PS-InSAR技術在蘭州市地面形變中的監測應用

牛全福，陸 銘，馬亞娜，傅鍵愷，張 曼

(1.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省應急測繪工程中心，蘭州 730050)

地面沉降是社會經濟發展中普遍存在的地質問題[1-2]，是在自然因素或人為因素作用下引起的局部下沉或區域性下沉現象，通常會引起建筑物傾斜、生產設施毀壞、地基失穩等，嚴重影響人們的正常生活和生產，是城市可持續發展的重要障礙之一[3]。為此，對城市地表進行長時空維度的沉降監測、掌握地表沉降監測資料具有十分重要的現實意義[4-5]。傳統的地表沉降監測主要依賴重復精密水準測量、基巖標、分層標測量以及全球導航衛星定位監測網等，其特點是監測精度高，但監測成本高、范圍較小、點位密度低等，難以揭示整體形變特點[6-7]。近年來發展起來的合成孔徑雷達干涉測量[8]及合成孔徑雷達差分干涉(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)測量[9]，可獲取大面積、全天候、高精度和高分辨率的地表三維空間微小變化，在地表形變監測方面顯示出前所未有的優越性[10-11]，已成為城市地表形變監測的熱點課題[12-14]。

隨著DInSAR的應用研究及改進其在對地監測時存在著相位失相關和大氣延遲等問題[15]，Ferretti等[16]提出了PS-InSAR(persistent scatterer InSAR)技術，并結合大氣相位估算方法應用在加利福尼亞州的波莫納地表形變監測中，因地表沉降監測的高精度和可信度而得到廣泛應用。例如，任超等[17]利用20景Sentinel-1時間序列數據, 采用PS-InSAR技術提取了2017—2019年南寧市地鐵沿線周邊的沉降速率分布情況，為地鐵運營的風險評估提供了重要的數據支撐。盧旺達等[18]基于24景Sentinel-1A數據分別利用PS-InSAR技術和小基線集(small baseline subset, SBAS)的方法對天津市進行了沉降監測，發現沉降產生的位置與地下水漏斗形成的位置具有很高的一致性，且兩種InSAR監測方法具有較高的一致性，為天津市的防災減災提供了有力的數據支撐。位于黃土高原西部黃河兩岸的蘭州市，是中國地質災害最為嚴重的省會城市之一[19]。近年來城市化進程的加快，高層、超高層建筑，尤其是2013—2019年城市地鐵等大型工程的修建，已出現多處地表塌陷而引起政府各部門極大關注[20-21]。采用InSAR新技術對蘭州市區地表沉降進行多時空維度監測，全面掌握蘭州市區的地表沉降變形時空特征十分必要。

以蘭州市城區為研究區，收集了地鐵修建期間的2014年10月—2020年4月期間的68景Sentinel-1影像數據，結合PS-InSAR技術對研究區大型工程修建前后地表沉降規律進行監測，并對監測結果進行實地調研和分析，以為蘭州城市化發展提供科技支撐。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

蘭州(36°03′N，103°40′E)地處中國地形版圖的幾何中心、黃土高原西部和甘肅省中部，轄五區三縣，是黃河自西向東唯一橫貫全境的省會城市。主城區位于黃河南北兩岸及山澗峽谷，東西狹長、南北較窄，是中國典型的帶狀河谷型城市，地層主要為第四紀松散沉積物和新近系泥巖，下墊層為新近系泥巖和砂巖。南北兩山主要為晚更新世松散的風成黃土所覆蓋，這些松散的物質極易形成崩滑流等地質災害[22]。本次所選研究區主要為主城區及南北兩山的山前斜坡，歷來為地質災害高發區(圖1)。

圖1 研究區域

1.2 PS-InSAR技術

PS-InSAR最早是由Ferretti等于2000年提出，主要目的是克服傳統InSAR技術存在的時空失相干和大氣延遲相位的局限性[23]。其基本思想是通過利用覆蓋同一地區的多景雷達干涉圖像(一般大于20景)構成圖像時間序列、識別和提取散射特性穩定的永久散射體(如建筑物或者巖石等)，利用永久散射體的相位變化特征獲得時間序列上的地表形變信息[24]。其基本原理如下。

對于研究區內選取的N幅SAR影像，基于時空基線和多普勒質心差分布最優的原則選取一景影像作為主影像，其余從影像與其進行精確配準，生成N-1幅干涉圖。則對任意景干涉圖上的任一像元，其相位組成[25]可表示為

φ=φatmo+φnoise+φflat+φtopo+φmove

(1)

式(1)中：φatmo為大氣擾動引起的干涉相位；φnoise為各種噪聲引起的干涉相位；φflat為平地效應引起的干涉相位；φtopo為地形起伏引起的干涉相位；φmove為兩次觀測目標沿視線方向移動引起的相位變化。

應用PS-InSAR技術進行SAR數據處理步驟主要包括：主影像選擇與主從影像對配準，差分干涉圖生成、PS選定、平均變形速率估計和地形誤差消除，PS點變形時間序列分析與平均變形估算等[26-27]。

1.3 數據及預處理

實驗數據為Sentinel-1A和Sentinel-1B的68幅SAR影像，其中，Sentinel-1A為63張，Sentinel-1B為5張。圖像獲取時間跨度為2014年10月—2020年4月，為干涉寬幅(interferometric wide swath，IW)模式、降軌、VV極化，其空間分辨率為5 m×20 m(距離向×方位向)，覆蓋范圍為20 km×25 km；同時，實驗中還獲取了對應成像日期的精密定軌星歷數據，用于輻射定標；數字高程模型為30 m的SRTM DEM數據，用于配準、去平地效應和地理編碼。

數據預處理包括數據格式轉換、研究區裁剪，依據時空基線和多普勒質心頻率參數選取2017年5月2日獲取影像為主影像，其余67景為副影像，得到干涉像對時空基線分布圖(圖2)；經輻射定標、主副影像配準生成相干系數圖后，使用SRTM DEM去地平效應；采用振幅離差指數法選取PS點、估算大氣延遲相位并在干涉圖中去除；最后獲取PS點變形速率，并基于Google earth進行地理編碼。

圖2 時空基線分布

2 結果與分析

圖3為Sentinel-1數據經PS-InSAR技術處理后，地理編碼疊加于Google earth上的研究區PS點年均形變速率圖。可以看出，在2014年10月—2020年5月期間，蘭州市的部分地區出現了較為明顯的地表形變，年形變速率變化范圍為-39.97～9.63 mm，且絕大部分PS點的年形變速率為5～-10 mm[圖3(b)]。其中，形變速率較大的區域主要位于南北兩山的山前臺地和坡腳處[圖3(a)]。

為了探究蘭州市城區2014—2020年間地面沉降時序變化，選擇這4個具有代表性的沉降區域范圍并進行分析。4個沉降區域分別位于西固區的柳泉鄉和杏胡臺村(A)，晏家坪村西側(B)，榆中縣和平鎮(C)，城關區的白道坪村和上坪村(D)。

為了進一步分析圖3中區域A、B、C和D在時間上的沉降細節和沉降趨勢，將其細分成有明顯沉降現象的數個小區域，并根據該區域的歷史信息進行分析和驗證。

圖3 蘭州市年均沉降速率及其分布統計

從圖4(a)可以看出，A區域有兩個較明顯的沉降區域，即區域1柳泉鄉中坪村和區域2杏胡臺村。圖4(d)為2個形變區域在時間序列上的累積變形曲線。可見，區域1和區域2的地表形變趨勢較為接近，累計沉降量均超過了50 mm，均呈現出穩定且持續的沉降趨勢。

為進一步分析地表沉降成因，收集了沉降區地質圖進行疊加分析[圖4(b)]。可以看出該范圍地層主要以黃土，亞砂土砂巖為主，該地層在受圍壓增大時，極易產生不同程度的沉降現象。實地調查得知，中坪村及杏胡臺村在2014—2020年間，在新修建住宅處發生多處明顯的墻面裂縫和地表塌陷[圖4(c)]，驗證了PS-InSAR在A處監測結果的可靠性。

圖4 A區域PS點沉降時空分布

B區域(區域3)位于晏家坪西側虎林路[圖5(a)]，該區域的地質主要以黃土、亞砂土、黏土和亞黏土為主[圖5(b)]，地層結構較為脆弱，沉降區位于砂巖黃土地層交界處，易產生形變。PS-InSAR的監測顯示，累計沉降量超過了50 mm[圖5(d)]，PS點最大沉降速率達39.97 mm/a。實地調研發現[圖5(c)]，該區域位于烈士墓園東門附近，大面積的地面裂縫和下陷十分明顯。在華林山大片民(商)用建筑位于黃土和亞沙土的斜坡面上，由于特殊的地理及地質，該區域仍處于一個不斷下沉的狀態。

圖5 B區域PS點沉降時空分布

C區域(和平鎮)為蘭州市城鎮化的重點區位之一，近年來有多宗土地被出讓用于工業園區以及各類樓盤的開發。該區域的巖層構造同區域A，為黃土和亞砂土為主[圖6(b)]，且與A處沉降區域相似也處于地層交界處，沉降現象明顯，沉降范圍遍布整個鎮區，除西南部較為穩定外，其他區域(區域4～6)均存在不均勻的沉降[圖6(a)]。實地調研發現，徐家山莊(區域6)至豬嘴嶺村及其沿線的累計沉降超過了60 mm[圖6(d)]，徐家山莊西側沉降速率達34.37 mm/a，沉降量和速率均較大，且呈現出逐年持續下沉的趨勢。同時，區域4和區域5正在進行學校、老房區的改建和工業園區建設[圖6(c)]，在工程影響下其地表累計沉降量均超過了50 mm。該區域的沉降現象也在一定程度上較好地反映了近年來蘭州城市化擴張程度。

圖6 C區域PS點沉降時空分布

D區位于蘭州市城關區東北側的城中村(圖7)，地層結構主要以砂巖粉質巖為主，該區位于中川隱伏基底隆起帶和皋蘭褶皺帶的結合部位，新構造運動較為強烈，以豎直變動為主，具有明顯地繼承性、差異性的特點[28][圖7(b)]。其中白道坪村(區域7)和上坪村(區域8)存在比較明顯的地表沉降[圖7(a)]，且白道坪村的累計沉降量超過了60 mm，上坪村的累計沉降量也達到了40 mm，且呈現出持續的沉降趨勢，PS點監測結果顯示其下降趨勢在近半年內趨于平緩[圖7(d)]。調研發現，白道坪村與上坪村之間正在進行某大型地產開發[圖7(c)]，大面積的填(挖)方和高層建筑 是地表沉降的主要誘發因素。

圖7 D區域PS點沉降時空分布

3 結論

研究基于對地觀測的PS-InSAR技術，利用68景降軌的IW模式的Sentinel-1A和Sentinel-1B影像對2014年10月—2020年4月期間的蘭州市城區進行時間序列地表沉降監測，反演出了研究區地表沉降時空分布情況，繪制了地面沉降的時空分布圖，并通過地層資料疊加和實地調分析。結果表明：

(1)研究區基于PS-InSAR技術監測具有較好的可靠性。監測期間，蘭州市區絕大多數PS點的年均形變速率為10～-25 mm，尤其是蘭州市老城區—黃河南北兩岸的河谷盆地，PS點年均變形速率為5～-10 mm/a，表明該區域的地表相對較穩定。在城區周邊，隨著城市化進程的加快和城建用地拓展，部分區域出現了較為明顯的地表沉降，較明顯的區域位于西固區的柳泉鄉及杏胡臺村、七里河區的晏家坪村、城關區和平鎮以及黃河北岸的白道坪村的部分區域，其累積沉降量范圍為-40～-60 mm，最大的年均沉降速率達-24.61 mm/a，并經實地調查驗證了PS-InSAR技術監測結果具有較好的可靠性。

(2)地面沉降主要受到地層巖性控制，并與人類工程活動密切相關。通過對四個明顯沉降區域調查發現，所有監測到的沉降區域以及塌陷區域均為亞砂土、黃土狀粉土和黃土為主，且除去城市化建設的要素，多數沉降區域位于巖層交界處。觀察到沉降速率與巖層疏松程度之間的對應關系，在土層較為疏松的沉積物中，沉降速率明顯更高。并且，在2014—2020年間，大面積的人類活動，如大面積的房屋改建和城市化的快速發展，造成了軟沉積物地區明顯的地面沉降。除此之外，經對歷史水文資料的調查研究表明，近些年來，由于大量水利工程的進行，地下水位有所抬升，因此地下水位的變化并沒有對城市地面沉降產生較大的影響。

(3)蘭州城區的主要地質構造為濕陷性黃土，這種地層結構在干燥時質地較硬，且承載力較強，不易發生形變，但在水流侵蝕時，由于其自身土質結構荷載以及自身重力，土層會快速被破壞，產生不同程度的下沉。在地質結構主要以黃土為主的地區，城市的擴張多來源于對老舊區的改造以及對原始土地的改建，研究對黃土地區有效的城市布局規劃和地表沉降研究具有重要參考價值。在蘭州市，伴隨著城市的加速發展，各種地下施工項目，大型基坑的開挖等對地質結構造成擾動，導致了一定的沉降。因此，將PS-InSAR技術與區域地層結構信息相結合，對于實施有效的土地利用規劃和促進城市的健康和可持續發展是必要的。

盡管本次利用Sentinel-1數據和PS-InSAR技術獲得蘭州市區形變時間序列檢測結果，由于缺乏實測數據，監測結果的驗證僅采用了實地調研確定。今后研究需將InSAR與傳統的監測技術相結合，進一步分析蘭州地表變形的機理，提高地面監測的準確性和可靠性，為區域城市化進程和可持續的城市建設提供科技支持。