PS-InSAR技術(shù)在無錫中心城區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

歐陽雙艷 周世健 周子琪

(1. 東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2. 南昌航空大學(xué), 江西 南昌 330063;)

0 引言

近幾年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,城市在不斷擴(kuò)張,人口數(shù)量增加、高層建筑物拔地而起、地鐵隧道等地下大型工程建設(shè)的如火如荼,同時(shí)也伴隨著地表荷載過重以及地下水的過度開采從而引起了地基形變、地面下沉等危害。城市的地面變形通常由自然方面地質(zhì)因素以及外在方面人為因素,致使地下松散巖層壓縮所引起的地殼表面高程降低的無法逆緩的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1-2]。目前我國部分城市地表已經(jīng)出現(xiàn)了程度不一的形變,地表形變已經(jīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生不利影響并且限制了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長期發(fā)展。針對(duì)地表形變,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是水準(zhǔn)測(cè)量、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)測(cè)量和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)技術(shù)。這些方法能夠很夠很好的監(jiān)測(cè)某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的形變并且監(jiān)測(cè)精度高。但這些方法仍含有一些問題,監(jiān)測(cè)密度低、經(jīng)濟(jì)消耗高,不能提供大范圍的微小形變信息等。而對(duì)于研究區(qū)域大、形變慢、時(shí)間跨度長的形變地區(qū),合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(in-terferometric synthetic aperture radar,InSAR)可以提供更好的監(jiān)測(cè)效果。InSAR技術(shù)具備全天時(shí)、全天候、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)大范圍內(nèi)正在發(fā)生的微小形變和地質(zhì)災(zāi)害[3]。1988年GRABRIEL等人[4]首次通過差分干涉測(cè)量(differential InSAR,D-InSAR)監(jiān)測(cè)到地表微小形變。1999年 FERRETTI等人[5]提出永久散射體雷達(dá)干涉技術(shù)(persistent scatterer-interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR)技術(shù),相較于D-InSAR有效解決時(shí)空失相關(guān)及大氣誤差問題,可獲得地面時(shí)序形變量并提升了監(jiān)測(cè)精度。PS-InSAR技術(shù)早已普遍運(yùn)用在礦區(qū)、地震災(zāi)區(qū)、城市等多種場(chǎng)景的地表形變研究工作中并取得顯著成果。王新田等人[6]采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)聊城東部市區(qū)沉降空間分布特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)并結(jié)合歷史影像資料探討原因。劉昱彤[7]運(yùn)用PS-InSAR方法反演出河北省曹妃甸區(qū)2018—2019年的形變速率和沉降結(jié)果,并解析了重點(diǎn)沉降區(qū)的時(shí)序形變特征。張劍等人[1]利用時(shí)序InSAR對(duì)蘭州市中心城區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),并對(duì)城區(qū)內(nèi)軌道交通進(jìn)行緩沖區(qū)分析監(jiān)測(cè)其沉降時(shí)空規(guī)律。盧旺達(dá)等人[8]采用天津地區(qū)24景哨兵影像進(jìn)行PS-InSAR處理,結(jié)合水文地質(zhì)等資料剖析了沉降原因,并與小基線集處理得到的結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)此方法的準(zhǔn)確性。

無錫是江蘇省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的城市,同樣也面臨地面形變?yōu)暮Φ膰?yán)重影響。自20世紀(jì)50年代末到80年代無錫市沉降區(qū)域就一直在不斷增大,沉降量一度達(dá)到800 mm[9]。尹建華[10]通過地質(zhì)學(xué)角度對(duì)無錫沉降機(jī)理進(jìn)行研究,第Π承壓含水層因長期地下水的抽取導(dǎo)致含水率不斷下降,并根據(jù)土層的壓縮性預(yù)測(cè)無錫仍具有較大的沉降潛力。趙佳曼等人[11]利用小基線集方法對(duì)無錫2004—2012年間地面形變情況進(jìn)行反演,最大累計(jì)沉降量超過-200 mm,并與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出地下水水位變化仍影響著地表形變。綜合分析可知利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)無錫中心城區(qū)形變的文獻(xiàn)較少,且近幾年對(duì)于無錫地區(qū)地表形變的研究也尚不多見。因此,監(jiān)測(cè)無錫地區(qū)地表形變對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)和人民生活的安全具有重大意義。本文通過PS-InSAR技術(shù),利用哨兵1A號(hào)(Sentinel-1A)衛(wèi)星得到無錫市多時(shí)序高分辨率圖像，對(duì)無錫市中心城區(qū)2018—2021年地表形變情況以及形變嚴(yán)重區(qū)時(shí)序形變特征進(jìn)行研究分析,為掌握無錫市地表形變特征提供依據(jù),為城市建設(shè)規(guī)劃以及防災(zāi)減災(zāi)給予參考。

1 研究方法

哨兵1號(hào)(Sentinel-1)是2014年由歐洲航天局(European space agency,ESA)發(fā)射的一顆地球探測(cè)衛(wèi)星,因其具有全天候成像、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔短,能夠探測(cè)到亞毫米級(jí)地層運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而廣泛運(yùn)用在地表形變監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中。基于以上背景,本文將Sentinel-1衛(wèi)星2018—2020年采集的單視復(fù)數(shù)影像(single look complex,SLC)數(shù)據(jù)預(yù)處理,對(duì)無錫市中心城區(qū)開展地形提取以及地表形變監(jiān)測(cè)研究,探討運(yùn)用PS-InSAR方法進(jìn)行地表形變反演,分析形變特征及影響因素,為研究區(qū)開展工作提供有利資料參考。

PS-InSAR技術(shù)通過選取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)N+1景合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)影像中的一景當(dāng)作主影像,其余作從影像生成N幅差分干涉圖。其中主影像選取規(guī)則需要遵循獲取時(shí)間和所有影像獲取時(shí)間作差的絕對(duì)值要最小、空間基線最小以及多普勒質(zhì)心頻率最小的原則,從而可使選取的主從影像相干性更好[12-14]。然后采用將頻譜相干系數(shù)法與振幅離差閾值法進(jìn)行結(jié)合的方式選取高相干性永久散射體 (persistent scatterer,PS)點(diǎn);利用Delaunay三角網(wǎng)格建立連接關(guān)系,再通過加權(quán)最小二乘的方法進(jìn)行相位解纏,并在估計(jì)線性形變相位和數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)誤差之后運(yùn)用時(shí)間域與空間域?yàn)V波的方式將非線性形變相位以及大氣相位分離出來[15];最終將選擇得到的PS點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析,從而獲得形變量與形變速率。PS-InSAR技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術(shù)路線

PS-InSAR影像處理第K張差分干涉圖中解纏之后PS點(diǎn)相位表達(dá)式為

(1)

式中,φdef為形變相位;φatm為大氣延遲相位;φnoise為噪聲相位;φtopo-error為參考DEM引起的殘余地形相位;φfla-error為參考橢球面相位。

2 研究區(qū)概況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

無錫市位于蘇錫常沉降帶,本文選取的研究區(qū)為無錫市中心主城區(qū),主要包括梁溪區(qū)、錫山區(qū)、濱湖區(qū)、新吳區(qū)以及惠山區(qū),不包含江陰市和宜興市。無錫古稱為梁溪,其簡稱是錫。無錫市坐落于江蘇省東南方向,其地理坐標(biāo)范圍為31°07′ N～32°2′ N,119°33′ E～120°38′ E。東部與蘇州為鄰,南面瀕接太湖,與浙江省交界,西面毗鄰常州,北依長江,與泰州市所轄的靖江市隔江相望。向西與南京距離170 km,向東與上海相距110 km。無錫市中心城區(qū)包括三條地鐵線,兩條鐵路線。無錫地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,為黏性土層和砂土層交替變化組成的第四紀(jì)松散地層,含有淺層承壓水和深層承壓水,深層承壓水是地下水抽取時(shí)的主要抽取層。在20世紀(jì)60年代以來,無錫迅速發(fā)展,人口數(shù)量快速上升,工農(nóng)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)張使得用水需求增長,從而大量開采地下水因而產(chǎn)生不均勻性差異沉降。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為從歐空局下載的覆蓋無錫市中心城區(qū)的25景C波段Sentinel-1A升軌影像。時(shí)間范圍從2018年10月25日開始至2020年10月26日結(jié)束,在每個(gè)月選取一景。具體SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。另外,為了進(jìn)一步將影像軌道精度提高,實(shí)驗(yàn)中使用歐空局提供的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)對(duì)軌道誤差進(jìn)行修正;并采用Sentinel-1數(shù)據(jù),去除地形起伏影響。

表1 SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 Sentinel-1A數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取包含無錫市中心城區(qū)范圍的Sentinel-1A影像,基于PS-InSAR技術(shù)對(duì)時(shí)間區(qū)間位于2018年10月25日至2020年10月26日的共計(jì)25景數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析研究區(qū)地面形變情況。通過計(jì)算像對(duì)時(shí)空基線,選取時(shí)空基線居中的2019年10月20日的SAR數(shù)據(jù)作為公共主影像,然后將其余24景影像當(dāng)作從影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)和差分干涉處理,共產(chǎn)生24個(gè)干涉對(duì),其中空間基線范圍為-112～96 m,最大值大小約為112 m,最小值約為4 m,這些基線的平均基線長度為43 m,空間基線的分布情況如圖2所示。

圖2 時(shí)空基線分布圖

3.2 研究區(qū)總體地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析PS點(diǎn)分布疏密情況,把振幅離差閾值設(shè)定為0.6。共提取到1 291 117個(gè)有效PS點(diǎn)。通過ArcGIS空間分析工具,設(shè)置合適的色帶代表不同的線性形變速率,圖3展現(xiàn)出2018年10月至2020年10月無錫市中心城區(qū)PS點(diǎn)形變速率,A、B、C區(qū)為三處形變量較大區(qū)域。分析PS點(diǎn)分布狀態(tài)可看出,研究區(qū)內(nèi)PS點(diǎn)在樓房密集處提取結(jié)果較好,在郊區(qū)點(diǎn)比較稀疏,整體分布均衡。但是有部分小塊區(qū)域以及濱湖區(qū)一大塊區(qū)域中PS點(diǎn)分布極少甚至沒有,這是因?yàn)檫@些區(qū)域被植被覆蓋或?yàn)樗?例如濱湖區(qū)有1/2面積為太湖水域;因而在此范圍內(nèi)對(duì)雷達(dá)波的后向散射能力弱,從而引起失相干[16]。而水域區(qū)域上零星分布的PS點(diǎn)是影像拍攝時(shí)期有船舶經(jīng)過造成的;并且采用的Sentinel-1A實(shí)驗(yàn)影像對(duì)于點(diǎn)狀地面物體的監(jiān)測(cè)效果可能也會(huì)產(chǎn)生一定干涉。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)形變速率圖

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,無錫市中心城區(qū)整體呈現(xiàn)出“西北部抬升,南部下沉”的特點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)時(shí)段的形變速率范圍為-14～20 mm/a,年均沉降速率最大值為-14 mm/a,最大累積形變量約112.5 mm。地表沉降區(qū)主要分布在主城區(qū)的東南方向,沉降較大的區(qū)域主要集中在濱湖區(qū)高凱路-大通路附近(A區(qū))。地表抬升區(qū)主要集中在研究區(qū)的西北部,惠山區(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁鎮(zhèn)-前洲鎮(zhèn)構(gòu)成的片狀區(qū)域(B區(qū))。其余區(qū)抬升較為分散,其中抬升形變較大的區(qū)域在梁溪區(qū)華源小區(qū)-五愛家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶(C區(qū))。而新吳區(qū)和錫山區(qū)整體趨于穩(wěn)定。

本次研究共監(jiān)測(cè)到1 291 117個(gè)有效PS點(diǎn),由無錫市中心城區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)形變速率如圖4所示,77.5%的PS點(diǎn)平均速率在-4～8 mm/a以內(nèi);形變量較小,并且研究的時(shí)間段跨度較短,因而無錫市中心城區(qū)總體形變小,比較穩(wěn)定。沉降和抬升速率較大的PS點(diǎn)個(gè)數(shù)所占比重都較小,地面抬升平均速率大于15 mm/a的PS點(diǎn)數(shù)量總計(jì)8 867個(gè),所占比重為0.68%;而沉降速率較大的PS點(diǎn)占比0.78%,沉降速率超過-10 mm/a的有10 080個(gè)。集中分布于形變范圍較大的部分。這一統(tǒng)計(jì)也從側(cè)面說明無錫市中心城區(qū)整體趨于穩(wěn)定,只有小部分區(qū)域出現(xiàn)抬升或沉降現(xiàn)象[17]。

圖4 研究區(qū)域PS點(diǎn)形變速率直方圖

3.3 重點(diǎn)區(qū)域形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

將無錫市中心城區(qū)整體監(jiān)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)水文資料以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查情況相結(jié)合,對(duì)地表形變嚴(yán)重的幾處區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析。

濱湖區(qū)存在一處明顯的沉降區(qū),在高凱路-大通路附近。圖3中A區(qū)域?yàn)閲?yán)重沉降區(qū)。可以看出此處形變速率較大。在2018—2020年監(jiān)測(cè)期間該區(qū)域沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,最大累積沉降量為-64 mm。選取高凱路-大通路沉降最大區(qū)域內(nèi)均勻分布的5個(gè)PS采樣點(diǎn)分析其時(shí)序沉降量,如圖5所示5個(gè)特征點(diǎn)的沉降趨勢(shì)基本一致。該區(qū)域一直處在持續(xù)下沉狀態(tài),并且沉降速率穩(wěn)定。通過進(jìn)行實(shí)地勘查高凱路附近發(fā)現(xiàn)某工廠門口地面有大面積坑洼,存在下沉現(xiàn)象。濱湖區(qū)地貌屬太湖沖積平原,為第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu),而該層為地表沉降過程中主要的變形層位[10]。該區(qū)域是工業(yè)園區(qū),主要有紡織廠、食品廠和重工業(yè)工廠等,人口眾多,用水需求較大。過度抽取地下水資源是引起該區(qū)域沉降嚴(yán)重的重要因素;其次建筑物不斷加載也增加了地面負(fù)荷導(dǎo)致沉降。

圖5 A區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

從圖3研究區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)沉降速率圖可以看出，無錫市梁溪區(qū)出現(xiàn)明顯的抬升區(qū)域,在華源小區(qū)-五愛家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶(B區(qū))。在2018—2020年期間該區(qū)域形變速率最高可達(dá)11.27 mm/a,最大累積形變量約為35 mm。利用PS-InSAR結(jié)果選取5個(gè)特征點(diǎn)分析得到該嚴(yán)重區(qū)域地表時(shí)序形變量(如圖6所示)。該區(qū)域于2018年10月至2019年4月期間保持穩(wěn)定狀態(tài),幾乎沒有形變,隨后出現(xiàn)波動(dòng)性上升,但在2020年5月之后抬升趨勢(shì)減緩,并逐漸趨于穩(wěn)定。通過查閱相關(guān)資料可知,該區(qū)域由環(huán)城河和古城河環(huán)繞包圍,近兩年大氣降水補(bǔ)給增加,地下水水面上升,受降雨影響從而使地表呈現(xiàn)波動(dòng)性抬升。并且在形變區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)路面因抬升導(dǎo)致的裂縫現(xiàn)象,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖6 B區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

惠山區(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁街道-前洲街道周圍構(gòu)成的片狀區(qū)域(圖3中C區(qū)域)。玉祁街道和前洲街道是著名的水鄉(xiāng)特色老鎮(zhèn),自2005年開始貫徹落實(shí)禁止開采地下水政策,打造水系生態(tài)小鎮(zhèn),因此該地區(qū)出現(xiàn)大范圍地面回彈現(xiàn)象。從圖7的特征點(diǎn)時(shí)序形變量圖可以看出這一片區(qū)域2019年之前有輕微的沉降,最大沉降量約為7 mm,形變速率比較緩慢。之后緩慢回升保持抬升量在18 mm左右振蕩,有逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)惠山區(qū)有許多在建工地,附近地面存在大量裂縫和墻體開裂現(xiàn)象。通過查閱相關(guān)資料,2018年無錫政府發(fā)布玉祁-前洲街道轉(zhuǎn)型工業(yè)示范鎮(zhèn)政策,平湖新城區(qū)和高新產(chǎn)業(yè)區(qū)等聚集發(fā)展,開始有大量開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目開始進(jìn)行,包括超深基坑等地下大型工程手段實(shí)施[18],導(dǎo)致一開始的地面沉降。可能后期由建筑施工進(jìn)行的土方工程釋放的荷載引起緩慢抬升;并隨著構(gòu)建生態(tài)防護(hù)帶政策的進(jìn)行,地下水水位回升引起地表抬升。

圖7 C區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

4 結(jié)束語

文章基于PS-InSAR技術(shù)對(duì)無錫主城區(qū)25幅Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理獲得地表形變速率和沉降量,監(jiān)測(cè)了2018年10月至2020年10月無錫市中心城區(qū)地表形變,分析研究區(qū)的時(shí)序形變特征,獲得以下主要結(jié)論：

(1)2018年10月至2020年10月期間,無錫市中心城區(qū)整體呈現(xiàn)出“西北部抬升,南部下沉”的特點(diǎn)。主要有三處形變明顯地區(qū),濱湖區(qū)高凱路-大通路附近,惠山區(qū)的玉祁鎮(zhèn)-前洲鎮(zhèn)構(gòu)成的片狀區(qū)域,梁溪區(qū)華源小區(qū)-五愛家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶。在監(jiān)測(cè)時(shí)段沉降速率范圍為-14～20 mm/a,年均沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,累積形變量約105.7 mm。

(2)濱湖區(qū)出現(xiàn)一處嚴(yán)重沉降區(qū),在監(jiān)測(cè)期間該地區(qū)沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,最大累計(jì)沉降量為-64 mm。梁溪區(qū)重點(diǎn)抬升區(qū)最大形變速率為11.27 mm/a,最大累積形變量為20 mm,該區(qū)域在2018年10月至2019年3月份期間保持穩(wěn)定狀態(tài),幾乎沒有形變,隨后出現(xiàn)波動(dòng)性上升,但在2020年4月份之后抬升趨勢(shì)減緩,逐漸趨于平穩(wěn)。惠山區(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁街道-前洲街道周圍構(gòu)成的片狀區(qū)域。2018年之前有輕微的下沉,最大沉降量約為5 mm,形變速率比較緩慢。之后緩慢回升,保持抬升量在18 mm左右。

(3)本次研究的部分區(qū)域結(jié)果與前人監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)比形變規(guī)律大致相似。不同的是近幾年暫無關(guān)于無錫的形變研究文獻(xiàn)。本次研究利用最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行無錫地面形變監(jiān)測(cè),并通過現(xiàn)場(chǎng)勘查與研究結(jié)果對(duì)比基本吻合。今后可收集GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。