滄州地區地面沉降現狀Sentinel-1A/B時序InSAR監測與分析

周洪月，汪云甲，閆世勇，吳 岳，劉茜茜

(1. 中國礦業大學環境與測繪科學院，江蘇 徐州 221116； 2. 國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

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滄州地區地面沉降現狀Sentinel-1A/B時序InSAR監測與分析

周洪月1,2，汪云甲1,2，閆世勇1,2，吳 岳1,2，劉茜茜1,2

(1. 中國礦業大學環境與測繪科學院，江蘇 徐州 221116； 2. 國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

獲取了22景IW模式的Sentinel-1A/B數據，分別采用PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種時序技術得到了滄州地區2015年11月至2016年11月期間地表平均沉降速率及累計沉降量。經分析，兩種時序監測結果具有較高的一致性，其結果表明：獻縣、滄縣、滄州市區地面表現為回升趨勢；青縣、滄縣東部、南皮縣西部、東光縣等地區地面沉降量較大，其中東光縣何莊村累計下沉量達47 mm，而引起這些區域地面沉降的主要原因為農業生產等帶來的地下水開采。本文對基于Sentinel-1A/B SAR數據的時序分析方法在城市沉降監測方面的應用進行了探討，為有關部門提供了重要的參考數據。

Sentinel-1；InSAR；滄州地區；城市地面沉降

地面沉降作為一種常見的地質災害，具有持續時間長、范圍大和影響因素復雜等特點。目前我國已有多個城市發生不同程度的地面沉降，造成了巨大的經濟損失[1]。近40年來，滄州地區地面沉降十分嚴重，地表大面積的非均勻沉降嚴重破壞了地表結構及其地上建筑，威脅著城市居民的生命財產安全。因此，針對該市沉降嚴重區域，實現周期短、精度高、覆蓋面積廣和準實時的監測，并將最新的沉降信息反饋到城市建設中具有十分重要的意義。

與常規測量技術相比，空間對地觀測技術在近幾十年有了長足的發展。雷達干涉測量技術作為空間對地觀測技術的一種，憑其全天時作業、監測范圍廣、成本低、精度優于厘米級等優點，在地震監測[2]和城市沉降監測[3]等方面得到了廣泛的應用。

常規InSAR技術往往受限于時空失相關和大氣延遲的影響，形變探測精度較低[2]。為解決上述問題，研究人員提出時序InSAR技術，主要包括PS-InSAR、SBAS-InSAR。該技術有效地解決了DInSAR受時空失相關和大氣延遲影響的問題，使監測地表形變精度得以大幅提高，并且在探測長期累積的緩慢形變方面表現出了極大的潛力[3]。

本文結合PS-InSAR與SBAS-InSAR兩種時序分析技術展開對滄州市區及其周邊縣區域在2015年11月至2016年11月期間的地表沉降進行研究，最終得到沿視線(line of sight，LOS)方向上的累計沉降分布及年平均形變速率。本文著重探討基于S1衛星SAR數據的時序InSAR在監測城市地表形變的可行性，分析滄州地區的沉降現狀，其結果將為相關單位在防災減災決策方面提供基礎數據。

1 時序InSAR原理

永久散射體合成孔徑干涉測量又稱為PS-InSAR，最早由Ferretti等學者提出。該技術的具體處理步驟為：①數據預處理，選取主影像需考慮時間基線、空間基線、多普勒質心頻率及熱噪聲4個因素[4]；②PS點篩選，本次選用相位相干系數閾值法與相位離散閾值法結合的方法選取PS點，從中篩選標準偏差不超過1的點[5]；③去除DEM誤差、軌道誤差和大氣延遲誤差[6]；④提取形變量，去除誤差后的形變相位，計算所有PS點在LOS方向上的年平均形變速率。

小基線技術(SBAS-InSAR)先將時序SAR影像組成若干時空間基線較短的干涉對集合，再利用最小二乘法得到每個小基線集的地表形變序列，最后利用奇異值分解方法(SVD)將多個小基線集聯合求秩虧方程解，獲得監測期間研究區域地面沉降的形變量[1]。

本次時序InSAR處理S1數據的流程如圖1所示。

圖1 S1數據時序處理流程

2 研究區域與實驗數據

2.1 研究區概況

本次研究對象為滄州市區及周邊縣區域，該市位于河北省東南部，屬于大陸性半干旱半濕潤氣候，降雨主要集中在每年7、8月份，年平均降雨量550 mm左右。該地區的地下水已成為農業灌溉、工業用水等主要源頭[7]。

隨著滄州市經濟的飛速發展，城鎮居民生活用水、農業耕地用水和工業用水不斷增加，對地下水的開采日益增加。據有關資料分析，滄州地下水位漏斗區在1972—2002年累計地下水降深80多米[7]，滄州市區沉降中心累計沉降量超過2 m；在2003—2010年期間，該市仍處于快速下沉階段[8]；2012—2014年滄州市區的沉降趨勢處于沉降穩定階段，部分區域地下水位出現回升[9]。隨著近年來雨水的增多，該市區多發內澇事件，嚴重影響了城市居民的日常生產、生活，引起了相關部門的高度重視[10]。

2.2 試驗數據

本次研究范圍如圖2所示，其中灰色線框表示一景影像IW3條帶下的6個相鄰Burst拼接影像的覆蓋范圍，黑色線框表示本次研究的區域。

圖2 研究區域概況

目前S1-A/B雷達衛星具有覆蓋范圍大、多極化、短重訪周期(12 d)等特點。當S1-A/B雙星同時運行，觀測周期可縮短至6 d，這為實現短周期、高精度的監測城市地表沉降提供了充足的數據[11]。本次研究選擇C波段、VV極化模式、降軌影像數據，其具體參數信息見表1。主影像為2016年2月7日獲取的數據；選擇外部參考DEM為90 m分辨率的SRTM數據，絕對高程精度優于16 m[12]。

表1 Sentinel-1 SAR數據參數信息

3 試驗結果

本次試驗結合PS-InSAR、SBAS-InSAR兩種時序處理方法，得到的時空基線分布如圖3、圖4所示。其中PS方法選擇2016-02-07景為主影像，最終得到相應的沉降速率(如圖5、圖6所示)，A、B分別為兩種處理方法在研究區內穩定的參考區域，PS點的沉降量均為相對于參考區域在LOS方向上的形變量。

圖3 PS-InSAR時空基線分布

圖4 SBAS-InSAR時空基線分布

圖5 PS-InSAR沉降速率

圖6 SBAS-InSAR沉降速率

由圖5、圖6可知，2015年11月—2016年11月期間，滄州整個地區地表沉降最嚴重的區域發生在青縣和東光縣地區；獻縣東部、滄縣西部和滄州市轄區地表呈上升趨勢；整個泊頭市、河間市東南部和東光縣東部出現輕微下沉；滄縣東部、河間市東北部、任丘東部和南皮縣東部地表出現中等程度沉降。下面重點針對青縣—滄州市區—泊頭—東光縣沉降帶進行沉降監測分析。比較兩種時序監測結果，繪制表2。

表2 時序InSAR監測結果對比

由表2可知，利用PS-InSAR與SBAS-InSAR監測滄州各城區地表沉降結果有較高的一致性：在泊頭市城區兩種監測沉降結果相差10 mm，其他地區的沉降量相差不超過4 mm。進一步分析，滄州市區上升16 mm，泊頭城區地表基本穩定，東光縣沉降近40 mm，導致這種現象的原因為：2010—2015年期間，東光縣雖采取了地下水超采限制措施[12]，但在城區周邊實際地下水開采仍處于超采階段；而在滄州市區、泊頭城區、青縣部分區域，近幾年由于采取地下水相關限采措施，治理地面沉降取得明顯的效果，地下水位回升[8]，沉降速率放緩，地面出現回升趨勢。

本文采用的影像數據獲取時間間隔較短，這為進一步分析青縣、東光縣和泊頭等重點區域的沉降趨勢受降雨、季節更替等因素的影響提供了條件。在青縣清州鎮、滄州市新華區、泊頭市泊鎮和東光縣東光鎮等沉降量較大的區域，分別統計兩種時序InSAR方法每期監測的PS點平均沉降值，得到的時序沉降圖如圖7所示。

對圖7中兩種監測方法的形變數據進行Pearson相關分析，青縣、滄州市區、泊頭及東光縣的結果相關系數分別為0.998、0.981、0.971、0.985，遠大于0.8，這表明兩種時序監測結果有很強的一致性，也充分說明試驗結果的可靠性較高。進一步研究表明，2015年11月—2016年2月期間，4個地區的沉降量均在10 mm范圍內波動；2016年4月—2016年11月期間，青縣清州鎮累計沉降量為33 mm；滄州市區表現為先快速上升后略微沉降，累計地面上升近20 mm；泊頭市和東光縣整體表現為先升后降再小幅度的回升，累計沉降量分別為2 mm和46 mm，其中在東光縣何莊村累計下沉量達47 mm。導致的原因為：①降雨量的不同，根據相關數據，2016年6月—2016年9月初，泊頭、青縣降雨量近500 mm，東光、滄州市區降雨在400～450 mm內，降雨通過補充淺層地下水導致青縣及滄州市區地表出現回升趨勢[14]；②巖層地質構造不同，其引起的地表形變量較小[7]；③城市發展趨勢不同，青縣通過建設貫穿南北的京津發展廊，東光縣城東區域憑借104國道、京滬鐵路優勢，目前兩縣城發展較快，地表活動頻繁；④地下水的開采量不同，城市以工業和居民生活用水為主，非城區主要為農業用水，在青縣南部區域和東光縣周邊區域，夏季農業用水量較大，引起地下水開采量增加，導致地表在夏季發生較大幅度的沉降，而在2016年10月—2016年11月，由于農業灌溉用水減少，其地表略有回升趨勢。由以上分析可知，滄州市地區沉降的主要原因為地下水開采。

4 結 語

本文利用S1-A/B SAR數據對滄州地區作了短周期、近實時沉降監測研究，其結果表明該數據在城市沉降方面有一定的應用價值。在缺乏水準測量數據時，通過對比PS-InSAR技術與SBAS-InSAR技術的監測結果，驗證了沉降監測結果的可靠性，發揮了時序InSAR技術的優勢。

基于S1-A/B數據，得出了整個滄州地區在2015年11月—2016年11月的基本沉降情況，分析了降雨、農業用水等因素對滄州地區地表沉降演化的影響，分析出導致該地區沉降現狀的主要原因為地下水的開采。

在今后的研究中，應獲取滄州市各縣地表高精度的水準測量數據，進一步驗證時序InSAR監測結果的可靠性；盡量收集滄州市整個地區地下水開采數據，充分挖掘滄州地表沉降速率與地下水開采的定量關系。

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Land Subsidence Monitoring and Analyzing of Cangzhou Area Sentinel-1A/B Based Time Series InSAR

ZHOU Hongyue1,2,WANG Yunjia1,2,YAN Shiyong1,2,WU Yue1,2,LIU Xixi1,2

(1. School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation (NASMG) Key Laboratory of Land Environmentand Disaster Monitoring,Xuzhou 221116, China)

The surface average subsidence rate and oumulative subsidence of Cangzhou area from November 2015 to November 2016 were obtained with 22 scences of Sentinel-1A/B SAR imagery respective by PS-InSAR and SBAS-InSAR techniques. The annual and accumulative subsidences from both time-series analysis methods had a high coherence with each other. The monitoring results indicated that the ground surface of Xian County,Cang County,Cangzhou urban area had a rebound trend; Qing County,the east of Cang County,the west of Nanpi County and Dongguang County experienced obvious subsidence, especially the accumulating subsidence in Hezhuang village of Dongguang County reached 47 mm.The main reason leading to these obvious subsidences was the over-exploitation of ground-water for agriculture.Moreover, it discussed the application of Sentinel-1A/B SAR images in monitoring urban subsidence and the results would provide important references for the relevant departments.

Sentinel-1; InSAR; Cangzhou area; urban land subsidence

周洪月，汪云甲，閆世勇，等.滄州地區地面沉降現狀Sentinel-1A/B時序InSAR監測與分析[J].測繪通報，2017(7)：89-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0230.

2017-01-23

國家自然科學基金(51574221)；江蘇省自然科學基金(BK20150189)

周洪月(1990—)，男，碩士生，主要從事InSAR技術在城市地面沉降監測方面的應用與研究工作。E-mail：ZhouHY0516@126.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0089-05