基于永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術的地面沉降監測

范軍，陳筠力，李相東，路瑞峰，侯雨生，劉艷陽

（1.上海衛星工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

地面沉降是較常見的地質災害，具有形成緩慢、持續時間長、影響范圍廣等特點，長期持續作用會給城市生產生活帶來嚴重的影響。因此，開展對城市地面沉降監測的研究具有十分重要的現實意義。傳統地面沉降監測主要采用水準儀、全站儀及全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）監測，這些方法雖然精度高，但成本高、工作量大，且難以滿足對地面沉降的大范圍區域監測和城市預警［1］。

星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天時、大范圍、高分辨率、不受天氣及環境因素影響等優點，被運用與自然資源監測、海洋監測、軍事高分觀測等領域，并發揮了重要作用［2］。星載合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）以SAR圖像提取地表的干涉相位為信息源，通過一系列的干涉數據處理，反演獲取高精度的地形信息。目前，InSAR 技術已成為空間對地觀測技術中最有效的監測手段之一［3］。合成孔徑雷達差分干涉測量（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）是InSAR 技術的發展，主要以SAR 圖像提取的干涉相位為信息源，通過一系列的干涉數據處理，反演出高精度地表形變信息。DInSAR 技術為地表形變監測領域提供了空間對地觀測的新途徑，可大范圍、高分辨率、短周期、不受環境限制地連續觀測，其精度可達厘米級［4-5］。

雖然DInSAR 技術提取的地表形變量精度較高，但形變精度受時間失相干、空間失相干、大氣延遲等因素的制約，難以確保形變結果的準確性［6-8］。為解決這個問題，學者們提出采用永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術（Persistent Scatterer Synthetic Aperture Radar Interferometry，PSInSAR）監測高精度的地表形變監測［9-10］。與DInSAR 技術相比，PSInSAR技術有效地解決了DInSAR 方法存在的時間、空間基線失相干及大氣延遲的問題，明顯提高了地表形變監測的精度。目前，PSInSAR 技術已被廣泛應用于上海、北京、天津、南京、昆明等城市的沉降監測研究，并取得與實際沉降趨勢相符的結果［11-15］。

上海西南區域自建成以來，隨著周邊地區基礎設施建設的發展，面臨著地表安全問題，亟須開展相應的研究工作［16］。廖明生等［11］采用永久散射體雷達干涉技術監測上海地區，獲取其不同時期大范圍、高精度、不同時期的沉降速率圖，但由于受到限制，數據未覆蓋上海西南區域；羅小軍［17］基于PSInSAR 改進算法監測上海陸家嘴地區的地表形變，獲得上海陸家嘴地區最大累計形變量，但該算法未針對上海西南區域展開分析。截至目前，暫無學者研究上海西南區域的地表沉降監測。針對該問題，本文采用2017—2019 年35 景和2018—2021 年37 景，共2 期星載合成孔徑雷達哨兵（Sentinel-1A）數據，利用PSIn-SAR 技術，首次監測上海西南某區域的地表沉降，獲取長時間序列的上海西南某區域地表形變變化趨勢，并提出沉降預警，研究成果可為上海西南區域地面沉降的科學防治提供重要的參考價值。

1 PSInSAR 方法概述

2001 年，FERRETTI等［9-10］提出PSInSAR 方法，該方法首先要累積覆蓋同一地區的多景SAR 影像，形成基于時間序列的干涉圖像對，再提取不受時間、空間基線及大氣效應影響的穩定點目標，最后提取上述穩定點目標上的地形相位，并反演形變信息，監測地面沉降［5］。具體包括SAR圖像配準［19］、干涉相位計算、去除平地效應、差分干涉圖生成、永久散射體（Persistent Scatterer，PS）點選取、線性形變、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）誤差估計、去除大氣相位誤差、形變量計算等主要步驟，流程如圖1 所示。

圖1 PSInSAR 技術處理流程Fig.1 Flow chart of the PSInSAR technology

2 研究區概況及試驗數據

2.1 研究區概況

本文選取的上海西南區域地形起伏平坦，海拔多在4 m 以下，屬于典型的軟土地基地區，地下水開采及大型建筑施工都可能誘發地面沉降［11］。

2.2 試驗數據

本文選取了覆蓋研究區域49 景C 波段同軌多時相Sentinel-1A 數據，時 間跨度為2017 年1 月22 日—2021 年1 月1 日，重訪周期12 d，軌道方向為升軌，極化方式選為垂直極化（VV）。Sentinel-1A 衛星導航事后定軌測量精度為5 cm、基線測量精度為7 cm，可支持本文形變監測研究。選用Sentinel-1A 衛星中文滑動掃描模式（Terrain Observation by Progressive Scan SAR，TOPSAR），其寬幅干涉（Interferometric Wide-swath，IW）產品包含3 個子條帶，幅寬長達250 km，可實現廣域區域地表形變監測。研究區域的SAR 強度圖像如圖2（a）所示，圖2（b）中的藍色方框為成像幅寬，紅色方框為本文的研究區域。

圖2 研究區域覆蓋范圍Fig.2 Coverage of the studied area

本文采用2017—2019 年的數據，選取35 景Sentinel-1A 數據對試驗區域進行PSInSAR 處理。本試驗以2018-07-16 為主影像，其余34 幅作為輔影像，從影像配準重采樣到主影像空間，全部進行干涉處理，采用外部DEM 數據去除地形相位誤差，最終生成34 個差分干涉對。采用振幅離差指數法提取高質量的PS 點，為了保持相位穩定的散射體，將振幅離差閾值設置為0.35，最終共選取54 142 個PS 點。通過建立PS 點差分干涉相位函數模型，反演出每一個PS 點上的線性形變和DEM 誤差，并在初始的差分干涉相位中將其減掉，得到殘余相位。殘余相位誤差主要由非線性形變相位、大氣相位及去相干噪聲組成。通過濾波算法，將非線性形變與大氣相位分離，然后將線性形變和非線性形變相位累加，得到各PS 點時間序列的累積地面沉降結果［7］。

3 結果與分析

3.1 第1 期2017—2019 年上海西南某區域地表沉降監測結果

2017—2019 年時間序列的上海西南某區域地表沉降速率分布如圖3 所示。由圖3 可知，大部分PS 點分布在人工地物上，與實際情況相符。圖中綠色的點表示無明顯變化或小幅度波動區域，沉降速率為-5～6 mm/a，黃色的點沉降速率為-9～-5 mm/a，可見該區域沉降速率明顯大于周圍地區，確定該區域發生了沉降。

為進一步分析沉降區域，把上海西南某區域監測的PS 點疊加到Google Earth 上，如圖3 所示。可明顯看出該沉降區域位于上海西南某區域內西側一棟樓，該棟樓身的右半部分無明顯沉降變化，說明該區域發生了不均勻的沉降現象，最大沉降速率約達為-5.82 mm/a，最大累計沉降量約為14.46 mm。

圖3 2017—2019 年上海西南某區域PSInSAR 沉降速率分布Fig.3 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

3.2 第2 期2018—2021 年上海西南某區域地表沉降監測結果

為了進一步驗證研究區域地表沉降情況，本文另外采用了2018 年1 月—2021 年1 月，共37 景的星載合成孔徑雷達Sentienl-1A 數據，基于同樣的技術監測對該區域第2 期沉降，監測結果如圖4 所示。

圖4 2018—2021 年上海西南某區域PSInSAR 沉降速率分布Fig.4 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2018 to 2021

由圖可知，上海西南某研究區域地面沉降整體呈平穩態勢，位于研究區域西側的一棟樓發生了沉降現象。該區域PS 點顏色呈黃色，為沉降最為集中的區域，年平均沉降速率約達-7.10 mm/a，超過1期沉降速率。由此可知，2019年12月14日 后，該區域沉降速率呈明顯加速趨勢，最大累計沉降量約為25.43 mm。

3.3 PSInSAR 技術監測結果時間序列分析

上海西南某研究區域為典型的軟土地基區域，經現場實地踏勘分析，推測沉降原因可能與周邊施工建設及地下開采相關，由于周邊重大的工程建筑物對地基施加荷載，導致地基土體發生變形。另外，該樓左側靠近高架橋，受車輛載荷持續作用的影響，土體蠕變也可引起地基的緩慢變形。

在第1 期上海西南某區域地表沉降監測中，本文以2017 年1 月22 日時間為基準（沉降變化量為0 mm），統計了2017—2019 年時間序列的PS 累計沉降量，其中2019 年12 月14 日的相對沉降變化量約為-14.463 36 mm。在第2 期上海西南某區域地表沉降監測中，本文以2018 年1 月17 日時間為基準（沉降變化量為0 mm），統計了2018—2021 年時間序列的PS 累計沉降量，其中2019 年12 月14 的相對沉降變化量約為-13.657 63 mm。2019 年12 月14日，2 期的沉降變化量僅相差0.80 mm，可見其沉降監測結果基本保持一致。

2017—2019年和2018—2021 年2 期PSInSAR技術監測的PS 沉降時間序列曲線如圖5 所示。由圖5（b）可知，2019 年12 月14 日—2021 年1 月1 日，該區域沉降趨勢明顯擴大。統計結果見表1。

表1 基于時間序列的PS 沉降量統計結果Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

圖5 PS 沉降時間序列曲線Fig.5 Time series curves of PS subsidence

續表1 基于時間序列的PS 沉降量統計結果Contiued Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

由圖5 可知，雖然存在一些輕微的上下震蕩，但整體表現出近似線性的下沉變化，前期加速下降，中期略微平緩甚至抬升，后期又呈加速下沉的趨勢。由于建筑物多采用鋼筋混凝土架構，溫度對混凝土的強度和變形性能有較大影響［18］。例如，前期2017 年1 月22 日—2017 年3 月11 日（圖5（a））、2018 年1 月17 日—2018 年3 月18 日（圖5（b）），以及后期2019 年2 月17 日—2019 年4 月30 日（圖5（a））、2020 年2 月12 日—2020 年4 月24 日（圖5（b））。時段為冬季或春季，該時段氣溫較低，建筑材料隨溫度的降低可能發生收縮，導致下降速率較快。中期2017 年6 月27 日—2017 年8 月2 日（圖5（a））、2018 年9 月14 日—2018 年11 月25 日、2019 年5 月12 日—2019 年7 月23日及2020 年6 月11 日—2020 年8 月22 日（圖5（b））時間段內，部分PS 點沉降量出現相對抬升，最大抬升量約5 mm。5—8 月處于夏季，當溫度升高時，鋼筋混凝土結構的強度與剛度隨溫度升高顯著下降，易發生膨脹，導致下沉速率減緩，甚至出現微量抬升。另外，該時段內也可能由于地下水回填，導致出現地面反彈現象。從獲取的地面抬升時間分析，這期間正值上海雨季，可能因大量降雨及人工回填補充了地下水，使該地區出現了輕微反彈［19］。

通過對上海西南某研究區域2 期PSInSAR監測發現，2017 年1 月—2021 年1 月，上海西南某研究區域內除一棟樓發生沉降外，其他居民樓均未發現地面沉降現象，充分證明其地基結構穩定、地面基礎設施健康。

3.4 與SBASInSAR 監測結果對比分析

為了驗證PSInSAR 技術對上海西南某區域監測結果的準確性，基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A 數據利用短基線集（Small Baseline Subset Interferometry SAR，SBASInSAR）技術，監測上海西南某區域地區時序形變。與PSInSAR 技術不同，SBAS-InSAR 方法利用多幅主影像為參考，與其他輔影像任意自由組合，形成多對短基線差分干涉圖，通過奇異值分解法解算地表形變速率［20］。2017—2019 年上海西南某區域SBASInSAR 沉降結果如圖6 所示。

圖6 2017—2019 年上海西南某區域SBASInSAR 沉降速率分布Fig.6 SBASInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

由圖6 可知，采用SBASInSAR 技術，同樣監測出上海西南某區域內西側一棟樓出現了明顯的沉降現象，最大沉降速率為-5.09 mm/a，最大累計沉降量約為13.877 mm。在沉降范圍和形變量級方面，該區域沉降結果與第1 期采用PSInSAR 技術監測的沉降結果具有高度的一致性。由此可得，本文采用PSInSAR 技術監測的上海西南某區域沉降結果，具有一定的可靠性和準確性。

4 結束語

由于缺少上海西南地區水準測量數據的支持，本文基于PSInSAR 技術，分別采用2 期星載SAR Sentinel-1A 數據監測上海西南某研究區域的地表沉降。2 次監測結果均表明，上海西南某研究區域內存在一處沉降區域，位于研究區域內西側的一棟樓，該區域最大沉降速率約為-7.10 mm/a，最大沉降量約25.43 mm，而其他區域無明顯沉降變化。為了驗證該監測結果的可靠性和準確性。本文基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A數據，采 用SBASInSAR 技術監測該研究區域的地面沉降，獲取的沉降范圍及沉降量級，與同期PSInSAR 技術監測結果一致。經分析可得，該處沉降區域主要為典型的軟土地基地區，地下水開采及周邊大型建筑施工誘發地面沉降現象。后續將持續收集Sentinel-1A 數據，不定期開展基于PSInSAR 技術的上海西南區域地表形變監測研究，并對現階段的沉降結果開展實時分析。另外，將采用其他衛星SAR 數據源，監測上海西南區域的地面沉降，獲得更多的樣本數據，為本文結果提供更有利的支撐。