InSAR地表沉降監測在豫北平原的應用研究

王 毅，黃同新，邰建豪

（1.河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001；2.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053；3.河南財經政法大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450046；4.河南財經政法大學 城鄉數據挖掘院士工作站，河南 鄭州 450046）

地表沉降已成為我國主要的地質災害之一，其成因主要為地質因素和人類作用。地表沉降給人居安全、交通、經濟發展等帶來了多種危害[1]。截至2012年，我國已有50多個大中型城市總面積超過8萬km2的國土面積出現了不同程度的地表沉降[2]。目前，地表沉降監測技術主要包括精密水準測量、監測標技術、GNSS等，其監測精度較高，可表達連續沉降序列；但由于需要進行人工測量和布設站點，這些技術存在監測范圍小、站點固定、費用高且監測點數少的局 限[3]。隨著微波技術的發展，逐漸出現了以InSAR技術為代表的新型遙感監測手段，其可通過衛星傳感器獲取大面積的干涉雷達影像，再通過干涉圖的相位信息提取地表的高程和形變。InSAR技術是目前世界范圍內提取地形高程和信息的主要技術手段之一，具有精度高、監測時間長、成本低等特點。

D-InSAR技術是InSAR技術在微波遙感應用中的拓展[4-5]。自Gabriel A K[6]首次論證了D-InSAR技術可用于監測地表沉降后，其在城市地表沉降監測、火山運動、地殼運動、山體滑坡以及冰川運動等方面得到了廣泛發展。Massonnet D[7]等基于ERS-1的雷達影像數據，利用D-InSAR技術精確提取了California地區的地震形變場。Ferretti A[8]等提出了基于永久性散射體的差分干涉測量技術理論。隨著SAR衛星成像技術的不斷提高，有學者提出了小基線集的算法，無需外部DEM數據即可進行D-InSAR計算并剔除大氣延遲誤差。國內學者將D-InSAR技術應用于地震同震源形變研究，地下水、礦產、石油等資源大規模開采引起的地表沉降監測，南極冰川運動以及滑坡研究中，如王超[9]等利用11幅蘇州地區1993－2000年 的ERS衛星SAR影像進行干涉測量處理，對地表沉降進行了分析，獲取了該地區在這一時間段內地面的垂直形變量和沉降速率；諶華[10]等利用NOAA-16/FY-1C大氣水汽產品反演了ASAR干涉測量結果中的大氣水汽含量，經過比對，驗證了算法的有效性；羅海濱[11]等基于GPS對流層延遲改正內插算法，提出了一種顧及地形信息的IDW空間插值法；余景波[12]等基于D-InSAR的基本原理研究了傳統二軌法、三軌法、四軌法干涉測量中的大氣延遲誤差，并利用ERS-1衛星數據進行實驗，分析了大氣延遲影響。

本文基于多年時間序列RadarSat-2數據，利用短基線集（SBAS）InSAR技術對華北平原（河南部分）進行了沉降監測和分析。在地表形變反演階段，引入奇異值分解法，連接多個SBAS，提高了數據處理的時間采樣率，獲取了形變的最小范數解。本文對沉降結果進行了分析，認為人類活動是造成該區域地表沉降的主要因素。

1 研究區概況

研究區位于河南省北部，分屬黃河與海河流域；西依太行山脈，南抵黃河，北部、東部分別與河北和山東兩省為鄰；包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉、焦作、濟源6個地級市，共31個縣（區），總面積為 21 026 km2；地理坐標為112e27′34″～116e4′51″E、34e52′0″～36e17′19″N。

2 研究方法

本文采用的InSAR技術解譯方法為SBAS方法。SBAS方法是目前具有代表性的高級（多基線）InSAR方法之一，對于提取低分辨率、大尺度地表形變具有較好效果[13]。該方法根據獲取的SAR影像序列在時間、空間基線的分布，將數據組合成若干個集合，使得集合內干涉對空間基線距較小，而集合間干涉對空間基線距較大[14]。在地表形變反演階段，為了連接 多個SBAS、提高數據處理的時間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取形變的最小范數解。SBAS方法的數據處理流程如圖1所示。

圖1 SBAS方法的數據處理流程圖

3 數據處理

本文選取60景30 m分辨率的RadarSat-2數據作為SAR數據源，獲取時間為2014年2月－2016年11月；利用3個條帶的SAR圖像對河南省北部區域進行全覆蓋，每個條帶采用20景圖像，3個條帶共60景影像。

1）干涉組合。小基線通過設置一定的時間和空間基線閾值，得到干涉組合。本文設置空間基線閾值為250 m，時間基線閾值為200 d，其中條帶1共組成60對干涉組合，條帶2共組成79對干涉組合，條帶3共組成43對干涉組合，并在組合的基礎上生成干涉條紋圖。條帶1的干涉組合如表1所示。根據InSAR數據參數，確定條帶1垂直基線閾值為200 m，時間基線閾值為200 d，共生成60對干涉 組合。

表1 條帶1的干涉組合

2）干涉條紋圖生成。SAR圖像配準后，將兩幅圖像進行復共軛相乘即可得到干涉條紋圖，如圖2所示。干涉處理時，選取8×2的多視窗口。圖2在方位向上存在一條條的條紋，是由平地效應造成的，需去除以便進行相位解纏。

圖2 干涉條紋圖

3）相位解纏。利用最小費用流的方法進行相位解纏，根據圖像分辨率、地物類型，僅對相干性大于0.4的像素點進行相位解纏，從而降低噪聲誤差對解纏結果的影響。干涉條紋圖的解纏結果如圖3所示。

圖3 解纏后的相位圖

4）高相干目標點選取。對生成的相干圖進行平均處理得到平均相干系數圖，再設定適當的閾值即可得到高相干目標點。根據工作區域大小、時間基線大小和地物類型，設置相干系數閾值為0.6，共選出約 207萬個相干點用于形變反演。

5）形變估計。高相干點選取完畢后，根據解纏后的干涉條紋圖數據建立相應的相位模型，利用SVD方法即可求解觀測范圍內的形變速率，如圖4所示。

圖4 形變速率圖

6）地理編碼。根據圖像頭文件提供的控制點地理坐標信息對得到的形變速率圖進行地理糾正，即可得到地理編碼后的形變速率圖。

4 地表沉降特征分析

4.1 研究區地表沉降基本特征

1）根據工作區InSAR監測成果，工作區沉降速率在15 mm/a以上的區域主要分布在安陽、濮陽、新鄉和鶴壁地區。

2）根據沉降速率點的光學遙感影像特征，工作區沉降嚴重區主要發生在城鎮及其周圍地區，說明城鎮建設是工作區地表沉降的一個主要影響因素。

3）整個工作區可劃分為5個重點沉降區域，即安陽市—濮陽市沉降區、新鄉市—衛輝市沉降區、修武縣—孟州市沉降區、輝縣市沉降區、濮陽縣—長垣縣沉降區。

4）由沉降等值線圖可知，安陽、濮陽、新鄉和焦作地區的沉降空間分布與已知的沉降區域基本一致，如水文地質工作已探明的地下水位降落漏斗（滑縣—濮陽—清豐—南樂漏斗、溫縣—孟州漏斗）。

4.2 重點區域地表沉降特征

根據InSAR監測沉降速率圖和沉降等值線圖，本文綜合分析確定了5個沉降重點區域。

1）安陽市—濮陽市沉降區。該沉降區位于安陽市與濮陽市之間，南到滑縣城關鎮，面積為5 256 km2， 地理位置為114e17′～115e20′E、35e30′～36e15′N。沉降中心位于安陽縣白壁鎮東北，最大沉降速率為-95.36 mm/a，沉降中心呈西北—東南走向。

2）新鄉市—衛輝市沉降區。該沉降區位于新鄉市城區及其周圍，整體呈近圓形，面積為220 km2，地理位置為113e45′～114e07′E、35e14′～35e27′N。沉降中心位于新鄉市城區東北部，最大沉降速率為-41.09 mm/a。

3）修武縣—孟州市沉降區。該沉降區位于修武縣城關鎮與孟州市城關鎮之間，整體呈東北—西南走向，包括武陟縣和溫縣的一部分，面積為1 673 km2，地理位置為112e42′～113e28′E、34e53′～35e16′N。沉降中心位于武陟縣城西，最大沉降速率為-34.37 mm/a。

4）輝縣市沉降區。該沉降區位于輝縣市百泉鎮與修武縣交界處方莊鎮之間，整體呈東北—西南走向，面積為495 km2，地理位置為113e22′～113e48′E、35e18′～35e33′N。沉降中心位于輝縣市百泉鎮西南，地理坐標為（113e43′, 35e29′），最大沉降速率為-114.85 mm/a。

5）濮陽縣—長垣縣沉降區。該沉降區位于濮陽縣徐鎮鎮與長垣縣丁欒鎮之間，整體呈東北—西南走向，面積為1 408 km2，地理位置為114e37′～115e30′E、35e05′～35e41′N。沉降中心位于濮陽縣徐鎮鎮東南，最大沉降速率為-73.58 mm/a。

4.3 地表沉降與地質環境關系研究

工作區引起地表沉降的原因可分為自然因素和人類活動因素，其中自然因素包括構造活動、軟弱土層的自重壓密固結等；人類活動因素主要包括地下水開采、地熱資源開發、石油開采、城市建設4個方面。

1）地下水開采。工作區內對地下水的開采歷史可分為4個階段：第一階段為1965年以前，只在安陽、新鄉、焦作等大城市建有水源地，且開采量較小；第二階段為1965－1977年，地下水開采量逐年增加，主要為淺層地下水；第三階段為1978－1990年，城鎮和 廠礦興建了許多水源地，地下水開采量劇增；第四階段為1990年以后，地下水開采量呈緩慢增長趨勢。各行業地下水開采量占比分別為工業8.6%、生活10.4%、農村81.0%。

根據《河南省地下水超采區評價報告》，淺層地下水在濮陽—封丘—原陽—新鄉—鶴壁—安陽、孟州—溫縣—武陟、濟源、淇縣等區域為一般超采區，中深層承壓水在濮陽—清豐—南樂及其以東區域為超采區。長期地下水開采加之近年來氣候干旱、降雨量偏少，使得工作區地下水位呈大面積下降態勢，淺層地下水已形成兩個區域性地下水位降落漏斗，分別為滑縣—濮陽—清豐—南樂漏斗和溫縣—孟州漏斗。2014年 滑縣—濮陽—清豐—南樂淺層地下水區域降落漏斗的面積為4 084.02 km2，漏斗中心水位埋深為30.42 m。2014年溫縣—孟州漏斗的面積為556.11 km2，漏斗中心水位埋深為12.63 m。

2）地熱資源開發。目前工作區的地熱開發形式主要為井采，開采的熱儲層主要為新近系、古近系松散巖熱儲層，個別為其他基巖裂隙熱儲層。從開采方式來看，工作區為鑿井取熱，以零星開采為主。工作區地熱井開采深度多為800～1 300 m，以開采低溫地熱資源為主，深度大于1 500 m的地熱井數量較少。近年來，隨著石油鉆機的引入和地熱成井工藝的不斷完善，鑿井深度也在不斷增加，如安陽電業新村、鶴熱2#、鶴熱3#等地熱井深度均在1 500 m以上。

3）石油開采。石油開采主要位于濮陽市的中原油田，主要勘探開發區域為東濮凹陷，橫跨河南、山東兩省6市12縣（區），呈東北—西南走向，面積為 5 300 km2。經過了30多a的開發建設，勘探開發范圍約為2 000 km2，開采深度約為3 000 m。

4）城市建設。近年來，工作區城市建設發展迅速，城市建成區面積不斷擴大，城市人口規模不斷增加，城鎮化水平明顯提高，截至2016年工作區城鎮化率已達50%以上。城鎮化的發展必然促進城市的擴張，基礎設施建設在一定程度上引起了城市的局部沉降，城市建設對地表沉降和地裂縫產生了一定影響。利用InSAR技術進行地表沉降監測，分析形成沉降的人為和自然因素，能為城市的建設發展提供有力依據。城市的發展規劃應充分考慮對郊區地表沉降區域的影響。

5 結 語

本文采用SBAS-InSAR方法監測了華北平原（河南部分）的地表沉降特征，生成了研究區InSAR地表沉降速率圖和沉降等值線圖；并根據研究區總體沉降特征，劃分了安陽市—濮陽市沉降區、新鄉市—衛輝市沉降區、修武縣—孟州市沉降區、輝縣市沉降區、濮陽縣—長垣縣沉降區5個典型地表沉降區。研究結果表明，沉降主要集中在城市市區以及市郊部分區域，與近年城市擴張、人口集中導致地表資源和地下資源的持續消耗有較大關系；除軟弱土層的自重壓密固結等自然因素外，影響地表沉降的人類活動因素主要包括地下水開采、地熱資源開發、石油開采、城市建設 4個方面。