基于Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的鄭州地面沉降監(jiān)測

張介山 劉 凱

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.上海隧道工程有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，已成為影響我國區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1,2]。

鄭州市地處華北平原地面沉降區(qū)的西南邊緣，地面沉降調(diào)查和研究工作起步相對較晚。自20世紀90年代以來，隨著城市的發(fā)展，城市居民用水、郊區(qū)工業(yè)用水的急劇增加，鄭州市地下水位不斷下降，形成了多個地下水降落漏斗[3,4]，致使地面沉降災害加劇。地面沉降的發(fā)生將會對區(qū)域內(nèi)的地表建筑物、線性工程造成一定影響。因此，對該區(qū)域開展持續(xù)的地面形變監(jiān)測具有十分重要的意義。

目前，最常用的監(jiān)測手段主要有精密水準測量、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)測量技術、合成孔徑雷達干涉測量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)技術以及基巖標分層標測量技術[5]。其中InSAR技術具有覆蓋面廣、監(jiān)測周期短、全天時、全天候等優(yōu)點，能夠精確提取研究區(qū)的地表形變特征[6]。尤其是永久散射體雷達干涉測量(permanent scatterer interferometry,PSI)技術[7,8]和短基線集技術[9,10](small baseline subsets,SBAS)等時序InSAR技術的提出，削弱了InSAR數(shù)據(jù)處理中大氣延遲效應、各種失相干誤差及DEM誤差對監(jiān)測精度的影響，在地面沉降監(jiān)測中得到了廣泛應用[11-14]。

因此，本文利用覆蓋鄭州市城區(qū)的34景Sentinel-1A的單視復數(shù)據(jù)(single looking complex,SLC)數(shù)據(jù)，分別采用PS-InSAR，SBAS-InSAR技術對鄭州市城區(qū)2017年3月—2019年12月間的地表形變進行監(jiān)測，對監(jiān)測結果進行交叉驗證，監(jiān)測結果可為鄭州市的地面沉降災害防治工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及實驗數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中部，市區(qū)面積約993 km2，地形自西南向東北由高逐漸降低，地貌類型主要為西部黃土丘陵崗地和東部黃河沖積平原，沖積平原區(qū)廣泛發(fā)育第四紀松散沉積層，地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細砂和中粗砂。

研究區(qū)降水量時空分布不均，2008年以來年平均降水量為635.6 mm，最大年降水量為763.4 mm(2011年)，最小年降水量為375.9 mm(2013年)；年內(nèi)降水分配不均，主要集中在7月～9月。研究區(qū)水文地質(zhì)條件復雜，淺層地下水補給主要來自大氣降水，由于工農(nóng)業(yè)及生活用水開采地下水，已經(jīng)形成淺層、中深層、深層等多個地下水降落漏斗[15]。

1.2 實驗數(shù)據(jù)

實驗采用了歐空局(ESA)免費分發(fā)的Sentinel-1A的C波段SAR數(shù)據(jù)影像，選取軌道號為40的覆蓋鄭州市2017年3月～2019年12月的34景數(shù)據(jù)(見表1)，數(shù)據(jù)為IW模式VV極化的SLC數(shù)據(jù)，覆蓋范圍見圖1。為了消除軌道誤差和地形起伏帶來的影響，使用歐空局提供的成像21 d后生成的高精度軌道數(shù)據(jù)，精度為5 cm，數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)采用日本宇宙航空研究開發(fā)機構JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提供的ALSO World 3D 30 m數(shù)據(jù)。

表1 SAR數(shù)據(jù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 PS-InSAR技術干涉處理

PS-InSAR技術的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。選擇2018-07-07獲取的SAR影像作為公共主影像，其余33幅作為副影像，干涉對的空間基線長度和時間基線間隔見表2。將全部從影像配準重采樣到主影像空間，進行干涉處理，共產(chǎn)生33個干涉對。

表2 影像獲取時間及參數(shù)信息

對33個干涉相對分別計算干涉相位，生成干涉圖，設置振幅離差指數(shù)和相干性系數(shù)，提取PS點，建立PS點網(wǎng)絡，得到各個PS點目標的線性形變結果，去除大氣相位后，得到每個點目標的非線性形變量；最后將線性形變結果和非線性形變結果疊加在一起，設置相干性閾值為0.85，振幅離差指數(shù)DA為3.2[16]，獲得完整的PS點目標沉降速率結果。圖3為采用PS-InSAR技術獲取的研究區(qū)域雷達視線向(LOS)的年平均沉降速率。

2.2 SBAS-InSAR技術干涉處理

SBAS-InSAR技術的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。設置時間基線閾值和空間基線閾值分別為365 d和300 m，選取2018-03-09的影像作為主影像，其余影像作為副影像生成干涉相對進行差分干涉處理；采用Goldstein方法進行自適應濾波，基于Delaunay三角網(wǎng)和最小費用流法(minimum cost flow,MCF)開展相位解纏；采用最小二乘法(least square,LS)和SVD相結合的非線性處理模型，將殘余相位中的大氣相位成分和失相關噪聲相位進行扣除，應用DEM和控制點(Ground Control Point,GCP)進行去平地效應，得到非線性形變速率；結合線性形變速率和非線性形變速率得到研究區(qū)準確的形變速率結果。圖5為采用SBAS-InSAR技術獲取的研究區(qū)域雷達視線向(LOS)的年平均沉降速率。

3 PS與SBAS形變結果對比分析

根據(jù)上述兩種方法得到的鄭州市城區(qū)地面沉降速率圖，可以看出兩種方法的沉降區(qū)域位置和沉降速率基本相一致。PS-InSAR和SBAS-InSAR結果顯示，鄭州市城區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10 mm/年～10 mm/年，最大沉降速率分別為-36 mm/年和-41 mm/年，出現(xiàn)差異的主要原因是兩種方法選取參考點不同導致的[17]。

為了直觀對比兩種技術的結果，分別在沉降較嚴重的A區(qū)和B區(qū)選取相同位置的同名點，繪制其沉降歷史曲線，見圖6，圖7。可以看出，兩種技術的處理結果具有很好的一致性，且PS-InSAR技術得到的沉降值較大，A區(qū)域相差6 mm，B區(qū)域相差8 mm。

以PS-InSAR監(jiān)測結果為例，研究區(qū)中部為較穩(wěn)定區(qū)域，有逐漸抬升的趨勢，存在2個較明顯沉降區(qū)域，分別位于研究區(qū)北部和東部，其中A區(qū)域、B區(qū)域為沉降較嚴重區(qū)域，A區(qū)域位于鄭州市惠濟區(qū)西三環(huán)—北四環(huán)—花園北路—鄭州繞城高速所包圍的區(qū)域，最大沉降速率為22 mm/年，B區(qū)域位于鄭州市東部G107國道—金水東路—前程大道—航海東路包含的區(qū)域，最大沉降速率為36 mm/年。

4 結語

本文采用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術對鄭州市城區(qū)2017年3月～2019年12月的Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理，獲取了研究區(qū)2017年—2019年的地面沉降的分布特征。研究結果表明，兩種技術得到的沉降趨勢相吻合；鄭州市城區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10 mm/年～10 mm/年，研究區(qū)中部為較穩(wěn)定區(qū)域，有逐漸抬升的趨勢，存在2個較明顯沉降區(qū)域，分別位于研究區(qū)北部和東部。