結合SBAS技術的魯西南地區地面沉降監測

，，

(國家測繪地理信息局第二大地測量隊，黑龍江 哈爾濱 150025)

地面沉降已成為十分嚴重的全球性地質災害之一[1]，它是指受自然和人為等因素綜合影響，導致地下松散地層固結壓縮，使地面高程不均勻下降的環境地質現象[2-4]。目前我國很多城市因工業和生活的需要長期對地下水、礦產等資源過度開采，致使地面出現不同程度的沉降，給城市建筑和人們的生產生活帶來了諸多隱患，可能會造成巨大經濟的損失[5-7]。魯西南地區煤炭資源豐富，是我國的重要能源基地。因長期的采掘固體礦產，引起大面積非均勻地面沉降，造成了城市建筑、土地資源不同程度的破壞，嚴重威脅了該地區居民的生命財產安全[8-11]。因此，針對該地區進行周期短、精度高、覆蓋面積廣和準實時的地面沉降監測具有十分重要的意義[5，11-13]。

目前地面沉降監測方法主要有InSAR、水準測量和GPS等[14-15]，其中水準測量和GPS方法得到的結果不連續、覆蓋率低[16-17]，而基于InSAR技術的沉降監測方法，不僅不受天氣影響，而且能快速獲取瞬時、大范圍、連續沉降數據，同時可獲取歷史形變數據，其精度可以達到毫米級，在地震監測和地面沉降監測等方面被廣泛應用。由于時空失相關和大氣延遲的影響，常規的InSAR技術測量精度較低，使其受到很大限制[18]。隨著技術的發展完善和數據積累，時間序列的InSAR分析方法如永久散射體干涉測量(PS-InSAR)、小基線集技術(small baseline set, SBAC)在地面沉降監測領域逐步取代了常規的InSAR技術，成為獲取地面沉降的主要手段，并能夠探測長期累計地面沉降的發展規律[4-6，19]。

本文遴選SBAS技術開展魯西南地區在2016年8月至2017年8月期間的地面沉降研究，得到垂直方向上的累計沉降量分布及年平均沉降速率。本文重點探討SBAS技術在監測大范圍地面沉降的可靠性，分析魯西南地區地面沉降現狀及對道路的影響，其結果可為當地政府在防災減災決策方面提供數據參考[9，20]。

1 研究區域與數據準備

1.1 研究區概況

魯西南地區位于山東省西南部，南靠江蘇、安徽，西鄰河南，北鄰河北，主要包括菏澤、濟寧、棗莊等地區。它的大地構造處于靠近郯廬斷裂的華北板塊一級構造單元東南緣，南以韓臺斷裂為界，北東向以聊考斷裂為界，區內中新生代斷層較發育，斷層相互改造與切割，形成了多個煤田，其中現今開采的主要煤田有：兗州煤田、濟寧煤田、巨野煤田、濟東煤田、黃河北煤田、新漢煤田和藤縣煤田等。魯西南地區中，濟寧市是全國重點開發的八大煤炭基地之一，已被列入采煤塌陷地治理示范基地和全國資源型城市轉型示范市。

1.2 數據源及數據處理

本文選擇研究區內2016年8月5日至2017年8月24日期間獲取的Sentinel-1雷達影像，14期，C波段，分辨率為5 m×20 m。監測范圍如圖1所示，覆蓋面積約4.3×104km2。此外，為了消除地形相位影響，下載了監測區美國航天飛機獲取的數字高程模型數據(SRTM DEM)，分辨率約為30 m。

2 SBAS方法原理

文獻[21]提出的SBAS技術，有效地削弱了空間失相干問題，提高地表形變的監測精度和時間分辨率[4,14,22]。它將同一研究區的多期SAR影像，依據時間基線和空間基線的條件組合成若干個小基線集合，再利用最小二乘(LS)方法，獲取每個小基線集合的地表形變時間序列，最后利用奇異值分解(SVD)方法將若干個小基線集聯合起來進行求解，從而得到研究區內整個觀測時間的時間序列地表形變信息[6]。

SBAS方法原理為：假設在時間t0，t1，t2，…，tN之間收集到研究區N+1幅雷達影像，根據時間和空間基線條件，組合成L個小基線集合下，形成M幅差分干涉圖，M滿足條件如下

(1)

對于第i幅干涉圖上任意像元(x，y)的干涉相位為

δφi(x,y)=φ(tB,x,y)-φ(tA,x,y)≈

4π[d(tB,x,y)-d(tA,x,y)]/λ

(2)

式中，λ為雷達波波長；φ(tA,x,y)和φ(tB,x,y)分別為tA和tB時刻對應的相位；d(tA,x,y)和d(tB,x,y)為相對基準時刻t0的雷達視線向的地表形變量。

假定干涉處理時按照時間順序排列的主影像時間序列IE=[IE1,IE2,…,IEM]，輔影像時間序列IS=[IS1,IS2,…,ISM]，且IEi>ISi。全部的差分干涉相位為

δφi=φ(tIEi)-φ(tISi)i=1,2,…，M

(3)

用矩陣表示為

δφi=Aφ

(4)

式中，A矩陣為M行N列矩陣，A矩陣中每行有兩個非零元素(1和-1)，表示干涉圖，每列表示對應時期的雷達影像。

當M≥N，系數矩陣的秩為N，利用最小二乘法求解得

(5)

當矩陣A的秩小于N時，式(5)中方程系數矩陣ATA秩虧損，使方程解無數。因此為了有效解決這種現象，利用SVD方法求解在最小范數意義上的最小二乘解φ。

采用SVD方法對相位進行求解，得到不連續的形變結果。基于此，將其轉變為相鄰影像獲取期間內像元點沿LOS向的平均速率

(6)

將式(6)代入式(4)得

(7)

式中，B為M×N矩陣，對于第i行，位于主從影像之間的列B(i,j)=(tj-tj-1)，其他情況為B(i,j)=0。此時對B進行奇異值求解，求取最小范數意義下的LOS方向的相位平均速率，聯合沉降模型估算DEM誤差，再對各時間段的沉降速率進行時間域上的積分，得到LOS方向上時間序列的形變量，最后根據入射角，將它們轉為垂直方向上的形變速率和時間序列的累計形變量。

3 結果分析和討論

3.1 地面形變監測結果

利用SBAS技術獲得監測時段內魯西南地區在垂直方向上的累計沉降量(如圖2所示)。可知，2016年8月—2017年8月魯西南地區地面沉降的區域主要分布在鄆城縣、金鄉縣和單縣的主城區及其周邊、兗州市礦區和蒼山縣西北部，最嚴重沉降區域位于鄆城縣主城區域(鄆城縣位于巨野煤田開采區內)，2016—2017年累計下沉達141.22 mm。萊城區及其周邊、泰山區及其周邊和梁山縣西南部呈上升趨勢，上升趨勢最大區域位于萊城區，累計上升164.24 mm。

3.2 精度驗證

為了驗證SBAS監測成果的準確性，本文研究收集到監測區域同期51個二等水準點，將51個水準點結果與SBAS監測結果進行對比(部分見表1)。經對比分析發現SBAS沉降監測結果相對于水準測量成果的中誤差5.73 mm，其吻合程度較高，精度可達到毫米級，滿足精度要求，同時證明了SBAS的監測精度能夠滿足大區域地面沉降監測要求。

表1 水準測量結果與SBAS監測結果對比分析mm

3.3 主要沉降漏斗分布情況

由魯西南地區地面沉降速率(如圖3所示)發現，魯西地面沉降分布范圍較廣，局地沉降較為嚴重，形成了若干沉降漏斗，主要沉降中心有：鄆城縣(A)，最大沉降速率為-134.06 mm/a；兗州市礦區(B)，最大沉降速率為-61.65 mm/a；金鄉縣(C)，最大沉降速率為-50.02 mm/a；單縣(D)，最大沉降速率為-46.22 mm/a；蒼山縣(E)，最大沉降速率為-58.31 mm/a。

3.4 地面沉降影響分析

參照北京市水文地質工程地質大隊研究成果[23]，對魯西南地區地面沉降危險性進行分區評價。結果顯示，沉降嚴重區(超過-50 mm/a)的面積為93.92 km2，較嚴重區(-50～-30 mm/a)的面積為274.37 km2，一般區(-30～-10 mm/a)的面積為2 817.28 km2，輕微區(不超過-10 mm/a)的面積為38 822.6 km2，這表明魯西南地區地面沉降總體較為嚴重。

3.4.1 對公路影響

目前監測區有多條主要公路，包括高速公路、國道、省道和縣道。將公路矢量數據與地面沉降危險性分區圖疊加(如圖4所示)。分析表明，在地面沉降嚴重區，高速公路分布1.35 km，國道分布10.05 km，省道分布27.24 km，縣道分布8.3 km；在地面沉降較嚴重區，高速公路分布15.81 km，國道分布19.47 km，省道分布41.1 km，縣道分布23.73 km；在地面沉降一般區，高速公路分布174.86 km，國道分布168.52 km，省道分布483.4 km，縣道分布383.78 km；在地面沉降輕微區，高速公路分布2 091.31 km，國道分布1 603.54 km，省道分布4 229.72 km，縣道分布4 971.4 km。這表明魯西南地面沉降對公路影響較大，針對分布在地面沉降嚴重區內公路要進行長期、高頻監測，避免發生安全事故，造成巨大損失。

3.4.2 對鐵路影響

監測區擁有多條鐵路，將鐵路矢量數據與地面沉降危險性分區疊加(如圖5所示)。分析顯示，在地面沉降嚴重區，無鐵路穿過；在地面沉降較嚴重區，鐵路分布4.03 km；在地面沉降一般區，鐵路分布103.87 km；在地面沉降輕微區，鐵路分布1 004.76 km。這表明，魯西南地面沉降對鐵路影響較小，整體較為安全。

4 結 論

本文利用2016年8月—2017年8月獲取的14景Sentinel-1雷達影像，采用SBAS技術，提取了魯西南地區地面沉降信息，并從地面沉降分布、精度評價及其影響等方面開展了分析。研究結果表明，2016—2017年魯西南地區地面沉降嚴重，且覆蓋范圍較大；通過SBAS監測成果與水準測量成果對比分析，中誤差為5.73 mm，驗證了利用SBAS技術進行大范圍地面沉降監測成果的準確性；其中鄆城縣、兗州市礦區、蒼山縣、金鄉縣和單縣沉降較為嚴重，最大沉降漏斗為鄆城縣主城區，沉降速率達-134.06 mm/a；地面沉降對各類公路影響較為嚴重，也對鐵路有一定影響。今后相關部門應加強對鄆城縣、兗州市等沉降較為嚴重地區進行長期、高頻的監控，防止地質災害發生。