基于PSInSAR的成都地區地表沉降空間分布研究

張通德 馮 曉 黨 升

(重慶交通大學 測繪與國土信息工程系 重慶 400074)

0 引言

近年來,成都市作為西南部重點開發城市各方面發展十分迅速,取得了一系列重大的成就,但成都市的快速發展也帶來了一些不容忽視的問題,如地表沉降等,時刻威脅著市民的生命安全,因此，對成都市的地表進行沉降監測是十分必要的。

合成孔徑雷達干涉測量(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)是20世紀50年代末研制成功的一種利用主動微波傳感器對地面進行探測的技術。其全天時、全天候的特點在許多應用領域都展示出巨大的優勢,成為探測地球的重要手段。目前為止,應用于地表沉降監測的InSAR技術主要包括常規差分干涉測量技術(Differential InSAR,DInSAR)、永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術(Permanent Scatterer InSAR,PSInSAR)和差分干涉測量短基線集時序分析技術(Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR)。

2008年,中南大學胡波應用PSInSAR技術對上海進行地面沉降監測,取得較好結果,并分析出導致沉降的因素[1];2013年,聶運菊等提出一種改進的永久散射體 (Persistent Scatterer，PS)點識別方法,更進一步提高了結果的精度[2]。2016年劉曉等利用PSInSAR技術監測北京地面沉降,取得較好成果,并且與精密水準數據進行對比,進一步證實了PSInSAR技術的可靠性。

由于本次選擇的研究區域為城市區域,既能很好地滿足PSInSAR技術對地物高的散射能力，又能保持良好干涉的條件需求,并且能夠在符合條件的目標區域達到較高的測量精度,可達到毫米級。故本文主要運用PSInSAR對成都市局部研究區域進行沉降空間分布研究。

1 研究區域概況與數據

該研究區域位于103°48′～104°22′E,30°31′～30°54′N之間。大致可分為4個部分：溫江,新都,成都市中區和郫縣,約2 600 km2范圍。Sentine lA衛星是歐洲航天局2014年發射的載有合成孔徑雷達的衛星,本次研究選取成都市2018年1月26日至2019年12月23日的24景SentinelA SLC數據,每月一景,極化方式為垂直極化(VV)，90 m分辨率的輔助數據SRTM數字高程模型(Shuttle Radar Topography Mission 1 arc-second Digital Elevation Model,SRTM1 DEM)以及Sentine lA在研究時段內24 d的精密軌道數據,對該時段內成都市區域產生的地表合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)數據進行分析處理,最后得出形變結果。

2 PSInSAR技術原理及數據處理流程

2.1 PSInSAR技術原理

PSInSAR技術是針對同一地區不同時間的多景(一般20～30景)原始SAR影像。如果有研究區域的N+1幅SAR圖像,那么便會產生N幅干涉圖,根據輸入的高精度DEM數據來對地形相位進行去除,就能夠得到N幅差分干涉圖。

(1)

(2)

式(2)中,φn-res是殘留相位;tn是干涉像對的時間基線。如果對相鄰的永久散射點進行差分便能夠減少因為大氣產生的誤差相位,就能解出i,j兩點的相位。

(3)

對式(3)進行差分,求出相位差分方程

(4)

式(4)中,Δφn是對干涉相位差分值;ΔδH是對干涉后的高程值作差;Δθ是變形速度差值;φn-res是殘余相位差值。

以上分析可以得出,若能對相鄰的兩永久散射體點位的沉降速率差值Δθ及改正之后的高程值差值ΔδH做一個準確的估值,并且可以滿足|φn-res|<π,那么就不難解出相位差分值Δφn。若把這兩個估值作為φn的梯度就可以進一步得到纏繞相位φn,最后便可以根據已有條件解算出地表形變值。

2.2 數據處理流程

PSInSAR技術第一步先要設置或讓計算機自動在多幅不同時期包含研究區的SAR影像中選擇一副效果較好的影像作為配準工作的主影像,然后將計算機選擇出來的主影像與其余的SAR影像進行配準處理,建立主-從數據對。數據對的時空基線如圖1所示。

圖1 數據對連接圖

根據影像在一段時間內的振幅和相位信息的穩定性,便可以得到若干相關性高且穩定性好的PS點。然后再經過去除地形相位、干涉處理等方法來獲取帶有PS點信息的差分干涉相位,最后將相鄰PS點的差分干涉相位再進行一次差分就可以去除掉大氣的影響,得到基于兩次差分后的形變相位模型。通過求解形變相位和分離大氣延遲相位,就能夠得出研究區的形變信息和地形殘余信息。數據處理流程如圖2所示。

圖2 PS處理流程

3 實驗結果及分析

實驗處理結果如圖3所示。正值代表的是地表的抬升,負值代表的是地表沉降。出現抬升的研究區域如圖3中深色區域所示,主要集中分布郫縣區及成都市中區。出現沉降的研究區如圖3中淺色區域所示,主要集中在新都區及溫江和雙流交界處。從圖3中可以看出，成都市區的西北至東南方向地表在近2年內出現了抬升的現象,且最大抬升值達到18 mm;成都的東北至西南方向在近2年內出現了地表沉降的現象,且最大沉降量達到了24 mm。從整體上看,主要是由于受東南部龍泉山脈和西部邛崍山脈及北部的龍門山脈的擠壓，從而導致出現東北部至西南部出現線狀沉降帶,西北至東南出現局部抬升現象。

圖3 研究區沉降分布

該實驗研究區域大致可分為4個部分：溫江區,新都區,成都市中區和郫都區,每個部分的變形情況統計如圖4所示。

(a)溫江區

圖4中,橫坐標表示PS點的序號,縱坐標表示沉降值。可以看出各區域的地表變形值大都處于正常范圍內。溫江區地表形變值大致處于-5～4 mm之間,但溫江與雙流交界處的區域有明顯的沉降發生,沉降值在15 mm左右。近幾年,隨著成都市向東、南部開發,該地方的基礎設施建設也逐漸興起,可能是導致該區域地表發生明顯沉降的因素。新都區地表變形值大致處于-8～6 mm之間,從整體上來看,成都市中心一環、二環的地表相對來其他地區更加穩定,地表的變形值較小,大部分處于-6～6 mm之間,地質情況較為穩定,但局部地區出現地表抬升的現象,最大抬升值達到16 mm。郫都區的地表變形值大致處于-4～6 mm之間,呈現西北方向抬升,東南方向沉降的趨勢。

總體上看來,成都市中心及成都市中心的東、南、東北部地區的地表沉降情況比較穩定,沒有發生過較大的沉降或者抬升情況,并且沉降或抬升量都在一個較小的變形值附近的范圍內波動。但是由于成都平原所處的地理位置受到不同地質板塊的擠壓,造成了成都市中區的東南部和西北部地表抬升現象比較明顯。近年來,成都市部分地區快速發展起來的房地產行業,地下軌道的建設,以及地下水資源的開采也造成了東北部及西南部局部地區的沉降情況較為明顯。

4 結束語

本文運用PSInSAR技術基于四川省成都市部分區域的SAR數據對研究區地表沉降的分布和變化趨勢進行了研究。研究表明：

(1)在該研究時段內研究區域最大沉降量達到24 mm,出現在新都區;最大抬升量達到18 mm,出現在成都市中區東南部。

(2)成都市中區的西北至東南方向地表在近2年內出現了抬升的現象,東北至西南方向在近2年內出現了地表沉降的現象。

(3)分析主要原因為地質運動、房地產及地鐵線路的開發、人口增長導致地下水源減少等。