基于雙極化Sentinel-1影像的邯鄲市地表沉降時序InSAR分析

周洪月，王文旭，張志全，閆世勇，汪云甲

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

當地上荷載不斷增加時，地表常常伴隨著地裂縫、局部塌陷及不均勻沉降等現象，目前我國大多數城市均發生過類似災害，其中地面不均勻沉降會破壞地上構筑物，影響正常的生產生活，甚至會威脅周邊居民的生命安全。InSAR技術在監測地表沉降方面發揮著巨大作用，相較于常規監測技術，可獲取短重訪周期、范圍廣及精度高的地表沉降信息，目前該技術在諸多監測實例中得到廣泛應用[1～3]。邯鄲市作為河北省主要沉降城市之一，在近幾十年來區域性的地表沉降情況較嚴重，而地下水的超采是導致其東部區域沉降的主要因素[4]。自2012年起，河北省相繼推出關于加強治理重點沉降區域的策略方針[5，6]，因此及時快速獲取邯鄲市近期地表沉降具有較高的研究意義和實際應用價值。

2 時序InSAR原理

PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)，主要通過選取所有SAR影像中保持相干性高的穩定點(PS點)，如裸露巖石、建筑物及人工角反射器等，通過設定初始幅度離差閾值，完成PS候選點網格化、相干系數定權、剔除相近的偽相干點，再利用時空濾波減弱了大氣延遲及DEM誤差的影像，最后提取所有PS點的累計形變量和年平均形變速率[7]。

PS-InSAR數據處理流程如圖1所示，數據準備階段，主要完成主輔影像對的主影像的選取、差分干涉工作；時序InSAR處理主要建立PS點篩選原則、去除DEM誤差、空間視角相關誤差及噪聲殘差，提取所有PS點的形變相位[8]。

圖1 PS-InSAR數據處理流程圖

3 研究區概況與數據源

本次以河北省邯鄲市作為研究區域，該市依傍太行山脈，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均降雨量為 500 mm左右，東部地區以地下水等資源為主，是河北省的南大門[5，6]。據相關資料表明[9，10]，隨著幾十年的城市建設的加快，地下水開采經歷了加大、超采及限采等階段，由此誘發區域性地表沉降也經歷不斷加劇到變緩的階段。對該城市而言，迫切需要近期較大范圍的地表沉降監測結果，該結果既用于反演研究區域內地面沉降現狀，又能作為后續持續沉降治理的重要參考依據。

本文選用歐空局Sentinel-1(S1)系列衛星獲取的影像數據，該系統目前由AB雙星組成，單星重訪周期為12天，其IW模式數據可免費獲取，且具有多極化模式。由于該衛星采用了TOPS成像模式，在S1數據處理生成干涉對過程中，方位向配準精度須優于0.001像元。S1雙極化干涉對集信息如表1所示。覆蓋范圍廣、重訪周期短、成本低及時效性強等特點，該數據在城市地表沉降監測方面具有較高的科研價值和應用潛力[11]。本文選用覆蓋邯鄲市主城區的雙極化IW模式的SAR影像數據各44景對其地表沉降情況進行分析，影像的覆蓋研究區范圍示意圖如圖2所示。

圖2 覆蓋研究區范圍示意圖

S1雙極化干涉對集信息表 表1

4 結果與分析

對44景S1 SAR雙極化影像數據集，分別采用PS-InSAR技術進行數據處理，提取并分析了在2015年6月～2017年8月期間邯鄲市的地表沉降情況。以2016年3月31號獲取的SAR影像為主影像，分別按PS-InSAR數據處理方法進行處理，經統計最大時間基線為528天，最長的空間基線為 339.7 m，提取研究區的地表沉降速率如圖3所示。

圖3 邯鄲市主要區域地表沉降速率圖

從圖3可知，在2015年6月～2017年8月期間，邯鄲市主要沉降發生在邯鄲市東部的肥鄉縣(區)、成安縣、廣平縣及臨漳縣等區域，VH、VV兩種極化數據集獲取的地表沉降速率結果較為接近。另外，根據PS點分布情況(圖3左側矩形框)可知，相較于VH影像集，VV數據集在建筑物較為密集的主城區在識別PS點的能力方面相當，但在地形起伏較大或者建筑物分布較分散的區域內識別PS點的能力較強。

進一步分析可知，研究期內邯鄲市主城區及西部區域地表沉降基本穩定，沉降速率在 10 mm/a以內，而位于邯鄲市東部的區域整體沉降情況較為嚴重，尤其在建筑物較密集的主縣城區內，其平均沉降速率超過了 -40 mm/a，下面對沉降較集中的肥鄉縣(區)、成安縣、廣平縣及臨漳縣四縣的沉降中心區進行重點分析，分別獲取了一個區域的地表沉降分布信息(圖4)。

對圖4中落在選定區域內PS點的結果統計分析，分別得到表2和區域內平均累計沉降圖如圖5所示。

圖4選定區域內PS點的平均沉降速率圖

4個選定內所有PS點沉降結果統計表 表2

圖5 選定區PS點平均累計沉降圖

結合圖4、圖5及表2可知，VV極化的數據集提取四個選定區域內識別出的PS點數量方面能力相當，而且提取出兩種PS點的平均地表沉降速率較接近；四個選定區域內，兩時序沉降變化曲線的平均相關系數為0.97；同時，上述結果反映出在2015年7月～2017年8月期間，邯鄲市重點沉降區發生在圖4中的肥鄉縣(區)A區內，平均年沉降速率達到 -53 mm/a，在B、C、D三處的平均沉降速率介于 40 mm/a～50 mm/a之間，累計沉降量均超過 100 mm，該結果表明所選四個區域內的沉降趨勢仍較大。

上述結果與2012年～2014年期間監測結果(其平均地表沉降速率均已超過 -80 mm/a)相比[12]，研究期間邯鄲市地表沉降速率得到明顯的控制，這間接反映了該市地表沉降治理效果較為顯著。對比時序沉降圖(圖5)，可知肥鄉縣(區)、廣平縣及臨漳縣時序沉降變化一致性較好，主要沉降活躍期為每年的3月～10月份，而成安縣出現夏季波動性較大、冬季穩定的沉降趨勢。以肥鄉縣(區)為例分析地表沉降影響因素包括：該地區種植業較發達，以糧食作物和棉花為主，從夏季到秋季農業用水較多；西臨京廣鐵路與107國道，309國道與邯濟鐵路橫穿其東西方向，也加劇該地區地表沉降態勢；位于華北平原，受地質構造活動的影響，但量級一般較小(不超過 1 mm/a)[13]；部分區域存在地熱資源過度開采現象[14]。

結合相關政策進一步分析其沉降變緩的主導因素為河北省于2014年啟動為期3年的地下水超采綜合治理試點工作，以邯鄲為代表的重點沉降區域引起相關單位的重視，并對所有試點采取地下水壓采措施[15，16]，以至于在2015年～2016年期間研究區內淺層地下水位下降速度減小，深層地下水位呈回升態勢，因此邯鄲市重點沉降區域的地表沉降趨勢有所放緩。

5 結 論

通過雙極化S1 SAR數據時序分析，有效提高了地表沉降監測精度和可靠性。監測結果表明，在2015年～2017年期間，邯鄲市主要沉降出現在其東部區域，其中以肥鄉、成安、廣平及臨漳四縣(區)的選定區域內沉降情況仍較為嚴重，重點區域的最大平均沉降速率均達 -53 mm/a。通過與歷史沉降數據相比，研究時段內邯鄲市整體沉降趨勢變緩，位于上述四縣重點區域的沉降趨勢得到有效遏制；本文表明時序InSAR是一種有效的城市地表沉降快速普查方法，其沉降監測結果亦為相關部門后續持續加強邯鄲市地面沉降區的治理工作提供了基礎數據支撐。