基于PS-InSAR方法監測北京市地表沉降

孫 浜，李奕彤，唐詩金典，王琛茜，張 滿，顏春燕

（中國地質大學（北京），北京 100083）

1 地表沉降及相關技術

地表沉降是指在人為和自然因素作用下地表標高降低的一種地質現象。近十幾年來，北京地區的地表沉降迅速，嚴重威脅著人們的生產、生活安全，制約城市的發展[1-2]。

城市地面沉陷的監測技術有水準測量、三角高程測量、數字攝影測量、GPS變形監測、InSAR技術等[3]。這些方法各有優劣，水準測量和三角高程測量耗費大量的人力、財力，得到的數據精度較高，數據較少，觀測周期長；差分GPS測量精度較之水準測量稍弱，觀測周期較短，資費也大幅降低；InSAR技術較好地平衡了上述缺點，大大提高了監測范圍，極大地縮短了觀測周期，是城市地面沉陷監測較好的手段之一。

傳統的InSAR技術有時間失相干及空間失相干的局限性，導致DInSAR技術在城市微小地表形變監測中變得難以適用。本文對25景數據兩兩差分結果與永久散射體干涉測量（PS-InSAR）方法進行比較，可以看出兩者在地表形變的監測中有較為明顯的差距。橫向對比了兩種方法，根據前人的研究結果，可以置信于PS-InSAR方法。在時間維度上，通過PS可以直觀地看到研究區域沉降的趨勢和沉降速率。

2 研究區域概況與數據說明

研究區域選擇在北京居中的位置，包括東城區、西城區、海淀區東南角、朝陽區西部、豐臺區東北角（見圖1中線條框選部分）。選取的范圍足夠說明一些問題。本文研究采用sentinel 1A的SLC數據，極化方式為VV。時間跨度為2017年6月—2019年6月，總計25景。時間基線和數據集大小滿足PS的要求。

3 數據處理流程

獲得的SLC數據覆蓋的面積比較大，可覆蓋京津冀大部分的地區，對數據進行裁剪后，將研究區域縮減到北京城區的主體部分。城區既有較高的散射，又能保持良好的干涉，為進行PS處理提供良好的條件。

圖1 研究區域

在裁剪的數據中選擇主影像，所有的數據都將配準到該主影像上。根據主影像選擇結果對數據相對進行干涉處理，得到干涉圖，接著進行PS的兩步操作。第一步，生成未去除大氣相位的形變結果，包括形變速率和高程改正值。第二步，進行大氣校正，得到最終的形變結果。第三步，對PS結果進行地理編碼。PS處理流程如圖2所示。

4 結果分析

本文對同一個裁剪區域分別采用PS-InSAR和D-InSAR兩種方法，得到了兩組結果。D-InSAR處理方法是按照時間順序，逐對差分干涉，可以做到厘米級精度，對城市地區地表沉降的監測顯得有些力不從心[4]；PS-InSAR方法在城市地表沉降監測中可以達到毫米級[5]。因此，對兩組結果的置信程度是不一樣的，PS方法的結果要明顯優于D-InSAR方法的結果。

圖2 PS處理流程

4.1 PS-InSAR結果分析

從年平均沉降量（見圖3，單位：mm）來看，沉降速率最大的區域已經達到20.47 mm/year，位于研究區域的東北角，分布于朝陽區境內，波及東城區東部。除此之外，還可以看到海淀區和東城區的年平均沉降量已經達到4.90 mm或更多，西城區中心也有略微沉降。研究區域內的其他地區沒有明顯的沉降，甚至在豐臺區有略微抬升。

對24個時間序列（部分圖見圖4—7，單位：mm）進行觀察，朝陽區的累積沉降量逐年增加，始終保持著較高的沉降量，至2019年6月已達到47.28 mm。海淀區始終處于沉降范圍，至2019年6月已達到10 mm左右，有較大的可能發展成面積更大的沉降區。西城區中心的區域自2018年4月起沉降趨勢有所減緩。總體來看，沉降的范圍在不斷擴大，累積沉降在不斷增加，對人民的生產生活造成嚴重的危害。

4.2 D-InSAR結果分析

本文選取2017年6月與7月、2017年12月與2018年1月、2018年6月與7月、2018年12月與2019年1月的差分結果展示，具體如圖4—7所示（單位：mm）。

圖3 年均沉降量

圖4 201707累積沉降

圖5 201801累積沉降

圖6 201807累積沉降

圖7 201901累積沉降

按照時間順序，對數據逐對差分干涉，得到每兩個月份的差分干涉結果。可以看到，有些圖像出現了“褶皺”的現象（圖8中畫圈的部分），原因有待分析。在時間序列上，仍然可以看到朝陽區有明顯的沉降，其他地區出現沉降-抬升-沉降的往復變化現象，但總體上仍然是沉降區域較大。D-InSAR方法幾幅差分圖如圖8所示。

4.3 PS-InSAR方法與D-InSAR方法比較

選取4個比較有代表性的PS點，與D-InSAR方法處理結果進行對比，可以發現一些問題。PS1點和PS2點選在朝陽區沉降明顯的地區，PS3點選在豐臺區有略微抬升的地區，PS4點選在海淀區沉降不太明顯的地區，4個點的經緯度如表1所示。

表1 4點經緯度

圖8 D-InSAR方法幾幅差分圖

通過對比兩種方法可以發現，在同一點的累積沉降量（見圖9），兩者在沉降明顯的地區相差在20 mm以內，在略微抬升的地區相差在20 mm以內，在沉降不太明顯的地區相差接近1 cm。根據前人的研究數據，海淀區的年平均沉降量未超過50 mm[6]，可見，D-InSAR方法對毫米級的城市沉降監控已顯得力不從心，僅是比較兩者在2019年6月的累積沉降量。對比兩者在中間時間的累積沉降量，D-InSAR方法相鄰兩月的差最大達到了25 mm，ps1點在2018年10月與11月之間的差值，與實際相差較多；PS-InSAR方法相鄰兩月最大差值在PS4點2018年6月與7月之間達7 mm，與實際較為符合。

圖9 4個點累積沉降量對比

5 結語

本文基于InSAR技術的PS-InSAR和D-InSAR兩種方法，處理了2017年6月到2019年6月兩年25景數據，得到了兩組結果。對這兩組結果進行比較分析，可以確定PS-InSAR方法具有一定的優越性，特別是在城區，既有較高的散射，又能保持良好的干涉。美中不足的是，PS方法對數據的時間要求和數量要求較高，要求每景影像時間間隔最好在一個月，數據數量在20景以上。

對PS-InSAR方法處理的結果分析可知，北京市城區的主體部分沉降面積不斷擴大，主要分布在朝陽區、海淀區、東城區東部。其中，朝陽區的年均沉降速量最大，達到20.47 mm，海淀區的年均沉降量也達到了5 mm左右。對時間序列進行觀測，預計朝陽區和海淀區的沉降區域會進一步發展，西城區的沉降區域已有所減緩，甚至有回升的可能。

PS-InSAR方法與D-InSAR方法的比較可知兩者有較大的差距，仍需進一步對比、驗證。初步判斷PS-InSAR方法在精度上要優于D-InSAR方法。