[1]，小基線算法(SBAS)[2～4]、點(diǎn)目標(biāo)分析技術(shù)(IPTA)[5，6]、時域相干目標(biāo)分析算法(TCP)[7，8]、斯坦福算法(StaMPS)[9，10]等。其中，Hooper等人提出的StaMPS算法，在缺少人工建筑物的非城區(qū)也具有較為出色的表現(xiàn)，并且StaMPS支持SBAS分析方法。因此，本文首先簡要介紹StaMPS-SBAS算法的基本原理，然后基于StaMPS開展實(shí)驗研究。

設(shè)M景影像組合得到N個干涉對，在去平、去地形相位之后的第i幅干涉圖上第x個相干點(diǎn)的差分干涉相位φx，i可記為：

φx，i=w{φD，x，i+φA，x，i+△φS，x，i+△φθ，x，i+φN，x，i}

(1)

式中，w表示纏繞算子。φD，x，i表示形變相位，φA，x，i表示大氣相位，△φS，x，i表示軌道誤差相位。△φθ，x，i是視角誤差[10]相位。其中，φD，x，i、φA，x，i與△φS，x，i在一定空間距離內(nèi)有較強(qiáng)的相關(guān)性，△φθ，x，i則具有部分相關(guān)性。φN，x，i為噪聲相位，不具有相關(guān)性。

(2)

(3)

γx反映了相干點(diǎn)受噪聲污染程度，因此可以利用γx精化相干點(diǎn)，最終選取高質(zhì)量的相干點(diǎn)目標(biāo)。基于精化后的相干點(diǎn)目標(biāo)的差分相位，采用時空三維相位解纏算法[11]進(jìn)行相位解纏，有：

(4)

式中，2kx，iπ為可能殘留的整周模糊度，可以通過參考點(diǎn)去除。最終，形變相位φD，x，i則可以根據(jù)各相位不同的時空相干特性，通過時空域濾波獲得。

3 研究區(qū)域概況與SAR數(shù)據(jù)分析

3.1 研究區(qū)域概況

實(shí)驗區(qū)域位于天津市西南郊(如圖1所示)，屬于中國三大沉降中心之一的華北平原。該區(qū)域于1923年開始大規(guī)模開采地下水。起初的開采量比較少，地面沉降問題并不顯著。隨后，為滿足快速發(fā)展的工農(nóng)業(yè)用水需求，地下水開采量逐漸增大，地面開始出現(xiàn)較為明顯的下沉，并且越來越嚴(yán)重。統(tǒng)計資料顯示[13]：天津市在1958年～1966年期間，沉降速率在 30 mm/a～46 mm/a之間，而在1967年～1985年間，沉降速率則猛增至 80 mm/a～100 mm/a。

為控制地面沉降，天津市近年來采取了多項措施控制地下水開采量，如引黃濟(jì)津、引灤入津等工程。這一系列措施取得了顯著的成果：天津市區(qū)的沉降速率下降到 10 mm/a～15 mm/a。然而，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，天津郊區(qū)的地下水資源被逐漸開采，沉降區(qū)域逐漸由城市向郊區(qū)轉(zhuǎn)移，并形成新的沉降漏斗區(qū)。

圖1 研究區(qū)域空間位置

3.2 SAR數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗選取了2007年9月～2010年10月期間的28景Envisat ASAR(Track 447)影像，其獲取時間與垂直基線分布如表1所示，計算垂直基線時選取的參考影像為20090123。由表1可以直觀地看出：Envisat ASAR數(shù)據(jù)顯示出了高時間采樣率的優(yōu)勢，并且時間分布較為均勻，大部分相鄰影像的時間間隔為35天，均勻而密集的時間采樣為詳細(xì)研究地面沉降的動態(tài)演化提供了數(shù)據(jù)保障。28景Envisat ASAR影像通過StripMap模式下的Image Mode模式采集得到，方位向與地距向分辨率分別約為 6 m與 30 m，實(shí)驗區(qū)域大小約為 50 km× 30 km(圖1方框所示)。

Envisat ASAR數(shù)據(jù)集 表1

4 實(shí)驗分析

4.1 實(shí)驗方法

由于實(shí)驗所用的Envisat ASAR數(shù)據(jù)時間跨度較長(3年)。因此，本文基于StaMPS軟件中的短基線算法(即SBAS算法)進(jìn)行時序InSAR分析。采用SBAS算法，可以在增加干涉對數(shù)量的同時，盡可能降低時間、空間基線引起的失相干，從而保證形變監(jiān)測結(jié)果的精度。

StaMPS-SBAS在自動組合干涉對時，認(rèn)為相干質(zhì)量只與時間、空間基線有關(guān)。然而，現(xiàn)實(shí)中影響相干質(zhì)量的因素眾多。并且，在StaMPS-SBAS算法中，SDFP的精化選取是根據(jù)相位信息進(jìn)行的，干涉對的相干質(zhì)量對SDFP的可靠性具有強(qiáng)烈的影響。另外，高質(zhì)量的干涉圖也是成功提取地表形變信息的基礎(chǔ)。因此，為降低噪聲等因素的影響，需要根據(jù)相干質(zhì)量去除相干性差的干涉對。

基于28景Envisat ASAR影像，設(shè)置時間與空間基線的臨界值分別為900天與 800 m，并以0.3作為相干閾值，可以得到241個干涉對。去除其中93個相干性差的干涉對，最后剩余148個干涉對用于時序分析，其中最大時間基線為595天，最大空間基線為 445 m，其時空分布如圖2所示。

圖2 Envisat ASAR數(shù)據(jù)組成的干涉對

4.2 結(jié)果分析

基于圖2所示的148個ASAR干涉對，按照4.1節(jié)所述的SBAS算法進(jìn)行時序分析，提取了天津西郊 1 500 km2的地表形變信息。圖3所示為2007年～2010年間地表在雷達(dá)視線向上的平均形變速率，負(fù)值表示地表背離衛(wèi)星運(yùn)動，即地面發(fā)生下沉現(xiàn)象。從圖3可以看出，該區(qū)域整體都在下沉，但沉降程度不同。天津市區(qū)的地表沉降較為緩慢，沉降速率約為 10 mm/a～20 mm/a，但是天津郊區(qū)則出現(xiàn)了嚴(yán)重的地表沉降現(xiàn)象：

圖3 2007年～2010年間研究區(qū)域在雷達(dá)視線向的沉降速率

(1)區(qū)域北部(武清區(qū))沉降速率約為 10 mm/a～45 mm/a，區(qū)域中西部以及東南部沉降明顯，形成了三個較大的沉降盆地：Basin1、Basin2與Basin3。

(2)沉降最為嚴(yán)重的是位于河北省的勝芳鎮(zhèn)(Basin1)，其在2007年～2010年間的最大沉降速率超過 120 mm/a。利用TerraSAR-X數(shù)據(jù)，Luo[14]與Zhu[15]等人分別獲取了該地區(qū)2009年～2010年間以及2009年～2013年間的沉降數(shù)據(jù)，均顯示該地區(qū)沉降速率已達(dá) 120 mm/a。與本文結(jié)果一致。

(3)沉降盆地Basin2位于天津郊區(qū)，主要包含武清區(qū)的王慶坨鎮(zhèn)、北辰區(qū)的雙口鎮(zhèn)、青光鎮(zhèn)以及雙街鎮(zhèn)，最大沉降速率超過 80 mm/a。該沉降盆地呈東北-西南走向，東北-西南長約 30 km，西北-東南寬約 10 km，并且有與沉降盆地Basin1連成一片的趨勢。

(4)沉降盆地Basin3在2007年～2010年間的沉速率較在 60 mm/a～90 mm/a之間，范圍也比較大，主要包含西青區(qū)南部與靜海縣北部區(qū)域，南北長約 20 km，東西寬約 12 km。該結(jié)果與Zhu[15]等人的觀測結(jié)果相近。

(5)此外，靜海縣北部的獨(dú)流鎮(zhèn)與良王莊鄉(xiāng)在2007年～2010年間也表現(xiàn)出較大的下沉現(xiàn)象，若不采取措施控制沉降，則該區(qū)域有可能發(fā)展為新的沉降盆地。

(6)地面沉降不但會損害建筑物，而且嚴(yán)重威脅著區(qū)域交通設(shè)施的安全運(yùn)營。如圖3所示，津蒲鐵路在良王莊鄉(xiāng)路段沉降較為嚴(yán)重，沉降速率在 80 mm/a左右。津滄高速公路在靜海縣城東部路段沉降明顯，沉降速率在 100 mm/a左右。

圖4則清晰的表明了該區(qū)域在2007年～2010年間地表形變的時間演化(以第一景影像20070921為起始時間)。從圖4可以看出，天津市區(qū)以及靜海縣城沉降較為緩慢，地面沉降控制措施取得的效果比較顯著。河北省的勝芳鎮(zhèn)在該期間一直保持著比較高的沉降速率，三年時間內(nèi)最大累計沉降已經(jīng)超過 400 mm，亟須采取治理措施。天津武清區(qū)的王慶坨鎮(zhèn)、北辰區(qū)的雙口鎮(zhèn)、青光鎮(zhèn)以及雙街鎮(zhèn)的沉降也非常明顯，并且逐漸向勝芳鎮(zhèn)擴(kuò)展，有可能與其連成一片，形成一個巨大的沉降盆地。Zhu[15]等人根據(jù)2009年～2013年間的沉降情況，已將Basin1與Basin2合并為一個大的沉降盆地。

此外，天津市西南部出現(xiàn)了兩個新的沉降區(qū)：其中一個以良王莊鄉(xiāng)為中心，涉及范圍較小；另一個空間覆蓋范圍較廣，包含精武鎮(zhèn)與楊成莊鄉(xiāng)。并且由圖4所示的時間演化趨勢可以看出，這兩個沉降區(qū)有進(jìn)一步加重并擴(kuò)大的趨勢，并且津蒲鐵路、津滄高速公路、津烏高速公路、京滬高速鐵路經(jīng)過該區(qū)域，非常有必要對該區(qū)域進(jìn)一步監(jiān)測。

圖4 2007年～2010年間研究區(qū)域在雷達(dá)視線向的累計沉降

5 結(jié) 論

本文利用時序InSAR技術(shù)，采用28景Envisat ASAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取了天津市郊區(qū)的地表形變信息。利用InSAR技術(shù)監(jiān)測大范圍的地表形變效果比較明顯：經(jīng)過多項措施控制地下水開采量之后，在天津市區(qū)取得了顯著的成果，地表沉降速率控制在較低的水平(約 10 mm/a)。但是，天津市西部(包括天津市郊區(qū)以及河北勝芳鎮(zhèn))，由于仍然過量開采地下水，地表出現(xiàn)了嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象：王慶坨鎮(zhèn)最大沉降速率超過 100 mm/a，河北勝芳鎮(zhèn)最大沉降速率超過 120 mm/a。并且，地表形變的時序演化過程清晰的表明了天津市西郊的沉降漏斗有與河北沉降區(qū)連成一片的趨勢。

致謝

感謝歐洲空間局(Europen Space Agency)為本文提供了Envisat ASAR數(shù)據(jù)。感謝Hooper博士及其團(tuán)隊提供的StaMPS軟件。

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Application of Ground Subsidence Monitoring in Tianjin Suburb Based on Multi Temporal InSAR

Zhang Youyou

(Haian Haijian Measureing Company Limited，Nantong 226600，China)

The land subsidence in urbans has been greatly reduced due to decrease of extraction of groundwater. However，there are many regions in suburbs undergong land subsidence，and meanwhile，the subsidence are kept expanding. Therefore，it is essential to monitor this subsidence located in suburbs. In this paper，the land subsidence and the evolution of subsidence in the suburb of Tianjin have been extracted using multi temporal InSAR based on 28 Envisat ASAR iamges acquired from 2007 to 2010. Results show that there are three large subsidence basins in this area. The maximum rate of subsidence exceeds 100 mm/a，and one of these basins maybe expands to Hebei province in the future.

land subsidence；multi temporal InSAR；suburb

1672-8262(2016)06-65-05

P237，P642.26

B

2016—07—07

張又又(1986—)，男，助理工程師，從事工程測量、建筑物變形監(jiān)測等方面工作。