基于PS-InSAR技術的新鄉市地表沉降監測

花生攀 蔡來良 上官凱林 杜 莊

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454003）

地面沉降是在自然因素和人為因素共同作用下造成的面標高降低的緩慢性的地質災害現象[1]。傳統的水準測量、GPS測量等僅能獲取若干監測點的形變信息，難以滿足大時空尺度下的監測需求[2]。合成孔徑雷達干涉差分測量技術（D-InSAR）是一種主動成像微波遙感手段[3]，具有全天時、全天候、高精度、覆蓋范圍廣、穿透性強等特點，廣泛應用于地震[4]、火山[5]、冰川[6]、地面沉降[7]等領域。D-InSAR技術易受時空失相干、DEM誤差及大氣相位的影響，在地表形變監測中具有局限性。研究人員對差分干涉測量技術進行改進，提出了永久散射體干涉測量[8]（PS-InSAR）、小基線集技術[9]（SBAS-InSAR）、分布式散射體[10]（DS-InSAR）等時序InSAR技術。眾多學者應用該技術對北京市[11]、上海市[12]、昆明市[13]等開展地面沉降監測研究，為沉降災害防治工作提供參考。利用24景Sentinel-1A數據，基于PS-InSAR技術獲取新鄉市主城區2017年11月～2019年10月地面沉降信息，結合人口、降雨等因素對沉降區域成因進行分析，為城市地表沉降監測普查提供依據。

1 研究區概況及試驗數據

1.1 研究區概況

新鄉市位于河南省北部，南臨黃河，與省會鄭州隔河相望，北依太行，與安陽、鶴壁毗鄰，東接濮陽并與山東相連，西連焦作且與山西接壤，總面積8 249 km2。新鄉市屬于華北板塊，地勢北高南低，北部主要是太行山山地和丘陵崗地，南部為黃河沖積扇平原，平原占全市土地總面積的78%。新鄉市是我國重要的商品糧基地和優質小麥生產基地，是中原經濟區核心城市之一，也是豫北地區重要的交通樞紐。

1.2 試驗數據

影像獲取時間如表1所示。

表1 影像獲取時間

本次試驗從歐空局獲取2017年11月～2019年10月的24景Sentinel-1A升軌衛星影像，分辨率為5 m×20 m，雷達波長為5.6 cm（C波段），采用VV極化方式。使用SRTM數字高程模型（DEM）消除地形相位，DEM分辨率為90 m。

2 理論與數據處理

2.1 PS-InSAR基本原理

利用覆蓋同一地區的多景SAR影像，根據最優模型選擇一景主影像，其余為輔影像，生成時間序列干涉像對。提取干涉像對中不受時空失相干和大氣相位影響的永久散射體（PS）點，通過消除地形相位、時間與空間濾波等處理提取PS點的形變量，以此監測地表沉降。在城市中可以獲得大量PS點，如道路、建筑物等。

2.2 數據處理流程

數據預處理：從24景原始SAR影像中裁剪出研究區域。差分干涉工作流：選取日期為2019年2月13日的影像作為主影像，將其他影像與主影像配準，并生成23組差分干涉像對，時空連接如圖1所示。

圖1 時空基線連接

最大空間基線為141.3 5m，最小空間基線為10.837 m；最大時間基線為468 d，最小時間基線為24 d。

選取PS點：通過振幅離差指數篩選出在時間序列中比較穩定的PS點，共計86 213個。點大多分布在道路、橋梁、建筑物上，河流、耕地區域基本無PS點。

PS第一次反演：通過不規則三角網建立PS點之間的連接關系，利用線性形變和DEM模型分析PS點在雷達視線向形變速率，由內插法得到整個試驗區的形變速率。

PS第二次反演：通過時間域低通濾波和空間域高通濾波分離大氣相位和非線性形變相位，得到最終形變速率。

地理編碼：將雷達視線向形變速率轉換到垂直向形變速率，將形變結果從雷達斜距坐標系投影到地理坐標系下。

3 監測結果分析

3.1 沉降區分布

新鄉市主城區地表的年平均沉降速率如圖2所示。

圖2 年均沉降速率

新鄉市沉降區域主要分布在牧野區，其他區域相對比較穩定，A、B、C三個區域沉降現象相對比較嚴重。

3.2 時序分析

分別從A、B、C三個沉降區域中各取一個典型點進行沉降時序分析，如圖3所示。

圖3 典型點沉降序列

A區域典型點P1位置在大朱莊附近，B區域典型點P2位置在前辛莊，C區域典型點P3位置在呂村內。三個典型點的累積下沉量整體呈增加的趨勢，研究時間段內累計下沉約為24 mm。沉降原因為村莊人口密集，村民對地下水的過量開采，破壞了地下水收支平衡，地下水位持續下降，造成地面沉降。2018年8月、2019年8月，各典型點的下沉速率減緩，地面抬升，原因為新鄉市降水量在季節分配上極不均勻，6～8月為降雨量豐富期，雨水補給使得地下水位有所上升，減緩了地面下沉，且抬升存在滯后性，8月中旬抬升效果明顯。

4 結語

以新鄉市主城區為例，利用PS-InSAR技術對覆蓋研究區的24景Sentinel-1A影像進行處理，獲得了平均沉降速率，PS-InSAR技術可以為城市沉降監測提供技術支持。