利用SBAS-InSAR技術監測昆明市地表沉降

謝文斌，左小清，隋廣巖，陸兆峰，周凱

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.浙江省測繪大隊，浙江 杭州 430074；3.黑龍江第二測繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150081)

1 引 言

地面沉降又稱地面下陷，它是由于地下松散地層固結壓縮，導致地殼表面標高降低的一種局部的工程地質現象。截至2011年12月，全國19個省份中超過50余個城市發生了不同程度的地面沉降，長江三角洲、華北平原和汾渭盆地已經成為重災區，累積沉降量超過 200 mm的總面積超過7.9萬平方千米。目前，地面沉降已經成為嚴重制約城市發展的地質災害之一。

昆明市的地面沉降是到目前為止所發現的中國大陸西部高原地區唯一一例沉降現象[1]。

昆明市區坐落在昆明晚新生代斷陷盆地北段、滇池的北岸及東北岸，已形成面積約 300 km2的地面沉降區域[2]。因此，有效的監測地面沉降，分析沉降機理和特征對現階段昆明城區地表沉降的預防和治理尤為重要。

傳統的地面沉降監測主要基于精密水準測量和GPS測量，但是成本較高、覆蓋范圍較小。近年來InSAR憑著全天候、大范圍、高空間分辨率和高精度(厘米至毫米級)等優勢，迅速在城市地面沉降方面得到了廣泛應用，并發揮了巨大的應用潛力和不可替代的價值[3]。

目前，國內一些學者已經開展過對北京[4～6]、西安[7～9]、天津[10，11]、滄州[12]、京津冀[13]等地的地表沉降InSAR監測，但是監測區域多集中在華北平原、長江三角洲等平原地帶，而對西部高原城市的沉降監測較少。本文將基于短基線集InSAR技術，并利用所獲取的Sentenl1-A影像數據來監測昆明的地表沉降情況，并探討該區域的沉降特征及不同時期的沉降演變規律，以期為該市沉降治理提供依據。

2 SBAS-InSAR技術原理

SBAS-InSAR技術是由Berardino和Lanari等研究人員提出的一種和PS-InSAR技術采用不同策略的時間序列分析方法[14，15]，此方法對獲取的數據進行合理整合來得到一系列差分干涉圖，這些干涉圖能夠較好地克服空間去相關現象。其次，短基線InSAR技術具有兩個顯著的優點，即：①通過使用所獲取的包含在差分短基線集里的數據增加了時間采樣率；②提供了高空間密度的形變量測[16]。短基線集InSAR技術的具體處理流程如下[17]：

在t1至tM時間段內獲取同一區域的M景SAR影像，選取其中一景為公共主影像，然后根據干涉組合原則，生成N景干涉圖，其中滿足：

(1)

由主影像A和從影像B所生成的第i(i=1，2，…，N)景干涉圖，其在點(x，r)處所產生的干涉相位可表示為：

△φi(x，r)=φA(x，r)-φB(x，r)

(2)

(3)

式(3)中，λ表示雷達信號中心波長；R為斜距；B⊥為垂直基線；△z為DEM高程差；θ為入射角。

為了得到最終沉降序列，假設不同干涉圖之間的形變速率為vi，i-1，則tB至tA間的累積形變可以表示為：

(4)

對N景干涉圖進行三維時空相位解纏便可以求出不同SAR影像獲取時間的形變速率。

3 研究區域數據處理

3.1 研究區域概況

本文研究區域為昆明市主城區，昆明位于我國西南云貴高原中部，南瀕滇池，三面環山。昆明位于東經102°10′～103°40′，北緯24°23′～26°22′，市中心位于北緯25°02′11″，東經102°42′31″。昆明總體地勢大致為北高南低，由北向南呈階梯狀逐漸降低，東西兩側較低，以湖盆巖溶高原地貌形態為主。

3.2 數據準備

本文實驗數據時間跨度為2015年11月19日～2017年2月17日共19景Sentinel1-A同極化影像(均為VV極化方式)，影像入射角為39.07，方位向為2.329，距離向為13.948，各影像具體成像參數如表1所示。由于初始影像數據量較大，處理工作量較大，本文需提前對影像做裁剪處理，裁剪后的研究區覆蓋范圍約為 33 km×27 km。其次，研究過程中所采用的DEM數據來自美國NASA所提供的SRTM V4 DEM，分辨率為 90 m。

Sentenl1-A數據成像參數 表1

3.3 數據處理

本次主要基于SARscape軟件和19景S1-A數據來監測昆明地表沉降，其具體數據處理流程為：

(1)數據預處理：把19景原始數據進行聚焦處理，轉換成單視復數影像(SLC)，并利用矢量文件在SAR坐標系下裁剪出研究區域。

(2)連接像對的生成：選取2016年3月18日的數據為主影像，為避免空間失相干，設置最大臨界基線為2%，最終生成63個像對，其像對空間基線連接圖如圖1所示。

圖1 像對空間基線連接圖

(3)干涉處理和相位解纏：把63個像對進行干涉處理，包括干涉圖生成、干涉圖去平、干涉圖濾波、相干性計算以及相位解纏，生成解纏后的相位圖。其中，由于研究區域內有大面積水體，所以本文采用Delaunay MCF方法進行相位解纏，以避免相位突變現象，最后把所有數據對都配準到主影像上，為后續處理做好數據準備。

(4)軌道精煉和重去平：此處主要用于去除殘余相位、解纏結果中的坡道相位，其中軌道控制點(GCP)的選擇至關重要，包括：①所選控制點周圍無殘余地形條紋；②選擇控制點時要遠離形變區域。本文共選擇了50個控制點。

(5)控制點優化：加載生成的控制點矢量文件，然后在屬性表中統計出50個控制點的相對誤差，并把相位誤差大于2.0的GCP刪除。

(6)SBAS一次反演：該步驟第一次估算出位移速率、殘余地形，并對合成的干涉圖去平，進行二次解纏，以便生成更優的結果。

(7)SBAS二次反演：該步驟核心是計算時間序列位移，在上步基礎上進行空間低通濾波、時間高通濾波，以去除大氣相位，得到最終的時間序列位移值。

(8)地理編碼：把SAR坐標系下的形變結果轉換到地理坐標系下，最后得到視線方向上(LOS)的形變量。

4 實驗結果及分析

4.1 地表形變場分布特征

通過數據處理，如圖2所示，獲得了2015年11月至2017年2月間昆明市區地表年均形變速率圖。通過對圖2分析可知，昆明地表沉降在空間上呈不均勻分布。在昆明北部和西北部的丘陵地區以及滇池西側的西山一帶，地層都呈隆起趨勢。昆明地表沉降區主要分布在滇池東部、昆明中部以及滇池東北部，逐步形成以下幾大沉降區：①小板橋-廣衛村，傳統沉降區，該沉降區呈橢圓形、年均沉降速率約為 -31.1 mm/yr～-16.0 mm/yr；②金家村-小河咀-滇池會展中心，新生沉降區，該區呈帶狀分布，其年均沉降速率約為 -37.6 mm/yr～-15 mm/yr；③福海-河尾村-漁戶村，傳統沉降區，該區呈帶狀分布，年平均沉降速率約為 -17.76 mm/yr～-3.97 mm/yr。另外還存在一些點狀、斑狀的沉降區：①大塘子，傳統沉降漏斗，其最大年均沉降速率約為 -15.36mm/yr；②小漁村沉降漏斗，其最大年均沉降速率約為 -23.3 mm/yr；③棕樹營沉降漏斗，最大累積沉降量約為 -15.09 mm，年均沉降量約為 0 mm/yr～-10.43 mm/yr。

地表的長期沉降不利于昆明市區的基礎設施建設和發展。為了分析昆明各沉降區隨時間的形變規律，本文提取了上述各沉降區的時序累積沉降圖，如圖3所示。在圖3所示的沉降區中，金家村-小河咀片區沉降最為嚴重，呈線性變化，其最大累積沉降量約為 -66.5 mm。滇池會展中心片區在2015年12月～2016年9月，其累積沉降加??；但是在2016年9月～2017年2月間該片區沉降趨勢減緩，在 -45 mm上下波動。小板橋-廣衛村與福海村-河尾村兩沉降區變化趨勢基本一致，在2016年6月之前，沉降趨于平緩，8月至12月沉降加劇，但在2016年12月之后沉降又趨于平緩，累積沉降量穩定在 -40 mm左右。漁戶村沉降趨勢最為平緩，其累積沉降量約為-17 mm～-25 mm。

圖2 昆明市區InSAR時間序列年平均形變速率

圖3 昆明市區典型沉降帶累積形變序列

4.2 剖面線分析

為了進一步研究主要沉降帶的垂直空間特征，本文提取了三大典型沉降區的剖線AA′、BB′、CC′，具體情況見圖4(a～c)、圖5(a～c)。

圖4 昆明市區三大沉降區域示意圖

在圖5(a)中，小板橋-廣衛村(AA′)沉降區已形成一個“V”字型漏斗，其最大沉降量約為 -45 mm，漏斗寬度約為 3 km，片區沉降區面積約為 7.07 km2。在圖5(b)中，金家村-小河咀-滇池會展中心(BB′)沉降帶以小河咀為中心形成一個“W”型的沉降區，未完全形成沉降凹槽，三沉降漏斗之間還存在沉降脊。其次，該沉降區跨度約為 2.5 km，最大沉降量為 -55 mm，在小河咀和滇池會展中心已經形成雙沉降漏斗，跨度約為 1 km，并有中度沉降發育的趨勢。在圖5(c)中，福海-漁戶村(CC′)沉降片區跨度約為 3 km，最大沉降量為 35 mm，單個沉降漏斗呈“喇叭”狀分布、漏斗口徑跨度小，但具有沉降軟發育趨勢。

圖5昆明市區典型區域沉降剖線圖

4.3 監測結果驗證分析

由于本次研究缺乏昆明市區同期的水準觀測數據，無法精確評價本次實驗精度，本文將此次SBAS-InSAR監測結果與其他學者所得結果進行對比分析，發現在形變場空間分布、沉降趨勢等基本一致[18～21]，具體結果如表2、圖6所示。

從表2中可知，在1987年～1998年間，昆明市沉降速率明顯上升，尤其在小板橋、廣衛村、河尾村三個富含水層地區，最大沉降速率達 30.1 mm/a，主要由于市區內過度開采地下水所致。從2007年～2017年，上述三個地沉降趨勢減緩，沉降速率約為 -20.6 mm/a～ -22.6 mm/a。大塘子雖在1998年～2010年間沉降迅速加快，但2010年之后，該地沉降明顯減緩，為 16.6 mm/a。漁戶村在過去30年，沉降速率減小到目前 -3.9 mm/a?？偟膩碚f，昆明傳統沉降區域沉降速率已經減緩或者趨于平緩，這說明近年來控制過度開采地下水的措施有效，但是在金家村-小河咀-滇池會展中心一帶出現了新的沉降區，該區域主要由于近年來大力開發旅游區、建設加快所致。另外，通過和前人監測結果對比的一致性，也說明了InSAR技術監測城市地表沉降的可行性。

昆明市區各時段地表沉降速率(mm/a) 表2

注：1987～1998年沉降觀測數據，來源于文獻[18]；2007～2010年沉降數據來源于文獻[19]。表中金-小片區(金家村-小河咀片區)、滇會中心(滇池會展中心)，其中，*表示無觀測數據。

圖6 傳統沉降中心在不同時期年均沉降速率

5 結 論

本文利用SBAS-InSAR技術監測了昆明市地表形變場，并得出以下結論：①傳統沉降中心，如：小板橋、廣衛村、河尾村、漁戶村等區域沉降速率已減緩；②在金家村-小河咀-滇池會展中心一帶形成了新的沉降帶，并且具有沉降中度發育的趨勢，目前該地最大沉降速率已達 -37.6 mm/a；③在昆明北部丘陵地區、西山一帶，地層存在隆起之勢。

綜合考慮昆明市的沉降因素，主要由于人為過度開采地下水，其次是城市建設荷載過大。昆明沉降區主要分布于滇池東部和東北部，嚴重制約了城市發展進程，昆明市相關職能部門應該加強對該區域的實時監測并制定相關措施。

致謝：感謝歐空局和美國NASA提供的實驗數據，同時也特別感謝徐恩惠、王艷梅等老師在數據處理過程中給予的指導和幫助。