基于PS-InSAR上海地區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

張志華， 胡長(zhǎng)濤， 張 鎮(zhèn)， 楊樹文

(1.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070； 2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070； 3.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

0 引言

地表沉降現(xiàn)象是由多種因素(地質(zhì)環(huán)境、地表載荷和人為要素影響等)引起的地面緩慢下降的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩慢變化的地質(zhì)災(zāi)害，具有不可逆轉(zhuǎn)的特性，其影響將長(zhǎng)期存在[1]。部分地區(qū)過高的地表沉降速率會(huì)導(dǎo)致多處地區(qū)不均勻地表沉降的現(xiàn)象[2]。傳統(tǒng)測(cè)量地表沉降的方法，如水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)測(cè)量和分層標(biāo)測(cè)量[3]，都只能獲得地面離散點(diǎn)的沉降信息，不能進(jìn)行大范圍地區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4-6]。因此，亟需研究能夠進(jìn)行大面積多時(shí)序動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表沉降的技術(shù)，對(duì)地表沉降區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(interferometric synthetic aperture Radar，InSAR)技術(shù)，不受時(shí)間以及天氣的影響，能夠在大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面的微小形變，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行較為深入的研究。Ferretti等[7]提出的永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)(persistent scatterer InSAR，PS-InSAR)是時(shí)序InSAR 中的一種，對(duì)城市地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)效果較好，監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到毫米級(jí)。時(shí)序InSAR技術(shù)在城市地表的沉降監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用越來(lái)越多。高二濤等[8]利用2015—2017年共23景Sentinel-1A影像，使用小基線集技術(shù)(small baseline subsets，SBAS)-InSAR和PSI-InSAR進(jìn)行處理，獲得基于2種方法處理的南京城區(qū)地表沉降數(shù)據(jù)，使用交叉驗(yàn)證的方法對(duì)2組數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，這2種方法獲取的結(jié)果呈高度一致性； 麻源源等[9]利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)天津地區(qū)的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，證明PS-InSAR技術(shù)在城市地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，其監(jiān)測(cè)結(jié)果可以達(dá)到毫米級(jí)精度； 劉欣等[10]使用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)分別對(duì)濟(jì)寧市區(qū)的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)2種技術(shù)方法得到的沉降結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，從結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度方面驗(yàn)證了這2種技術(shù)在城市地表監(jiān)測(cè)中的適用性。綜上所述，PS-InSAR方法可應(yīng)用于城市地表沉降監(jiān)測(cè)，并具有很高的精度。基于此，本文采用PS-InSAR對(duì)上海地區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

上海市位于我國(guó)華東沿海地區(qū)的長(zhǎng)江與黃浦江交匯處南側(cè)，行政區(qū)劃面積為6 340.5 km2，其中城區(qū)面積為2 648.6 km2[11]。上海市全境為長(zhǎng)江沖積平原，在西南部有少量而分散的裸露巖石山丘，整個(gè)行政區(qū)管轄內(nèi)的平均海拔在3 m左右，整體地勢(shì)平緩。由于上海特殊的地理位置，其地表屬于軟土地基，特殊的地質(zhì)環(huán)境致使地表沉降災(zāi)害成為上海市主要地質(zhì)災(zāi)害之一。上海市城區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)采用2019年1月—2020年12月共24景Sentinel-1A數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)采用的是SRTM1數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30 m。上海市城區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)的研究區(qū)域主要包括上海市的中心城區(qū)、浦東新區(qū)的市區(qū)部分、閔行區(qū)北部、嘉定區(qū)東南角、寶山區(qū)南部部分地區(qū)、青浦區(qū)和松江區(qū)部分區(qū)域，其中市中心城區(qū)包括黃浦區(qū)、楊浦區(qū)、虹口區(qū)、長(zhǎng)寧區(qū)、徐匯區(qū)、靜安區(qū)和普陀區(qū)，具體地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

2 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理

PS-InSAR 技術(shù)主要是分析地表點(diǎn)目標(biāo)的變化狀態(tài)，處理的結(jié)果為大量的矢量點(diǎn)，每一個(gè)矢量點(diǎn)包含了對(duì)應(yīng)地表形變的信息。為了確保高精度和準(zhǔn)確性，本研究至少需要使用20景的多時(shí)相數(shù)據(jù)，相鄰2景的時(shí)間需要有連續(xù)性，并且時(shí)間間隔不能太大(一個(gè)月左右一景數(shù)據(jù)最佳)。由于城市中存在大量的建筑物，永久散射體(permanent scatterer,PS)點(diǎn)大都選擇在城市里固定建筑物的邊角。利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)城市地表監(jiān)測(cè)，可以得到毫米級(jí)的位移，并借助多時(shí)相數(shù)據(jù)的時(shí)間序列可推算出地表變形速率。數(shù)據(jù)處理的具體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 PS-InSAR技術(shù)流程Fig.2 PS-InSAR technology flow

2.1 連接圖生成

通過連接多時(shí)相Sentinel-1A數(shù)據(jù)集，生成數(shù)據(jù)對(duì)和連接圖。本文使用2019—2020年的24景上海地區(qū)Sentinel-1A數(shù)據(jù)，共生成23對(duì)干涉對(duì)，以2020年2月12日的影像為超級(jí)主影像，生成空間基線和時(shí)間基線連接圖，如圖3所示。

圖3中超級(jí)主影像為黃色點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，綠點(diǎn)代表合格的影像，已成功配對(duì)，序號(hào)表示影像獲取時(shí)間期號(hào)。通過圖3可知本實(shí)驗(yàn)所選的影像數(shù)據(jù)全部都為合格的影像數(shù)據(jù)。

2.2 干涉工作流

干涉工作流主要包括： 配準(zhǔn)、去平和濾波、生成平均強(qiáng)度圖和振幅離差指數(shù)計(jì)算。配準(zhǔn)時(shí)，將除主影像外的數(shù)據(jù)與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)。在參數(shù)設(shè)置中距離向和方位向比例設(shè)置為6∶1，這樣可以避免由于基線太長(zhǎng)而產(chǎn)生快速變化的干涉條紋[12]。使用已處理好的上海地區(qū)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉相位的去平地效應(yīng)操作，DEM精度的高低決定了去平地效應(yīng)的質(zhì)量。

振幅離差指數(shù)D的計(jì)算公式為：

(1)

式中：μ為時(shí)序上點(diǎn)的振幅平均值；σ為時(shí)序上點(diǎn)的振幅標(biāo)準(zhǔn)差[13]。D值可表示相位標(biāo)準(zhǔn)差的大小，當(dāng)D值越大時(shí)，相位標(biāo)準(zhǔn)差越小； 當(dāng)D值越小時(shí)，相位標(biāo)準(zhǔn)差越大。

2.3 干涉圖生成

通過模型反演獲得位移速率和殘余地形，用來(lái)對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行去平[14]。得出3種數(shù)據(jù)： 平均地表形變速率數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)(DEM數(shù)據(jù)調(diào)整后的值)和多時(shí)間相干系數(shù)。

2.4 形變速率圖生成

基于生成的干涉圖，估算并去除大氣相位成分，通過變形估算得到最終形變速率[14]。在大氣估算過程中，利用散射體的稠密性分布，去除大部分信號(hào)的傳播延遲波動(dòng)，利用時(shí)間上的高通濾波和空間上的低通濾波進(jìn)行大氣濾波。

2.5 地理編碼

對(duì)PS-InSAR處理的結(jié)果進(jìn)行地理編碼，得到地理編碼后的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度數(shù)據(jù)Fig.4 Intensity data

此外，還有研究區(qū)24個(gè)月的地表形變量數(shù)據(jù)、2019—2020年地表形變速率數(shù)據(jù)、形變精度數(shù)據(jù)以及高程精度數(shù)據(jù)等。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證與分析

利用PS-InSAR方法，得到了上海市城區(qū)2019年1月—2020年12月的沉降數(shù)據(jù)結(jié)果，上海市城區(qū)的地表沉降分布不均勻，出現(xiàn)了多個(gè)沉降漏斗。為了確定監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在其沉降研究區(qū)域內(nèi)選擇6個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，具體位置如圖5所示。

圖5 上海市城區(qū)地表沉降速率與特征點(diǎn)分布Fig.5 Surface sedimentation rate and featurepoints in urban areas of Shanghai

從圖5中可以看出，1號(hào)特征點(diǎn)位于上海地鐵3號(hào)線東寶興路站附近； 2號(hào)特征點(diǎn)位于上海市浦東新區(qū)地鐵2號(hào)線陸家嘴站，此區(qū)域是上海的中央商務(wù)區(qū)； 3號(hào)特征點(diǎn)位于地鐵8號(hào)線和地鐵13號(hào)線成山路站的交叉點(diǎn)處； 4號(hào)特征點(diǎn)位于地鐵14號(hào)線吳中路站； 5號(hào)特征點(diǎn)位于上海虹橋動(dòng)車運(yùn)用所； 6號(hào)特征點(diǎn)位于上海科技大學(xué)新校區(qū)。通過新建矢量點(diǎn)圖層對(duì)以上6個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行矢量標(biāo)注，并使用矢量點(diǎn)的位置信息對(duì)該點(diǎn)在PS-InSAR處理的沉降結(jié)果數(shù)據(jù)中的點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的沉降數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取。

為了方便直觀地查看獲取的特征點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的沉降量，隨機(jī)選取2個(gè)特征點(diǎn)將PS結(jié)果繪制成地表沉降量時(shí)序折線圖，如圖6所示。由圖6可知，在2個(gè)特征點(diǎn)上地表沉降的形變量在各時(shí)間單位上基本一致，其變化趨勢(shì)有較高的一致性，驗(yàn)證了PS監(jiān)測(cè)方法的可靠性。

4 地表沉降成因分析

根據(jù)提取的地表沉降數(shù)據(jù)，制作了上海市城區(qū)2019年1月—2020年12月共24期時(shí)序累計(jì)地表沉降數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可得到： 研究區(qū)域內(nèi)地表沉降累計(jì)的變化過程、變化量大小及沉降趨勢(shì)、主要沉降區(qū)域的分布，還繪制了研究區(qū)域地表沉降累計(jì)時(shí)序圖，選取其中5期對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，地表沉降累計(jì)時(shí)序圖中藍(lán)色越來(lái)越深，表明地表沉降在逐漸增加，如圖7所示。

圖7 時(shí)序累積地表沉降量

由于上海市城區(qū)地表沉降呈現(xiàn)出不均勻分布的狀態(tài)，在楊浦區(qū)、虹口區(qū)、靜安區(qū)和浦東新區(qū)陸家嘴部分地區(qū)出現(xiàn)比較明顯的沉降漏斗(沉降漏斗A和B)，在徐匯區(qū)和浦東新區(qū)相連的黃浦江兩岸也有明顯的沉降漏斗(沉降漏斗C和D)，其中沉降漏斗A和B與上海市歷史沉降漏斗區(qū)域吻合。根據(jù)上海市地表沉降歷史資料記載，處于靜安區(qū)和虹口區(qū)的寶源路一帶沉降漏斗A與在1921年上海市發(fā)現(xiàn)地表沉降時(shí)的沉降漏斗位置較吻合； 處于楊浦區(qū)和虹口區(qū)的平?jīng)雎泛蜅顦淦致芬粠У某两德┒稡，自20世紀(jì)40年代就有地表沉降記載。沉降漏斗C和D的區(qū)域結(jié)果與文獻(xiàn)[15]的上海地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的沉降漏斗相吻合，其中與本次實(shí)驗(yàn)在2019年時(shí)間重合。研究區(qū)特征點(diǎn)與沉降漏斗位置如圖8所示。

圖8 特征點(diǎn)與沉降漏斗的位置Fig.8 Location of feature point and settling funnel

其中1號(hào)特征點(diǎn)位于沉降漏斗A的區(qū)域范圍內(nèi)，可以通過對(duì)特征點(diǎn)1進(jìn)行沉降累計(jì)量時(shí)序分析，從而得到特征點(diǎn)1的沉降變化過程和趨勢(shì)，特征點(diǎn)1的時(shí)序變化也就代表著沉降漏斗A的累計(jì)時(shí)序變化。根據(jù)特征點(diǎn)1地表沉降量變化的大小和趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，特征點(diǎn)1在2019年1—8月地表形變整體較緩和穩(wěn)定，在2019年9月—2020年12月地表形變整體呈現(xiàn)出劇烈下沉狀態(tài)，其年沉降速率達(dá)到了20.00 mm/a，屬于高速率地表沉降區(qū)域。在2020年12月特征點(diǎn)1的地表沉降量累計(jì)達(dá)到25.20 mm。根據(jù)研究區(qū)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)內(nèi)最大地表沉降量達(dá)到90 mm左右。

如此高速率的地表沉降現(xiàn)象與上海市所處的地質(zhì)條件是密切相關(guān)的，上海市整體的地質(zhì)狀況如表1 所示[16]。上海市地處長(zhǎng)江三角洲沿海地區(qū)，屬于較晚成陸地區(qū)，市區(qū)范圍內(nèi)整體地勢(shì)平坦，平均標(biāo)高處于3～4.5 m，屬于比較典型的軟土類地區(qū)。軟土地質(zhì)類型受城市的市政等工程建設(shè)影響比較大[17]。隨著上海市城市建筑物和地上、下交通管線等設(shè)施的建設(shè)，增加了大量的地表載荷量，從而導(dǎo)致上海市地表軟土層形變產(chǎn)生地表下沉； 同時(shí)，地下水的過量抽取導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)受到破壞，地表承載能力進(jìn)一步減弱，從而產(chǎn)生地表沉降變形。

表1 上海地區(qū)地質(zhì)信息Tab.1 Summary of geological information of Shanghai area (m)

5 結(jié)論

基于PS-InSAR方法，以上海市部分地區(qū)為研究區(qū)，利用Sentinel-1A 24幅影像數(shù)據(jù)，對(duì)地表沉降情況進(jìn)行研究，得出該地區(qū)的地表沉降結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和成因分析。主要得到以下結(jié)論：

1)通過選定的特征點(diǎn)單位時(shí)間地表沉降量可知，地表沉降的形變量在各時(shí)間單位上基本一致，其變化趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)結(jié)果有較高的一致性，驗(yàn)證了PS-InSAR監(jiān)測(cè)方法的可靠性。

2)通過分析監(jiān)測(cè)結(jié)果的沉降速率和沉降累計(jì)量可知，上海市城區(qū)主要為不均勻地表沉降，主城區(qū)分布多個(gè)沉降漏斗。通過數(shù)據(jù)分析對(duì)比可知，個(gè)別沉降漏斗與上海市地表歷史沉降漏斗數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，結(jié)合地質(zhì)信息的分析可知，上海市城區(qū)的地表沉降與其地質(zhì)環(huán)境、人類活動(dòng)和地面載荷都有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

但是，本研究中沒有獲取到上海市的人口分布等相關(guān)數(shù)據(jù)，關(guān)于人口分布對(duì)地面沉降的影響有待進(jìn)一步研究。