基于雙極化Sentinel-1影像的邯鄲市地表沉降時(shí)序InSAR分析

周洪月，王文旭，張志全，閆世勇，汪云甲

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381； 2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

當(dāng)?shù)厣虾奢d不斷增加時(shí)，地表常常伴隨著地裂縫、局部塌陷及不均勻沉降等現(xiàn)象，目前我國大多數(shù)城市均發(fā)生過類似災(zāi)害，其中地面不均勻沉降會(huì)破壞地上構(gòu)筑物，影響正常的生產(chǎn)生活，甚至?xí){周邊居民的生命安全。InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)地表沉降方面發(fā)揮著巨大作用，相較于常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可獲取短重訪周期、范圍廣及精度高的地表沉降信息，目前該技術(shù)在諸多監(jiān)測(cè)實(shí)例中得到廣泛應(yīng)用[1～3]。邯鄲市作為河北省主要沉降城市之一，在近幾十年來區(qū)域性的地表沉降情況較嚴(yán)重，而地下水的超采是導(dǎo)致其東部區(qū)域沉降的主要因素[4]。自2012年起，河北省相繼推出關(guān)于加強(qiáng)治理重點(diǎn)沉降區(qū)域的策略方針[5，6]，因此及時(shí)快速獲取邯鄲市近期地表沉降具有較高的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 時(shí)序InSAR原理

PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)，主要通過選取所有SAR影像中保持相干性高的穩(wěn)定點(diǎn)(PS點(diǎn))，如裸露巖石、建筑物及人工角反射器等，通過設(shè)定初始幅度離差閾值，完成PS候選點(diǎn)網(wǎng)格化、相干系數(shù)定權(quán)、剔除相近的偽相干點(diǎn)，再利用時(shí)空濾波減弱了大氣延遲及DEM誤差的影像，最后提取所有PS點(diǎn)的累計(jì)形變量和年平均形變速率[7]。

PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，主要完成主輔影像對(duì)的主影像的選取、差分干涉工作；時(shí)序InSAR處理主要建立PS點(diǎn)篩選原則、去除DEM誤差、空間視角相關(guān)誤差及噪聲殘差，提取所有PS點(diǎn)的形變相位[8]。

圖1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

3 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

本次以河北省邯鄲市作為研究區(qū)域，該市依傍太行山脈，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為 500 mm左右，東部地區(qū)以地下水等資源為主，是河北省的南大門[5，6]。據(jù)相關(guān)資料表明[9，10]，隨著幾十年的城市建設(shè)的加快，地下水開采經(jīng)歷了加大、超采及限采等階段，由此誘發(fā)區(qū)域性地表沉降也經(jīng)歷不斷加劇到變緩的階段。對(duì)該城市而言，迫切需要近期較大范圍的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，該結(jié)果既用于反演研究區(qū)域內(nèi)地面沉降現(xiàn)狀，又能作為后續(xù)持續(xù)沉降治理的重要參考依據(jù)。

本文選用歐空局Sentinel-1(S1)系列衛(wèi)星獲取的影像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)目前由AB雙星組成，單星重訪周期為12天，其IW模式數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲取，且具有多極化模式。由于該衛(wèi)星采用了TOPS成像模式，在S1數(shù)據(jù)處理生成干涉對(duì)過程中，方位向配準(zhǔn)精度須優(yōu)于0.001像元。S1雙極化干涉對(duì)集信息如表1所示。覆蓋范圍廣、重訪周期短、成本低及時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，該數(shù)據(jù)在城市地表沉降監(jiān)測(cè)方面具有較高的科研價(jià)值和應(yīng)用潛力[11]。本文選用覆蓋邯鄲市主城區(qū)的雙極化IW模式的SAR影像數(shù)據(jù)各44景對(duì)其地表沉降情況進(jìn)行分析，影像的覆蓋研究區(qū)范圍示意圖如圖2所示。

圖2 覆蓋研究區(qū)范圍示意圖

S1雙極化干涉對(duì)集信息表 表1

4 結(jié)果與分析

對(duì)44景S1 SAR雙極化影像數(shù)據(jù)集，分別采用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取并分析了在2015年6月～2017年8月期間邯鄲市的地表沉降情況。以2016年3月31號(hào)獲取的SAR影像為主影像，分別按PS-InSAR數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最大時(shí)間基線為528天，最長的空間基線為 339.7 m，提取研究區(qū)的地表沉降速率如圖3所示。

圖3 邯鄲市主要區(qū)域地表沉降速率圖

從圖3可知，在2015年6月～2017年8月期間，邯鄲市主要沉降發(fā)生在邯鄲市東部的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、成安縣、廣平縣及臨漳縣等區(qū)域，VH、VV兩種極化數(shù)據(jù)集獲取的地表沉降速率結(jié)果較為接近。另外，根據(jù)PS點(diǎn)分布情況(圖3左側(cè)矩形框)可知，相較于VH影像集，VV數(shù)據(jù)集在建筑物較為密集的主城區(qū)在識(shí)別PS點(diǎn)的能力方面相當(dāng)，但在地形起伏較大或者建筑物分布較分散的區(qū)域內(nèi)識(shí)別PS點(diǎn)的能力較強(qiáng)。

進(jìn)一步分析可知，研究期內(nèi)邯鄲市主城區(qū)及西部區(qū)域地表沉降基本穩(wěn)定，沉降速率在 10 mm/a以內(nèi)，而位于邯鄲市東部的區(qū)域整體沉降情況較為嚴(yán)重，尤其在建筑物較密集的主縣城區(qū)內(nèi)，其平均沉降速率超過了 -40 mm/a，下面對(duì)沉降較集中的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、成安縣、廣平縣及臨漳縣四縣的沉降中心區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)分析，分別獲取了一個(gè)區(qū)域的地表沉降分布信息(圖4)。

對(duì)圖4中落在選定區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，分別得到表2和區(qū)域內(nèi)平均累計(jì)沉降圖如圖5所示。

圖4選定區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)的平均沉降速率圖

4個(gè)選定內(nèi)所有PS點(diǎn)沉降結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 表2

圖5 選定區(qū)PS點(diǎn)平均累計(jì)沉降圖

結(jié)合圖4、圖5及表2可知，VV極化的數(shù)據(jù)集提取四個(gè)選定區(qū)域內(nèi)識(shí)別出的PS點(diǎn)數(shù)量方面能力相當(dāng)，而且提取出兩種PS點(diǎn)的平均地表沉降速率較接近；四個(gè)選定區(qū)域內(nèi)，兩時(shí)序沉降變化曲線的平均相關(guān)系數(shù)為0.97；同時(shí)，上述結(jié)果反映出在2015年7月～2017年8月期間，邯鄲市重點(diǎn)沉降區(qū)發(fā)生在圖4中的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))A區(qū)內(nèi)，平均年沉降速率達(dá)到 -53 mm/a，在B、C、D三處的平均沉降速率介于 40 mm/a～50 mm/a之間，累計(jì)沉降量均超過 100 mm，該結(jié)果表明所選四個(gè)區(qū)域內(nèi)的沉降趨勢(shì)仍較大。

上述結(jié)果與2012年～2014年期間監(jiān)測(cè)結(jié)果(其平均地表沉降速率均已超過 -80 mm/a)相比[12]，研究期間邯鄲市地表沉降速率得到明顯的控制，這間接反映了該市地表沉降治理效果較為顯著。對(duì)比時(shí)序沉降圖(圖5)，可知肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、廣平縣及臨漳縣時(shí)序沉降變化一致性較好，主要沉降活躍期為每年的3月～10月份，而成安縣出現(xiàn)夏季波動(dòng)性較大、冬季穩(wěn)定的沉降趨勢(shì)。以肥鄉(xiāng)縣(區(qū))為例分析地表沉降影響因素包括：該地區(qū)種植業(yè)較發(fā)達(dá)，以糧食作物和棉花為主，從夏季到秋季農(nóng)業(yè)用水較多；西臨京廣鐵路與107國道，309國道與邯濟(jì)鐵路橫穿其東西方向，也加劇該地區(qū)地表沉降態(tài)勢(shì)；位于華北平原，受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響，但量級(jí)一般較小(不超過 1 mm/a)[13]；部分區(qū)域存在地?zé)豳Y源過度開采現(xiàn)象[14]。

結(jié)合相關(guān)政策進(jìn)一步分析其沉降變緩的主導(dǎo)因素為河北省于2014年啟動(dòng)為期3年的地下水超采綜合治理試點(diǎn)工作，以邯鄲為代表的重點(diǎn)沉降區(qū)域引起相關(guān)單位的重視，并對(duì)所有試點(diǎn)采取地下水壓采措施[15，16]，以至于在2015年～2016年期間研究區(qū)內(nèi)淺層地下水位下降速度減小，深層地下水位呈回升態(tài)勢(shì)，因此邯鄲市重點(diǎn)沉降區(qū)域的地表沉降趨勢(shì)有所放緩。

5 結(jié) 論

通過雙極化S1 SAR數(shù)據(jù)時(shí)序分析，有效提高了地表沉降監(jiān)測(cè)精度和可靠性。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在2015年～2017年期間，邯鄲市主要沉降出現(xiàn)在其東部區(qū)域，其中以肥鄉(xiāng)、成安、廣平及臨漳四縣(區(qū))的選定區(qū)域內(nèi)沉降情況仍較為嚴(yán)重，重點(diǎn)區(qū)域的最大平均沉降速率均達(dá) -53 mm/a。通過與歷史沉降數(shù)據(jù)相比，研究時(shí)段內(nèi)邯鄲市整體沉降趨勢(shì)變緩，位于上述四縣重點(diǎn)區(qū)域的沉降趨勢(shì)得到有效遏制；本文表明時(shí)序InSAR是一種有效的城市地表沉降快速普查方法，其沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果亦為相關(guān)部門后續(xù)持續(xù)加強(qiáng)邯鄲市地面沉降區(qū)的治理工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。