基于SBAS- InSAR 技術(shù)的武漢地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)與分析

王邦鑒，史明遠(yuǎn)

（吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118）

引言

地面沉降主要由人為因素和自然因素引起的地下松散地層壓縮和固結(jié)，進(jìn)而引發(fā)地表沉降。地表沉降屬于區(qū)域性的地質(zhì)災(zāi)害，不僅對(duì)建筑設(shè)施造成破壞，也會(huì)威脅到人類生命安全。近年來合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR），已經(jīng)廣泛運(yùn)用于監(jiān)測(cè)地面沉降，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器相比能夠大幅度的提升地表沉降監(jiān)測(cè)的效率[1]。Giordano 等人就曾運(yùn)用D-InSAR 技術(shù)來獲取震前和震后短時(shí)間內(nèi)變形情況和高精度的形變值，但是這項(xiàng)技術(shù)僅局限于短時(shí)間的形變量監(jiān)測(cè)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間時(shí)序的監(jiān)測(cè)方面還有不足。為了彌補(bǔ)D-InSAR 技術(shù)的短板，Ramirez 等人提出了PS-InSAR技術(shù)，該技術(shù)可以對(duì)地勢(shì)平坦地區(qū)全天候連續(xù)時(shí)間的地面沉降監(jiān)測(cè)，但對(duì)起伏較大的地區(qū)監(jiān)測(cè)效果稍差。Palanisamy 等人提出了SBAS-InSAR 技術(shù)，主要利用小基線的SAR 數(shù)據(jù)集形成干涉像對(duì)，充分利用相對(duì)之間的相干性去除平地等相位，有效獲取地表形變的時(shí)間序列圖和長(zhǎng)時(shí)間的沉降變化規(guī)律，并且SBAS-InSAR 技術(shù)獲取的沉降量達(dá)到了亞毫米級(jí)。

武漢地區(qū)存在較嚴(yán)重的地面沉降，2019-2020 年均沉降速率最高能達(dá)到14.27 mm/a。本次采用SBAS-InSAR 技術(shù)對(duì)武漢地區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)東西湖區(qū)、金銀湖地區(qū)、月湖地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，旨在初步了解研究區(qū)的沉降位置、沉降量及沉降速率，再結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀簧鐣?huì)條件來分析沉降發(fā)生的主要因素[2]。

1 SBAS-InSAR 技術(shù)原理

小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR）技術(shù)是一種基于多幅主影像和一幅超主影像的時(shí)間序列方法。此方法相較于PS-InSAR 利用的時(shí)空基線較短，相干性更強(qiáng)，從而獲得地面形變信息會(huì)越精確，規(guī)避了時(shí)空失相干對(duì)差分干涉所造成的影響。再利用奇異值分解或最小二乘法，將多個(gè)干涉對(duì)信息進(jìn)行連接，進(jìn)而得到更高精度的地表形變信息[3]。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)槲錆h地區(qū)（30.52°N-30.66°N，114.10°E-114.27°E），研究區(qū)域面積約為183.134 km2，整體位于武漢市西北部，區(qū)域內(nèi)有多條河流流經(jīng)如漢江、漢水；多條交通主干道如三環(huán)線、墨北西延線。本研究主要針對(duì)研究區(qū)內(nèi)的東西湖區(qū)（A）、金銀湖地區(qū)（B）和月湖地區(qū)（C）進(jìn)行沉降分析（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 數(shù)據(jù)源

選用覆蓋武漢市Sentinel-1A 衛(wèi)星獲取的24 景IW 模式的SAR 數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)格式為單視復(fù)型（SLC），C 波段波長(zhǎng)5.6 cm，空間分辨率為5 mm×20 mm（方位向×距離向），圖像極化方式均為VV 極化，成像時(shí)間為2019 年1 月至2020 年12 月，并結(jié)合了Sentinel-1A 衛(wèi)星對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的精密軌道數(shù)據(jù)和30 m 空間分辨率的SRTM4 DEM數(shù)據(jù)來去除平地相位和地形相位[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

基于ENVI5.3 軟件里的SARScape 插件，設(shè)置時(shí)空基線的閾值，生成控制干涉相對(duì)數(shù)量。本研究設(shè)定監(jiān)測(cè)時(shí)間基線閾值為365 天，空間基線閾值為最大臨界基線的15%，最終通過干涉組合共生成201 個(gè)干涉像對(duì)。接著對(duì)SAR 影像配準(zhǔn)、生成干涉圖、去除平地效應(yīng)和濾波處理、相干圖像生成、相位解纏獲取一系列解纏相位圖。相干系數(shù)解纏閾值設(shè)為0.2，采用最小成本流域法進(jìn)行解纏，用Goldstein 法進(jìn)行濾波處理。選擇相干性較好的強(qiáng)度圖、STRM4 DEM 和相位解纏后的干涉圖作為參考，再根據(jù)相干圖選擇相干性效果好的GCP 點(diǎn)來進(jìn)行接下來的軌道精煉和重去平，為了降低誤差共選取了近30個(gè)GCP 控制點(diǎn)。經(jīng)過兩次反演估計(jì)形變速率、殘余變形和去除大氣相位，最后結(jié)合研究區(qū)的STRM4 DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼后獲得2019-2020 年兩年內(nèi)的年平均沉降速率和累積沉降量（圖2）。

圖2 研究區(qū)年均沉降速率和累積沉降量

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

武漢地區(qū)沉降明顯，從2019 年1 月至2020 年12月，后湖區(qū)年均沉降速率大部分處于±8 mm/a，平均沉降速率為1.52 mm/a，年平均沉降速率最大可達(dá)到14.27 mm/a，見圖2（a）；最大累計(jì)沉降量可達(dá)到36.71 mm，平均累積沉降量為2.25 mm，大多數(shù)累積沉降量為±18 mm，見圖2（b）；表明研究區(qū)內(nèi)地表沉降分布不均勻，空間差異大。

研究區(qū)內(nèi)有3 個(gè)明顯的沉降漏斗分別是東西湖區(qū)（A）、金銀湖地區(qū)（B）和月湖地區(qū)（C），其中東西湖區(qū)（A）位于研究區(qū)的西北部，年均沉降速率和累積沉降量均為最大，該區(qū)域位于吳家山附近，周圍有大量地下采礦活動(dòng)，開采強(qiáng)度較大，以及個(gè)別企業(yè)使用落后的采礦設(shè)施不規(guī)范開采加劇了地面沉降的發(fā)展[5]。金銀湖地區(qū)（B）和月湖地區(qū)（C）分別位于研究區(qū)的東北部和東南部，其年均沉降速率和累積沉降量相對(duì)較小，其中金銀湖地區(qū)（B）附近存在一些城建工程，避免不了深基坑開挖，施工過程中大量抽取地下水，導(dǎo)致地下水位下降，進(jìn)而引發(fā)地面沉降，該區(qū)域的年均沉降率和累積沉降量分別為9.93 mm/a 和18.27 mm。月湖地區(qū)（C）周圍有許多重要的工業(yè)分布，如武漢鋼鐵集團(tuán)公司，中國(guó)石化武漢公司均在其中，該區(qū)域大量抽取地下水作為工業(yè)水源補(bǔ)給，得出該區(qū)域年均沉降速率超過了12.83 mm/a，最大累計(jì)沉降量也超過了33.02 mm。三個(gè)沉降區(qū)都屬于漢江、長(zhǎng)江以及湖泊共同作用所形成的沖積平原，土層壓縮性高，易引發(fā)沉降。

從這三個(gè)沉降區(qū)分別選取有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析。由圖3 可以得出：沉降區(qū)A 最大沉降速率約為11 mm/a，沉降區(qū)B 最大沉降速率約為5.5 mm/a，沉降區(qū)C 最大沉降率約為5.9 mm/a，三個(gè)沉降區(qū)在2019 年和2020 年的6、7 月份沉降速率平緩且有上升的趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心所獲取的2019-2020 年武漢市月度降雨量統(tǒng)計(jì)年鑒得知，研究區(qū)時(shí)段監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)5 月至8 月降雨量豐富，這些降雨有效補(bǔ)充了地下水的不足，減緩了地表沉降的速率。待雨季過去進(jìn)入旱季，居民生活用水的急劇增加，導(dǎo)致不斷抽取地下水，進(jìn)而誘發(fā)地面沉降速率的增加。

圖3 東西湖區(qū)（A）、金銀湖地區(qū)（B）、月湖地區(qū)（C）時(shí)序沉降速率

4 結(jié)論

（1） 武漢地區(qū)有明顯的地面沉降，其中由三處沉降漏斗，分別是東西湖區(qū)（A）、金銀湖（B）以及月湖（C），在監(jiān)測(cè)時(shí)段范圍內(nèi)最大年均地面沉降速率為14.27 mm/a，最大累積沉降量為36.71 mm，其中導(dǎo)致地面沉降的主要因素是過度抽取地下水。

（2） 東西湖區(qū)（A）、金銀湖地區(qū)（B）和月湖地區(qū)（C）的年均沉降率和最大累積沉降量分別為14.07 mm/a 和36.1 mm、9.93 mm/a 和18.27 mm 以及12.83 mm/a 和33.02 mm/a，其中東西湖區(qū)（A）地面沉降以礦產(chǎn)開采為主，金銀湖地區(qū)（B）地面沉降以城市建設(shè)為主，月湖地區(qū)（C）地面沉降以工業(yè)化為主。

（3） 通過對(duì)特征點(diǎn)的時(shí)序沉降率分析，武漢地區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)大部分時(shí)間呈勻速下降，只有在5 月至8 月降水量充沛的雨季有略微減緩的趨勢(shì)。

（4） 在后續(xù)的研究過程中可以收集更長(zhǎng)時(shí)間的影像數(shù)據(jù)，增加時(shí)間序列長(zhǎng)度，以及同時(shí)采用升降軌數(shù)據(jù)來進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，提升監(jiān)測(cè)的精度。