基于SBAS-InSAR技術的南昌市中心城區地表沉降監測

熊佳誠，聶運菊，羅躍，李永飛

(東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013)

1 引 言

南昌作為江西的省會城市，擁有諸多得天獨厚的優越資源，近年來經濟穩步發展。在經濟發展的同時，南昌市大力開發城市基礎設施建設，對中心城區老城區改造、新城區建設以及地鐵線路施工，都極易導致局部甚至大范圍的地面沉降，城市內的地面沉降會直接或間接地造成地面塌陷、地裂縫等地質災害，2018年4月，南昌市八一大道婦幼保健院門口路面一周內發生兩次塌陷，受影響路面約 100 m2。這些地質災害的發生嚴重危害了居民的生命財產安全，給城市的規劃建設造成了極大的損失。因此，有效監測南昌市地面沉降，預防地質災害的發生成為確保南昌高速發展的一項重要工作。

合成孔徑雷達干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術自1974年被Graham等[1]首次提出以來一直受到研究人員的關注。與傳統測量方法相比，InSAR技術具有全天候、全天時、大區域、高精度等難以比擬的優勢，是目前探測地表形變的主要方法。短基線集(Small Baseline Subset，SBAS)技術是從InSAR技術上發展起來的一種針對多時相遙感影像數據處理監測目標區域地表沉降的方法，短基線集技術克服了差分干涉測量(Differential InSAR，D-InSAR)技術受時空失相干和大氣效應的影響，與永久散射體(Permanent Scatterer，PS)技術相比降低了對影像數量的要求，受到國內外眾多學者的重視。已有研究證實短基線集技術在地表沉降監測中具有毫米級的監測精度[2～4]。張艷梅[5]、孫曉鵬[6]、楊帆[7]分別利用短基線集技術分析監測區域的沉降速率、時間序列累計形變量以及沉降區剖面圖。以上監測方法在監測南昌地區地表沉降中的應用較少，本文利用21景Sentinel-1數據，基于短基線集技術對南昌市中心城區地表沉降進行監測，研究中心城區地表沉降速率、沉降分布、沉降量等，為今后的災害防治提供數據基礎。

2 研究區概況與試驗數據

2.1 研究區概況

南昌市位于江西省中北部，鄱陽湖西南岸，全境以平原為主，東南相對平坦，西北丘陵起伏。境內贛江由北向南將市區分割為東西兩部分。中心地理坐標為東經115°55′，北緯28°40′。本次試驗的研究區域范圍如圖1所示，區域范圍以南昌市內的前湖、青山湖、艾溪湖以及象湖四個主要湖泊為界。四湖以內包含南昌市四大中心城區：東湖區、西湖區、青山湖區、青云譜區，贛江以西的紅谷灘新區以及新建區，上述區域構成了目前南昌市中心城區。城區內人口密度大，人類活動頻繁且植被較少，適合進行地表沉降監測。

圖1 研究區范圍與區域放大圖

2.2 試驗數據

本試驗數據使用21景Sentinel-1A的IW模式SLC數據，VV極化，幅寬 250 km，分辨率為 5 m×20 m，時間跨度為2017年3月～2018年6月。影像數據的基本參數信息如表1所示。此外還包括對應的AUX_POEORB精密定軌星歷數據及NASA獲取的SRTM4DEM數據，分辨率為 90 m×90 m。AUX_POEORB精密定軌星歷數據在影像獲取21天后才可獲得，定位精度優于 5 cm，適用于城市地表沉降監測[8]。

試驗數據主要信息 表1

3 技術原理與數據處理

3.1 短基線集技術原理

短基線集技術最先由Berardino等人[9]于2002年提出，是一種針對多時相影像數據集進行處理，連接由長基線造成的相互獨立的影像數據，形成短基線影像集合，對集合內的信息采用最小二乘法獲取高精度的形變信息，集合之間采用奇異值分解法(SVD)聯合求解，解決各影像數據集時間不連續問題，獲取整個時間范圍內的形變信息[10]。

假設目標區域在(t0，t1，…，tn)時間段內有N+1幅遙感影像，通過干涉像對的自由配對，生成M幅干涉圖，則：

(1)

假設在tA和tB兩個時間(tB>tA)獲得的影像通過干涉處理生成了第j幅干涉圖，干涉圖j的距離向坐標r和方位向坐標x處的干涉相位為：

δφj(tABx，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(2)

式中：λ為雷達信號波長，d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分別為時間tA和時間tB相對于參考時間t0的視線向累計形變量；d(t0，x，r)=0。因為有M幅干涉圖，因此根據式(2)可得到M個方程，將其表示為矩陣形式，即：

δφ(x，r)=Aφ(x，r)

(3)

式中：系數矩陣A為M×N矩陣，矩陣中每行對應干涉圖，每列對應某個時間點上的遙感影像[11]，主影像為1，輔影像為-1，其余為0。當系數矩陣A中的M≥N時，A的秩為N，此時通過最小二乘法求解出：

φ(x，r)=(ATA)A-1δφ(x，r)

(4)

當M

3.2 數據處理

本次試驗使用SARscape軟件進行南昌市中心城區地表沉降監測，主要步驟為：

(1)選取2017年3月～2018年6月覆蓋研究區域的21景Sentinel-1A影像數據進行精密定軌星歷數據的導入，并以四湖為界裁剪出南昌市中心城區范圍。

(2)以2017年3月14日的影像為主影像，設定空間基線閾值為臨界基線的10%，時間基線不做調整，對所有影像數據進行配準。各干涉對之間的空間基線如圖2所示，時間基線如圖3所示，影像獲取的時間間隔最大為 456 d，最小為 36 d；空間基線最大約為 95 m，最小約為 7 m。

圖2 空間基線分布

圖3 時間基線分布

(3)對所有配對的干涉像對進行干涉處理，移除相干性低的干涉對。在高相干且沒有殘余地形條紋的區域內選擇GCP控制點，采用三次軌道精煉多項式估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。

(4)依據SVD法反演估算形變速率和殘余地形并進行二次解纏，優化干涉圖。對優化后的結果進行定制的大氣濾波，去除大氣相位的影響，并對上述生成的所有結果進行地理編碼，得到研究區域的平均形變速率。

具體處理流程如圖4所示。

圖4 處理流程

4 結果與分析

4.1 形變速率分析

從本次試驗獲得的南昌市中心城區年平均形變速率圖(圖5)可以看出：

(1)南昌市中心城區在2017年3月～2018年6月監測時段內年平均沉降速率主要集中在[-3～10]mm/a區間范圍內，其中正值表示地表上升，負值表示地表下沉。中心城區最大年平均沉降速率為 -14.31 mm/a，位于西湖區洪城大市場內。監測時段內研究區域地表沉降總體較為平穩，部分區域出現一定規模的地表沉降。

(2)中心城區有三個沉降嚴重的重點區域，分別位于西湖區洪城大市場商區周邊、東湖區滕王閣周邊和紅谷灘新區南昌之星周邊。洪城大市場商區周邊沉降區面積約為 7.18 km2，其中沉降嚴重區域面積約為 0.2 km2，沉降速率為-14.31 mm/a～-12 mm/a。滕王閣周邊沉降區面積約為 2.31 km2，沉降嚴重區域面積約為 0.12 km2。南昌之星周邊沉降區面積約為 0.63 km2。

(3)中心城區內沿贛江河岸有一處水路運輸碼頭沉降較為嚴重，經實地考察該處位于贛江河段上，河流豐水期時船只停靠、往來頻繁，枯水期時河岸裸露，導致出現嚴重沉降，此處無參考意義。

(4)中心城區西北部的新建區和東部艾溪湖周邊地區出現輕微地表沉降，沉降速率集中在[-3～0]mm/a區間范圍內。人類活動與房屋改造是造成這兩個地區出現小幅度地表沉降的主要原因。

圖5 中心城區年平均形變速率

4.2 特征點時間序列分析

圖6為三個重點沉降區域洪城大市場、滕王閣和南昌之星沉降中心P1、P2和P3的地表形變速率。圖中，P1、P2、P3在監測時段內的形變速率極小值點都位于20170805這一監測時刻。三個極小值點中，P1的沉降量為 -30.86 mm，P2的沉降量為 -28 mm，P3的沉降量為 -6.16 mm，說明在三個重點區域中，洪城大市場商區周邊地表沉降最嚴重。

圖6 重點沉降區域沉降中心時間序列形變速率

以沉降中心P1、P2和P3三個極小值點對應的監測時刻20170805為時間條件，提取對應監測時刻上經過三個沉降中心的沉降區域剖面圖，提取結果如圖7所示。可以看出，經過沉降中心P1的剖面線沉降范圍最廣，其次是經過沉降中心P2的剖面線，經過沉降中心P3的剖面線沉降范圍最小。由此可知，在三個重點沉降區域中，洪城大市場商區周邊的地表沉降涉及范圍最廣，南昌之星周邊地表沉降涉及范圍最小。

圖7 重點沉降區域沉降中心剖面線形變速率

南昌市軌道交通地鐵工程于2009年7月29日正式開工建設，2015年12月26日正式對外載客運營。截至2018年6月14日，南昌市已投入運營的地鐵線路包括地鐵一號線、地鐵二號線；在建地鐵線路包括地鐵三號線、地鐵四號線。圖8為三個重點沉降區域內的地鐵線路圖，可以看出，已投入運營的地鐵沿線在監測周期內對地表沉降的影響并不明顯，僅在滕王閣站至八一館站路段有小幅度的地表沉降。正在施工的地鐵沿線對沉降區地表沉降有一定影響，其中，在建的地鐵四號線處于洪城大市場商區周邊沉降區范圍內，是造成該區域地表沉降面積擴大的因素之一；位于滕王閣周邊沉降區的地鐵三號線在墩子塘站與八一館站施工路段沉降嚴重，是導致該區域發生地表沉降的主要因素之一。

圖8 沉降區地鐵線路圖

圖9為八個地鐵站臺在監測周期內的時間序列形變速率，其中，萬壽宮站與八一館站已經建成，其余六個站臺正在建設。墩子塘站在監測時段內最大沉降量達到了 -19.71 mm，與該區域沉降中心最大沉降量 -28 mm僅相差 8.29 mm，地表沉降嚴重。桃苑站施工段地表沉降最為嚴重，沉降量達到了 -27.5 mm，施工路段周邊形成了小范圍的沉降嚴重區。

圖9 沉降區在建地鐵站臺時間序列沉降速率

4.3 重點區域地表沉降原因分析

從重點區域在圖5中的分布可以看出，三個重點沉降區域均靠近贛江，最遠的洪城大市場商區周邊沉降區距贛江約 1.5 km，屬于河流侵蝕堆積平原，第四系地層土質松軟[13]。區域內撫河流經，地下水資源豐富，單井涌水量為 1 016 m3/d～4 916 m3/d，滲透系數一般為 53 m/d～160.9 m/d，除洪水季節外，地下水位均高于贛江、撫河水位[14]。地下水向贛江、撫河排泄以及區域內的地下水開采，導致該區域水土流失嚴重，孔隙水壓力降低。地表承受壓力由于土顆粒排列稀疏且孔隙水壓力降低，加之區域內的老城區改造以及地鐵線路的施工，使得土地應力平衡狀態被打破，最終導致大范圍地表沉降[15]。滕王閣周邊沉降區與洪城大市場商區周邊沉降區同屬于河流侵蝕堆積平原，土顆粒排列稀疏。地下水的開采與區域內地鐵三號線的建設是造成地表嚴重沉降的主要因素。三個重點區域中沉降現象最輕的南昌之星周邊沉降區受地下水開采影響，出現幅度較小的地表沉降。

經實地考察，在滕王閣周邊沉降區地鐵三號線建設路段地表出現裂紋(圖10)，部分路段地表存在起伏現象。沉降最嚴重的洪城大市場商區周邊沉降區存在大量處于建設中的區域，位于桃花南路的周邊棚戶區改造(圖11)以及在桃苑大街約 500 m的施工路段(圖12)地表均存在裂紋(圖13)。

圖10 地鐵三號線建設路段地表裂紋

圖11 桃花南路周邊改造

圖12 桃苑大街施工路段

圖13 桃花南路地面裂紋

5 結 語

本文基于短基線集技術對21景Sentinel-1影像數據進行干涉處理，獲取了南昌市中心城區在2017年3月～2018年6月的地表沉降信息。通過分析可知，在研究周期內南昌市中心城區地表沉降總體較為平穩，部分區域存在沉降現狀，并且有三個重點沉降區域。沉降最嚴重的區域位于洪城大市場商區周邊，其次是東湖區滕王閣周邊和南昌之星周邊。位于洪城大市場商區周邊沉降區受地下水開采與地鐵四號線的施工導致地表出現嚴重沉降，且范圍較大；而滕王閣周邊沉降區受地鐵三號線施工的影響，導致施工路段沿線出現較為嚴重的地表沉降。從近來的監測數據分析可知三個重點沉降區域的地表形變有所減弱，發生嚴重地表沉降的概率較低。