基于SBAS-InSAR和PS-InSAR監(jiān)測(cè)阜陽(yáng)市主城區(qū)地面沉降

樊俊廷，董燕

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源與工程學(xué)院，云南 昆明 650031； 2.云南省自然資源廳，云南 昆明 650224)

1 引 言

近年來(lái)，中國(guó)各個(gè)城市的社會(huì)化程度與城市化水平在不斷提高，與之俱來(lái)進(jìn)行的各種城市發(fā)展活動(dòng)，引發(fā)了許多城市沉降問(wèn)題。譬如超采地下水、地下地面工程、地面荷載不斷增長(zhǎng)等人工行為，直接或間接增加了地面沉降事件[1]。城市的地面沉降可引起建筑物的傾斜，道路路基路面被破壞，地基穩(wěn)定性受到破壞等，給城市發(fā)展帶來(lái)較大影響，因此地面沉降已經(jīng)成為我國(guó)城市主要的地質(zhì)災(zāi)害之一[2]。

安徽省阜陽(yáng)市由于地表水資源較為短缺，城市、灌溉以及工業(yè)用水嚴(yán)重依賴地下水資源開采，阜陽(yáng)市被劃為作為全國(guó)嚴(yán)重沉降地區(qū)之一[3]。由于地面沉降對(duì)阜陽(yáng)市發(fā)展的各個(gè)方面都起到了破壞作用，2018年阜陽(yáng)市頒布了《阜陽(yáng)市地下水管理?xiàng)l例》，這一舉措使地面沉降情況得到了緩解。因此，監(jiān)測(cè)2018年前阜陽(yáng)市沉降情況可以為阜陽(yáng)市相關(guān)部門制定地面沉降控制方案提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

相對(duì)于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(differential interferometry synthetic aperture radar，D-InSAR)具有全天候、全天時(shí)、范圍廣、精度高的特點(diǎn)，是近幾年發(fā)展較快的微波遙感技術(shù)之一[4]。時(shí)序InSAR技術(shù)通過(guò)在D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，發(fā)展出了包括干涉圖堆疊(Stacking-InSAR)技術(shù)、永久散射體干涉測(cè)量(PS-InSAR)技術(shù)、小基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)等有效的監(jiān)測(cè)手段[5]。以多景SAR影像為基礎(chǔ)，在時(shí)序分析層面提高了InSAR監(jiān)測(cè)地面形變的精度，完善了D-InSAR中出現(xiàn)的時(shí)空失相關(guān)和產(chǎn)生大氣效應(yīng)誤差的缺陷。

國(guó)外專家學(xué)者已有將SBAS-InSAR技術(shù)和PS-InSAR運(yùn)用在監(jiān)測(cè)城市地面沉降的先例[6]，其證明了兩者可以更好地監(jiān)測(cè)城市地區(qū)傳統(tǒng)尺度難以監(jiān)測(cè)到的微小形變，在城市沉降監(jiān)測(cè)層面成功論證了該技術(shù)的準(zhǔn)確性以及和其他測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性[7，8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者如彭鵬等人就曾使用SBAS技術(shù)成功監(jiān)測(cè)2012～2013年阜陽(yáng)市地面沉降監(jiān)測(cè)并驗(yàn)證其精度[9]。

本文使用的Sentinel-1數(shù)據(jù)采用C波段，考慮到哨兵衛(wèi)星重訪周期較短、生產(chǎn)結(jié)果快速且擁有雙極化的特點(diǎn)[10]，在國(guó)內(nèi)，此衛(wèi)星在城市沉降監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，包括監(jiān)測(cè)利用SBAS-InSAR技術(shù)和PS-InSAR監(jiān)測(cè)我國(guó)西北部的西安市，蘭州市等均得到了較好的結(jié)果[11～13]。

本文的研究?jī)?nèi)容是利用Sentinel-1A數(shù)據(jù)，主要研究區(qū)域?yàn)楦逢?yáng)市城區(qū)。采用SBAS-InSAR與PS-InSAR技術(shù)處理數(shù)據(jù)得到阜陽(yáng)市2016年～2017年地面沉降形變。在時(shí)間序列上分析阜陽(yáng)市的地面沉降情況，通過(guò)兩種方法交叉驗(yàn)證可靠性。在結(jié)合形變特征的基礎(chǔ)上，分析導(dǎo)致阜陽(yáng)市地面沉降的影響因素。

2 基本原理與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 PS-InSAR技術(shù)

(1)PS-InSAR技術(shù)(permannentscatterers InSAR)原理是利用多幅時(shí)序影像，經(jīng)過(guò)時(shí)序差分干涉后，在結(jié)果中尋找穩(wěn)定的永久散射特性的像素點(diǎn)。通過(guò)分離出這些目標(biāo)點(diǎn)上的地形相位得到研究區(qū)的時(shí)序形變速率。

(2)PS-InSAR技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 PS技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程

2.2 SBAS-InSAR技術(shù)

(1)SBAS-InSAR(small baseline subset，SBAS)技術(shù)的原理是通過(guò)整合時(shí)間序列雷達(dá)數(shù)據(jù)，得到多個(gè)小基線集數(shù)據(jù)。為研究區(qū)域的形變速率以及時(shí)間序列，采用矩陣奇異值分解(singwlarvalnedecomposi-tion，SVD)方法。

(2)SBAS-InSAR技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 SBAS技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程

(3)SBAS-InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①與D-InSAR技術(shù)比，SBAS-InSAR技術(shù)以較短的時(shí)空基線閾值來(lái)組合大量像對(duì)，在原始影像數(shù)量較少的情況下，組合得到較多的差分干涉對(duì)，提高了時(shí)空相干性。相對(duì)于D-InSAR，PS-InSAR具有較穩(wěn)定散射性的PS點(diǎn)，其回波信號(hào)具有較高的信噪比，由于對(duì)區(qū)域性的微小形變具有更強(qiáng)的敏感度，因此沉降監(jiān)測(cè)的觀測(cè)精度得到了提高[14]。

②與PS-InSAR技術(shù)比。PS-InSAR技術(shù)基于高相干PS點(diǎn)進(jìn)行解算，在非城市區(qū)域探測(cè)的PS點(diǎn)少之又少，而SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)是分布式，可以用更多的干涉對(duì)獲取更加密集的結(jié)果，從而提高空間分辨率；SBAS-InSAR技術(shù)所需要的影像數(shù)量較少；PS-InSAR技術(shù)基于有限的PS點(diǎn)來(lái)估計(jì)目標(biāo)區(qū)域的大氣相位并去除，而SBAS-InSAR技術(shù)將所有相干像元的信息通過(guò)濾波方法加以去除，使得去除結(jié)果更加可靠。

3 SBAS-InSAR與PS-InSAR監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

阜陽(yáng)市位于安徽省西北部，地勢(shì)總趨勢(shì)西北高、東南低。地理坐標(biāo)為北緯32°41′～33°10′，東經(jīng)115°30′～116°15′，下轄包括：阜南縣、潁東區(qū)、潁泉區(qū)、潁上縣、潁州區(qū)、太和縣、臨泉縣、界首市，總面積 10 118.17 km2，總?cè)丝?1 070萬(wàn)，地形平坦。研究區(qū)域范圍選取如3圖所示。

圖3 研究區(qū)范圍

選取下載36景IW模式下Sentinel-1A降軌影像，時(shí)間范圍為2016年1月7日～2017年12月27日，極化方式為VV。

Sentinel-1A SAR影像參數(shù) 表1

Sentinel-1重訪周期為12 d，單幅影像覆蓋范圍為 250 km×250 km，本次采用的干涉寬幅模式(IW)的數(shù)據(jù)，方位向分辨率 5 m，距離向分辨率 20 m。此次用于實(shí)驗(yàn)的SAR影像數(shù)據(jù)基本參數(shù)如表1所示。

3.2 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)利用SARscape軟件，結(jié)合36幅Sentinel-1A降影像的振幅影像圖，進(jìn)行時(shí)空基線估算，估計(jì)結(jié)果如圖4所示，結(jié)果正常，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖4 時(shí)空基線分布

通過(guò)干涉工作流處理得到相關(guān)系數(shù)圖，利用SARscape軟件，將閾值設(shè)置為0.75。圖5為PS選點(diǎn)結(jié)果，由于區(qū)域內(nèi)建筑物分布較多，選取得到 358 217個(gè)有效PS點(diǎn)。

圖5 PS點(diǎn)圖

3.3 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)利用SARscape軟件，影像進(jìn)行軌道精化導(dǎo)入，精軌數(shù)據(jù)為POD數(shù)據(jù)。最后將單視復(fù)數(shù)影像數(shù)據(jù)根據(jù)研究區(qū)進(jìn)行影像裁剪。

(1)選取2016-07-05的影像作為超級(jí)主影像，與其他影像進(jìn)行精配準(zhǔn)處理，生成連接圖和連接像對(duì)。

(2)干涉工作流：用干涉的方法，將596個(gè)像對(duì)進(jìn)行處理。把去平，濾波以及解纏后的數(shù)據(jù)與超級(jí)主影像配準(zhǔn)，導(dǎo)入 30 m分辨率DEM，選擇解纏方法為Delaunay MCF，濾波方法選擇Goldstein。

(3)軌道精煉和重去平：用地面控制點(diǎn)來(lái)修正數(shù)據(jù)。本文一共選擇了66個(gè)GCP點(diǎn)。

(4)SBAS兩次反演，通過(guò)二次解纏獲得非線性形變得到地表精確的形變信息。

(5)通過(guò)地理編碼得到視線方向(LOS)上的形變結(jié)果。

圖6 SBAS時(shí)空基線

4 SBAS與PS監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述處理過(guò)程，通過(guò)SARscape和ArcGIS軟件結(jié)合使用，得到阜陽(yáng)市主城區(qū)地表年沉降速率分布圖如圖7、圖8所示。可見(jiàn)二者得到的沉降中心位置基本相同。其中沉降速率以及沉降范圍具有一致性。SBAS圖像中，阜陽(yáng)市整體形變空間分布趨勢(shì)呈現(xiàn)出西北抬升，東南沉降趨勢(shì)。PS圖像中，西南和東北片區(qū)沉降比較明顯，東南地區(qū)大部分呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)，小部分地區(qū)出現(xiàn)沉降，沉降地區(qū)總體上與SBAS區(qū)域基本相符。

圖7 SBAS年平均沉降速率

圖8 PS年平均沉降速率

4.1 形變結(jié)果分析

沉降區(qū)中，選取兩種方法中重合的沉降區(qū)域提取作對(duì)比。其中三片區(qū)域沉降較為嚴(yán)重。綜合其建筑屬性，承擔(dān)城市功能，根據(jù)年沉降速率不同，選取沉降特征較為明顯建筑群，分為A、B、C三部分區(qū)域進(jìn)行時(shí)序分析。

A區(qū)位于位于潁河?xùn)|畔，沉降區(qū)域大部分位于阜陽(yáng)市潁東區(qū)河?xùn)|街道的趙大社區(qū)化肥廠。該廠隸屬安徽昊源化工集團(tuán)有限公司，以煤炭為主要原料，生產(chǎn)氨水、尿素、甲醇等化工產(chǎn)品。工廠面積較大約 1.1 km2，工廠西部存在大面積區(qū)域性漏斗沉降，其PS與SBAS得到的最大沉降速率達(dá)到-62.196 mm/a與-49.215 mm/a。

B區(qū)位于潁州區(qū)與阜南縣交界。具體位于雙清灣城市中心與老城區(qū)交界兩側(cè)。其中閻莊—西關(guān)村—三合莊—時(shí)莊—清河村—后馬場(chǎng)一帶出現(xiàn)比較明顯沉降。其余沉降區(qū)位于潁州區(qū)修建的鐵路工程(潁州段)和省道公路沿線附近，交通流量和建筑物的施壓造成了這片區(qū)域的沉降。PS與SBAS得到的最大沉降速率達(dá)到-20.136 mm/a與-17.241 mm/a。

C區(qū)位于潁州區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的三十里鋪鎮(zhèn)，依靠105國(guó)道，潁河大橋以東，沙潁河以南。包含潁州區(qū)阜陽(yáng)會(huì)展中心一帶，和諧新村，十八里鋪社區(qū)，張橋社區(qū)，田莊社區(qū)，黃莊社區(qū)，何大莊社區(qū)，申小莊，常王莊等區(qū)域，區(qū)域建筑多為居民區(qū)以及汽車貿(mào)易廠，阜陽(yáng)市合阜工業(yè)園，多個(gè)汽貿(mào)物流園等多種產(chǎn)業(yè)園區(qū)。產(chǎn)業(yè)園區(qū)的西邊是三十里鋪村莊，有正在拆除的居民建筑和興建的公園。最PS與SBAS得到年沉降速率分別為-46.599 mm/a與-54.677 mm/a。

4.2 形變成因分析

研究表明，長(zhǎng)期以來(lái)，阜陽(yáng)市超采地下水導(dǎo)致地下水位下降。地下水壓力的減少使得土體的有效應(yīng)力隨之增強(qiáng)，顆粒之間孔隙度降低隨著水體滲入土壤固化，建筑物上部荷載傳遞于軟類土層上加劇土體發(fā)生壓密固結(jié)，誘發(fā)建筑物發(fā)生下沉[15]。

由于沉降區(qū)A，B分別位于潁東區(qū)與潁州區(qū)，A區(qū)位于潁東區(qū)阜蚌路化肥廠附近，沉降原因是工廠帶來(lái)的人工活動(dòng)。西氣東輸工程帶來(lái)的管道壓迫、高速鐵路及飛機(jī)場(chǎng)周邊的大量重要基礎(chǔ)工程通過(guò)潁州區(qū)的B區(qū)，交通流量和建筑物的載荷增加施壓造成了這片區(qū)域的沉降[16]。根據(jù)阜陽(yáng)市地下水資源開采評(píng)價(jià)得知，阜陽(yáng)城區(qū)和太和縣城兩個(gè)漏斗區(qū)已經(jīng)相連，超采十分嚴(yán)重[17]，B區(qū)正位于太和縣下方，開采機(jī)構(gòu)主要來(lái)源是自來(lái)水廠與企事業(yè)單位供水開采。C區(qū)地處郊外，作為經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，汽貿(mào)建筑載荷不斷增加，村莊建筑拆遷施工等原因?qū)е碌孛娉两怠＞C上所述，沉降原因主要是地下水開采與交通流量等人工活動(dòng)導(dǎo)致的建筑物載荷不斷增加。

5 交叉驗(yàn)證精度

5.1 SBAS與PS時(shí)序分析

分別在A、B、C三個(gè)區(qū)域選出了位置基本相同的3點(diǎn)，在使用PS與SBAS方法下進(jìn)行時(shí)序分析對(duì)比，如圖9～圖11所示。A1，A2點(diǎn)位置選擇趙大社區(qū)內(nèi)化肥廠附近，B1，B2點(diǎn)選擇在清河社區(qū)附近，C1，C2點(diǎn)選擇在三十里鋪附近，繪制出這三個(gè)典型點(diǎn)在2016年1月～2017年12月時(shí)間跨度內(nèi)的SBAS與PS觀測(cè)累積形變曲線。

由圖9～圖11可知，PS總體上較SBAS各點(diǎn)形變趨勢(shì)較緩，累積形變量較低。圖9、圖10中，A1與A2累積形變量較高，達(dá)到-74.113 mm和-84.113 mm，B1與B2累積形變量達(dá)到-31.508 mm和-35.508 mm，PS沉降情況和趨勢(shì)與SBAS相近，兩者對(duì)比有細(xì)微差別。其中圖10中SBAS點(diǎn)在2016年6月到8月間沉降速率保持基本不變，PS點(diǎn)則波動(dòng)劇烈，SBAS在2017年9月～2017年10月間形變速率呈加劇趨勢(shì)，PS點(diǎn)沉降速率則呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)，出現(xiàn)這些差別是原因是兩種方法選擇備選點(diǎn)的算法不同[18]。

圖9 A區(qū)同名點(diǎn)時(shí)序

圖10 B區(qū)同名點(diǎn)時(shí)序

C1累積形變量為-39.382 mm，C2累積形變量為-85.121 mm。如圖11所示，PS波動(dòng)較大，形變速率不穩(wěn)定，且累積形變量與SBAS差距較大，說(shuō)明兩種方法在該點(diǎn)的相干性較差。

圖11 C區(qū)同名點(diǎn)時(shí)序

5.2 SBAS與PS相關(guān)性分析

通過(guò)將A，B，C區(qū)內(nèi)選取的三個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行SBAS與PS時(shí)序沉降量進(jìn)行相干性分析，所得的相關(guān)系數(shù)圖如下多圖所示。

圖12中，A1，A2點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為 0.989 37，R2=0.97885，PS與SBAS點(diǎn)均勻分布。可以得出SBAS與PS在同名點(diǎn)位置的沉降觀測(cè)在分布上具有一致性。說(shuō)明了在A區(qū)兩種方法在沉降點(diǎn)的相干性較高。

圖12 PS與SBAS A區(qū)同名點(diǎn)沉降速率相關(guān)系數(shù)圖

圖13中，B1，B2點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為 0.949 04，R2=0.89776，PS與SBAS點(diǎn)分布較為均勻。可以得出B區(qū)SBAS與PS在同名點(diǎn)位置的沉降觀測(cè)在分布上具有一定一致性，說(shuō)明兩點(diǎn)相干性良好。

圖13 PS與SBAS B區(qū)同名點(diǎn)沉降速率相關(guān)系數(shù)圖

圖14中，C1，C2點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為 0.747 06，R2=0.55819，PS與SBAS點(diǎn)分布較離散，相干系數(shù)較小，說(shuō)明SBAS與PS在C區(qū)同名點(diǎn)位置的沉降觀測(cè)上相干性不高。主要原因是由于兩種方法選擇的PS點(diǎn)選點(diǎn)位置農(nóng)田較多，密集的植物掩蓋地形，會(huì)導(dǎo)致時(shí)序形變監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定，相干性較差。綜上所述，兩種方法在A區(qū)B區(qū)都具有較好的相干性，在C區(qū)相干性較差，其沉降情況與周圍誤差較大，沉降產(chǎn)生的原因與精度評(píng)定有待進(jìn)一改進(jìn)論證。

圖14 PS與SBAS C區(qū)同名點(diǎn)沉降速率相關(guān)系數(shù)圖

6 結(jié) 論

基于Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)阜陽(yáng)市中心城區(qū)在2016年～2017年時(shí)間段內(nèi)的地表形變進(jìn)行了時(shí)序監(jiān)測(cè)，得出累計(jì)沉降量和年平均沉降速率。并分析了三片沉降區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)段的沉降變化與形成原因。①研究表明，PS與SBAS兩種方法得到的最大年均沉降速率分別為-62.196 mm/a和-50.044 mm/a，最大累計(jì)沉降量為-85.763 mm，沉降較為嚴(yán)重地區(qū)為潁州區(qū)西南和東南部分建筑群以及潁東區(qū)化肥工廠附近。②通過(guò)對(duì)PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種方法得到的時(shí)序結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：除去相關(guān)性較差的C區(qū)，兩種時(shí)序InSAR方法監(jiān)測(cè)得到的時(shí)序在阜陽(yáng)市中心城區(qū)高相干處沉降曲線基本吻合，監(jiān)測(cè)結(jié)果較為可靠。