麻源源，陳云波，左小清，麻衛(wèi)峰，吳文豪(. 昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 65009； . 昆明市規(guī)劃編制與信息中心，云南 昆明 650500； . 云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650000; . 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 0)

昆明地面沉降與高大建筑群的成片開發(fā)及地質因素有關[1]。主要表現(xiàn)為在一定的范圍內發(fā)生地面形變，形成多個沉降漏斗，影響了昆明城市規(guī)劃和發(fā)展。昆明市是目前為止中國大陸西部高原地區(qū)唯一一個發(fā)生沉降現(xiàn)象的城市[2]。合成孔徑雷達干涉測量(interferometry synthetic aperture rader，InSAR)技術，因大面積、非接觸、全天候、高精度等特點，與傳統(tǒng)的監(jiān)測測量(GPS和精密水準)技術相比有著一定的優(yōu)越性。在近幾年發(fā)展的時間序列差分干涉測量技術中，小基線集(small baseline subset，SBAS-InSAR)技術和永久散射體雷達干涉技術(persistent scatters InSAR，PS-InSAR)克服常規(guī)D-InSAR(differential InSAR)在地面形變監(jiān)測過程中受到失相干和大氣延遲的影響，可以進行長時間監(jiān)測及提高InSAR技術監(jiān)測精度。針對昆明沉降現(xiàn)象，國內許多學者通過不同方法和技術進行了大量研究，文獻[3]通過二等水準測量對昆明市區(qū)在1986—1987年期間的垂直沉降進行了分析。文獻[4]從礦物學和土質結構的角度對昆明在1987—1998年期間地面沉降進行了分析。文獻[5]利用歷史資料對1979—1998年期間昆明地面沉降發(fā)展過程及其特征進行了研究。文獻[6]利用ALOS PLASAR數(shù)據(jù)基于SBAS-InSAR技術對昆明市區(qū)在2008—2010年的沉降進行了分析。文獻[7]基于3S技術獲取高精度的昆明地面沉降信息。本文利用歐空局發(fā)布的Sentinel-1A數(shù)據(jù)，提出基于升降軌SBAS-InSAR技術和數(shù)據(jù)融合技術對昆明在2014年12月至2017年3月期間的地面沉降進行分析，試驗結果與上述學者所分析結果在形變趨勢上存在一致性。呈現(xiàn)出以小板橋、東菊新村、河尾村、曹家村、羅家村為中心的多個沉降漏斗，而且以河尾村、曹家村、東菊新村和羅家村為中心的沉降漏斗有連成一片的趨勢。其中沉降最嚴重的是以小板橋為中心的沉降漏斗，最大沉降速率達-54.2 mm/a。

1 小基線集(SBAS)技術原理

SBAS-InSAR技術先將時序SAR影像組成若干時空基線較短的干涉對集合，再利用奇異值分解方法將多個小基線集聯(lián)合起來求地表形變速率最小二乘解，有效地解決了不同InSAR數(shù)據(jù)集間空間基線過長造成時間不連續(xù)的問題。SBAS-InSAR技術處理SAR影像時，除影像相位中形變相位外，還有區(qū)域地形誤差帶來的相位，由獲取影像時大氣不均質帶來的大氣相位異常、時空基線失相干現(xiàn)象和熱噪聲等引起相位誤差，在差分相位干涉圖中，兩個高相干點的觀測方程表示為[8]

(1)

2 SAR影像數(shù)據(jù)與處理

2.1 Sentinel-1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采用歐空局發(fā)布Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)[10]，Sentinel-1A雷達衛(wèi)星于2014-04-03發(fā)射升空，是歐空局哥白尼計劃發(fā)射的首顆環(huán)境衛(wèi)星，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)實施免費對外開放政策。Sentinel-1A數(shù)據(jù)在IW和EW模式下采用TOPS(terrain observation with progressive)模式，該模式控制天線旋轉方向與聚束模式正好相反，由后向前以固定速度旋轉，使得所有目標在相同方位向天線模式下觀測，降低扇貝效應和方位向變化模糊度[11-12]。Sentinel-1A數(shù)據(jù)具有精密軌道控制技術，采用交規(guī)盲區(qū)控制技術(across track dead-band control)確保任何重軌時衛(wèi)星每個軌道點與地固參考軌道的位置誤差均方根(RMS)在100 m范圍內。試驗覆蓋區(qū)域如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)域覆蓋示意圖

利用Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過SBAS-InSAR技術可以對同一地區(qū)重訪周期內地面沉降快速監(jiān)測，非常適合昆明城區(qū)的地表形變監(jiān)測，本文收集IW模式下Sentinel-1A數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。

表1 Sentinel-1數(shù)據(jù)參數(shù)

除此之外，衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)由歐空局提供精密軌道數(shù)據(jù)和美國宇航局提供的SRTM3 DEM，分辨率為90 m，精度為±30 m，用于去除地形相位。由于升降軌數(shù)據(jù)開始日期和結束日期均很接近，為升降軌模式下的觀測數(shù)據(jù)融合提供了可能性。

2.2 SBAS-InSAR主要流程

(1) 生成連接圖。基于空間基線閾值ΔB=200 m和時間基線閾值ΔT=550 d為基線條件，共選取升軌232對干涉數(shù)據(jù)和降軌227對干涉數(shù)據(jù)，其中降軌數(shù)據(jù)以獲取日期2015-10-16為主影像，升軌數(shù)據(jù)以獲取日期2015-10-02為主影像。Sentinel-1A數(shù)據(jù)升降軌干涉數(shù)據(jù)時空間基線分布如圖2所示。

圖2

(2) 影像配準：將所有輔影像進行配準并重采樣至主影像。Sentinel-1A衛(wèi)星采用TOPS模式，配準精度要求達到千分之一像素級，相當于方位向零多譜時間配準真誤差小于2 μs，由于地形起伏會對配準造成影響，多項式難以準確地擬合出主副影像幾何偏移畸變的映射，因此利用幾何配準誤差為系統(tǒng)誤差的特點采用哨兵衛(wèi)星精密軌道進行初配準，再利用增強譜分集算法(enhanced spectral diversity，ESD)進行精配準來消除片段間出現(xiàn)的相位跳變現(xiàn)象[13-14]。最后進行方位譜去斜，達到干涉需要的配準精度獲取正確的干涉圖。

(3) 對干涉對進行集合D-InSAR處理：包括干涉對生成、去地平效應、干涉圖濾波、相干性計算和相位解纏。干涉圖濾波采用Goldstein方法進行干涉圖濾波，相位解纏方法采用Delaunay三角網(wǎng)最小費用流量法(minimum cost flow，MCF)方法進行三維相位解纏時，升降軌γx均選取0.35作為閾值選取PS候選點。

(4) 軌道精煉和重去平：在參考DEM不準確的情況下，需要用地面控制點(GCP)作為穩(wěn)定參考點，從這些點中計算出誤差相位從而去除并且修正SAR數(shù)據(jù)。使用同一組GCP數(shù)據(jù)修正升降軌干涉圖，目的是減少兩個圖像間相位誤差和使用不同GCP帶來的誤差。

(5) SBAS-InSAR數(shù)據(jù)反演。估算形變速率和殘余地形，基于線性模型計算所有像對形變。線性模型相比其他模型無需密集連接圖和高相干性即可得到可靠結果且穩(wěn)定性較好。計算時間序列上位移，在得到形變速率基礎上，本文通過時域高通濾波和頻域低通濾波去除殘余DEM誤差、大氣干擾與軌道誤差影響。

(6) SAR數(shù)據(jù)地理編碼和輻射定標：將上述結果編碼到GCS-WGS-84坐標系。

2.3 數(shù)據(jù)融合簡化模型

升降軌SBAS-InSAR形變速率可以區(qū)分垂直方向和水平方向的形變速率。由于升降軌兩組觀測數(shù)據(jù)幾乎從相反的兩個方向獲得。對于地表相同目標而言，東西方向水平形變速率在兩組觀測數(shù)據(jù)中的表現(xiàn)是基本相反的變化，但是垂直方向上則表現(xiàn)為基本相同形變速率變化。視線向上的形變速率量(DLos)的構成為

DLos=(UNsinφ-UEcosφ)sinθ+UVcosθ

(2)

式中，UN、UE和UV分別為南北、東西和垂直方向地表形變速率分量；φ為升降軌方位角；θ為入射角。哨兵-1雷達衛(wèi)星的干涉寬幅模式(IW)，升軌入射角θ約為40°，降軌入射角θ約為39.5°。雷達視線方向(line of sight，LOS)形變對UN方向形變不敏感，視線向上的形變速率量表達式可進一步簡化為

DLos≈±UNsinθ+UVcosθ

(3)

根據(jù)文獻[12]可知，地表變形以垂直方向上形變速率為主，水平方向上的形變速率極為微小，即UNsinθ?DLos。由于入射角在研究區(qū)的變化微弱，因此可用均值來估計地表垂直方向上的形變速率分量。由文獻[15]可知入射角變化的簡化對方位角的變化影響微弱，可以忽略不計。因而，可以推出升降軌觀測模式下垂直方向的形變速率量公式[15-16]為

(4)

(5)

利用式(4)可將升降軌高相干點上雷達視線方向(LOS)形變轉換為垂直方向地表形變速率分量UVA(D)，再根據(jù)式(5)求得升降軌數(shù)據(jù)融合后的垂直方向上速率分量UV，其前提是要求升降軌模式下同一觀測區(qū)域具有相同的觀測區(qū)域。升降軌下的昆明垂直沉降速率如圖3所示。

圖3

從圖3(a)和圖3(b)可知：兩種模式下的沉降漏斗中心位置、漏斗形狀、沉降區(qū)域大小及沉降速率大小幾乎一致，均在-55～10 mm/a之間。

3 升降軌數(shù)據(jù)相互驗證和數(shù)據(jù)融合

3.1 升降軌數(shù)據(jù)相互驗證

由于雷達波入射角和入射方向的影響,同一相干目標在升降軌SAR觀測下對象的位置略有差異[17-18]，為了對升降軌觀測值進行相互對比驗證，本文采用地形校正方法統(tǒng)一升降軌坐標系消除基準偏差。依據(jù)單個點目標進行直接比較難以實現(xiàn)，利用統(tǒng)計方法進行對比分析，從整體上驗證升降軌在地表形變垂直形變的相關性。從升降軌地表垂直沉降速率圖中提取11 072個同名點，其兩組數(shù)據(jù)計算得到的昆明升降軌垂直沉降相關分析如圖4所示。

圖4 昆明升降軌垂直沉降相關分析圖

由圖4得知，兩組數(shù)據(jù)線性擬合的方程系數(shù)K及兩組數(shù)據(jù)相干性計算得到判定系數(shù)R×R、相關系數(shù)coherence及均方差根誤差(RMES)[19]，見表2。

表2 升降軌垂直沉降速率關系

除此之外，圖4中擬合的線性方程Y=0.962 5X-0.799 5與理想狀態(tài)下的直線y=x方程對比可知兩直線非常接近。因此試驗結果表明兩組數(shù)據(jù)具有較高的一致性和相關性，當SAR影像為30景以上，升降軌垂直沉降速率監(jiān)測互檢驗精度優(yōu)于2 mm/a。

3.2 升降軌數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)融合

為了充分利用升降軌SBAS-InSAR技術監(jiān)測結果和避免因雷達疊掩、透視收縮、陰影等引起失真現(xiàn)象[20]，本文對垂直沉降速率通過式(5)進行數(shù)據(jù)均值融合[21-22]。目的是提高昆明地表沉降監(jiān)測精度和可靠性。圖5為融合后的2014年12月至2017年3月昆明垂直沉降速率圖。

圖5 2014年12月至2017年3月期間昆明垂直沉降速率序列圖

4 沉降分析

由圖5分析可知昆明城區(qū)2014—2017年期間地面沉降分布的基本情況，昆明五華區(qū)沉降較慢，相對穩(wěn)定，而昆明西山區(qū)和官渡區(qū)內的滇池北岸附近區(qū)域沉降較快，形成多個沉降漏斗。由于缺少同期的水準測量和GPS測量數(shù)據(jù)，無法準確地評價本文監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，本文將對比不同歷史時期[2-5]昆明城區(qū)的沉降速率及對昆明城區(qū)地表沉降的演變規(guī)律進行分析，不同時期昆明城區(qū)地表垂直沉降見表3。

表3 不同時期昆明城區(qū)地表垂直沉降 mm/a

試驗結果分析：SBAS-InSAR技術監(jiān)測昆明城區(qū)地面沉降分布與歷史沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的沉降漏斗分布是基本一致的，但也有新的情況變化。2014—2017年間沉降基本情況是五華區(qū)內的嚴家山一帶和吳家營-大塘子一帶，該地區(qū)較為穩(wěn)定，與歷史時期的沉降速率相比變化不大，沉降速率保持在-13 mm/a以內。其主要原因是該地區(qū)沉積物主要以巖石為主，其壓縮性很小，地面形變量不大。而昆明地面沉降嚴重區(qū)域主要分布在官渡區(qū)和西山區(qū)，其中靠近滇池的區(qū)域出現(xiàn)大面積沉降，形成多個漏斗中心，形成以河尾村、曹家村、小板橋、羅家村和東菊新村為中心的5個沉降漏斗，5個沉降中心垂直沉降速率均達到-20 mm/a以上且有連成一片的趨勢。并且羅家村-曹家村一帶在歷史時期并沒有出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，而在2014—2017年間卻形成了兩個沉降漏斗，沉降速率達到-25 mm/a以上。在幾個沉降區(qū)域中，小板橋一帶的沉降最明顯,其最大平均地表沉降速率達-54.2 mm/a。說明目前昆明滇池附近和小板橋沉降情況較為嚴重，并且嚴重性逐漸增大，嚴重區(qū)域正在不斷擴大。主要原因與該地區(qū)的地質因素有很大的關系，昆明地區(qū)的地基沉降主要以湖濱地帶軟土沉降為主，近年來滇池周圍大量施工，高層建筑加壓會導致軟土的水被擠出，土層被壓密實。加上工業(yè)用水劇增，導致承壓水位降低，地層向更為致密狀態(tài)變化而引起地基下沉。對滇池附近進行實地調查發(fā)現(xiàn)，滇池北岸周圍存在道路地基錯位、房屋傾斜，房體與地面分離、屋內地面下沉等現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 外業(yè)實地核查照片

外業(yè)實地調查結果表明，昆明地面沉降已經(jīng)危害到公共安全和人民的居住安全。該調查也驗證了InSAR技術可以快速、直觀、有效地發(fā)現(xiàn)地面沉降嚴重區(qū)域及沉降中心，說明InSAR技術用于城市地面形變監(jiān)測是可行的。

5 結 語

本文利用Sentinel-1A數(shù)據(jù)，基于升降軌SBAS-InSAR技術監(jiān)測昆明城區(qū)地表沉降情況，獲取升降軌兩種不同模式下的昆明城區(qū)2014—2017年間地表沉降速率及城區(qū)的沉降漏斗分布情況，通過對兩組觀測數(shù)據(jù)進行相互驗證表明衛(wèi)星兩種飛行模式在地面監(jiān)測具有一致性。由于獲取升降軌SAR數(shù)據(jù)的起始和結束時間十分接近，具有相近的觀測時間段，因此對兩種數(shù)據(jù)均值融合可以避免衛(wèi)星單一軌道下觀測數(shù)據(jù)失真?？傮w而言，SBAS-InSAR技術監(jiān)測地表信息效果理想，與傳統(tǒng)形變監(jiān)測技術相比可以在短時間內得到大面積、高空間密度的地表形變場，具有成本較低無需布設地面控制點等優(yōu)點。

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