周 呂，文學(xué)霖，楊 飛，黃長軍，馬 俊

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.湖南城市學(xué)院市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；4.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引 言

地面沉降災(zāi)害具有形成時間長、影響區(qū)域廣、防治難度大等特點，已經(jīng)成為影響我國區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。廊坊市地處華北平原中東部，該地區(qū)地表水資源短缺，同時為滿足城市建設(shè)與發(fā)展，需要抽取大量地下水，導(dǎo)致地面沉降。自1966年以來，廊坊市的地面累計沉降近800 mm。市區(qū)于1978年開始出現(xiàn)地下水漏斗，1979年～1983年出現(xiàn)地面波動沉降，并初步形成了地面沉降中心；1984年～1992年地面呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，受人類活動與地下水超采等影響，沉降中心持續(xù)擴大；1992年至今是地面沉降快速下降階段[1]。傳統(tǒng)獲取地面沉降的方法有水準測量、GNSS測量、分層標測量等，傳統(tǒng)方法準確、精度高，可驗證性高，但需要作業(yè)人員進入測區(qū)，且監(jiān)測成本較高，同時難以實現(xiàn)大空間尺度與高空間分辨率的沉降監(jiān)測。

近年來，合成孔徑雷達技術(shù)的出現(xiàn)為有效監(jiān)測城市的整體地面沉降提供一種有效方法。合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar， DInSAR)技術(shù)克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法空間分辨率低、成本高等缺點[2]，并已成功應(yīng)用于地震、城市地面監(jiān)測等[3-4]。但DInSAR技術(shù)易受大氣效應(yīng)影響，較難獲取高精度的形變信息。為此，在傳統(tǒng)DInSAR技術(shù)的基礎(chǔ)之上相繼提出了多種時序InSAR技術(shù)。時序InSAR技術(shù)通過散射信息較好的點反演形變信息，較好地克服了大氣效應(yīng)誤差、時空失相干等誤差。如，永久散射體合成孔徑雷達干涉測量(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)[5]、小基線集合成孔徑雷達干涉測量(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR)[6]等。近年來，多時相InSAR(Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar，MTInSAR)技術(shù)被提出并應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測分析中[7]，該技術(shù)綜合了PS-InSAR與SBAS-InSAR的優(yōu)勢，可同時獲取點狀式與分布式目標的沉降信息，提高了獲取研究區(qū)域更多沉降信息的能力。國內(nèi)眾多學(xué)者基于時序InSAR技術(shù)與方法對地面沉降展開了研究，并取得了一定研究成果。雷坤超等[8]利用PS-InSAR技術(shù)提取了廊坊市城區(qū)2003年～2007年的地面沉降信息，并討論分析了其空間分布特征。張海波等[9]采用干涉點目標分析(Interferometric Point Target Analysis，IPIA)技術(shù)對加利福尼亞州安大略市2005年～2010年的地面沉降信息進行了獲取，并探測到該區(qū)域的沉降漏斗。周朝棟等[10]利用PS-InSAR技術(shù)對北京平原地區(qū)進行了長時間序列的地面沉降監(jiān)測，并結(jié)合GIS空間分析方法分析了該地區(qū)的地面沉降時空演化特征。

本文利用可以同時獲取點狀式與分布式目標沉降信息的MTInSAR技術(shù)，處理分析覆蓋廊坊地區(qū)的18景Envisat ASAR影像數(shù)據(jù)，獲取了該地區(qū)2007年～2010年地面沉降速率與沉降時間序列，結(jié)合前人的研究結(jié)果、地下水開采以及工業(yè)發(fā)展等研究分析了廊坊市的地面沉降時空特征，并對MTInSAR沉降結(jié)果進行了解釋；同時也驗證了MTInSAR技術(shù)用于監(jiān)測城市地面沉降時空特征的有效性。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

廊坊市位于華北平原中東部，其地理坐標范圍為116°07′E ～ 117°14′E和38°28′N ～ 40°15′N，總面積約為6 429 km2，該地區(qū)位于我國重點開展地面沉降調(diào)查工作的3大重點地區(qū)之一。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，廊坊市大部地區(qū)處于凹陷地區(qū)，且地面逐漸被第四紀沉積物填平，致使新生界地層沉降厚度較大，地勢較為平緩單調(diào)，平均海拔約為13 m。廊坊市境內(nèi)有7條高速公路，5條鐵路干線穿越；此外，10條國家和20條省級公路縱橫交錯于全市，是中國鐵路、公路密度最大的地區(qū)之一。本文研究區(qū)域東西方向長32.37 km，南北方向長28.52 km，覆蓋了廊坊市大部分區(qū)域。研究區(qū)域地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域地理位置

廊坊市可利用地表水資源缺乏，生活用水、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等主要由開采地下水提供。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，地下水開采量不斷增加，地面沉降范圍也在逐步擴大和發(fā)展。據(jù)水準測量數(shù)據(jù)分析顯示，自1966年以來，廊坊市區(qū)地面累積沉降量超過了800 mm。其中，1966年～1992年的實測數(shù)據(jù)為336 mm，1993年～2004年的計算數(shù)據(jù)為462 mm[1]。廊坊市地面沉降的演變，與該市地下水開采的歷史同步發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)源概述

本文選取了18景覆蓋了廊坊市的0級降軌ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)，估計研究區(qū)域視線向(line-of-sight，LOS)的平均地面沉降速率與地面沉降時間序列，影像時間覆蓋范圍為2007年8月～2010年9月。研究區(qū)域內(nèi)的ASAR影像的入射角范圍為17.9°(近距離向)～22.8°(遠距離向)。所有ASAR影像的極化方式均為VV，且斜距分辨率為7.8 m，方位向分辨率為4.6 m。采用由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)提供的90 m分辨率的SRTM3(Three Arc-second Shuttle Radar Topography Mission)DEM數(shù)據(jù)去除地形相位影響，同時利用歐洲空間局(European Space Agency，ESA)發(fā)布的DORIS軌道數(shù)據(jù)提高ASAR影像的軌道數(shù)據(jù)精度。

2 MTInSAR技術(shù)基本原理

MTInSAR技術(shù)融合了PS-InSAR技術(shù)中選取高相干點的方法與SBAS-InSAR技術(shù)中依據(jù)多主影像組合干涉對擅于探測分布式目標點的優(yōu)勢。該技術(shù)首先利用PS-InSAR技術(shù)與SBAS-InSAR技術(shù)分別選取影像中的高相干點，然后對這些高相干點數(shù)據(jù)集進行聯(lián)合處理以獲取沉降信息，提高了沉降信息的空間采樣率，主要方法步驟如下：

(1)依據(jù)時空基線閾值，選擇某一景ASAR影像作為超主影像進行干涉組合，并將所有輔影像進行配準并重采樣至超主影像。

(2)分別采用PS-InSAR技術(shù)與SBAS-InSAR技術(shù)對影像數(shù)據(jù)進行干涉對組合。假設(shè)干涉圖j由tB時刻獲取的主影像與tA時刻獲取的輔影像進行干涉生成，在去除平地效應(yīng)與地形相位后，干涉圖j中坐標為(x，r)的某一像素的干涉相位可以表示為[11-12]

δφj(x，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)≈

φdef，j(x，r)+φatm，j(x，r)+φorb，j(x，r)+

φθ，j(x，r)+φnoise，j(x，r)

(1)

式中，φ(tB，x，r)和φ(tA，x，r)分別表示tB與tA時刻ASAR影像上的相位值；φdef，j(x，r)表示tA時刻至tB時刻衛(wèi)星視線向的形變相位；φatm，j(x，r)為大氣相位誤差；φorb，j(x，r)為由于軌道不精確引起的誤差相位；φθ，j(x，r)表示由視角誤差導(dǎo)致的誤差相位；φnoise，j(x，r)為噪聲相位。

(3)采用Hooper等[13]提出的算法，從基于PS-InSAR技術(shù)獲取的干涉圖中識別點狀穩(wěn)定反射體(Point-like Stable reflectors，PSs)，利用同樣的方法提取短基線干涉圖中的分布式散射體(Distributed Scatters，DSs)。完成了PSs與DSs的選擇后，估計并去除各個像素干涉相位中的空間不相關(guān)視角誤差，該誤差包含空間不相關(guān)高程誤差和像素的相位中心與其物理中心的偏差。通過重組單主影像干涉相位計算PSs的等效短基線干涉相位后，將來自選定的PSs和DSs的短基線干涉相位進行組合。如某一目標像素同時出現(xiàn)在2個數(shù)據(jù)集中，則對2個數(shù)據(jù)集的復(fù)數(shù)信號求和，計算該目標相位的加權(quán)平均值。

(4)采用最小費用流算法進行相位解纏，然后估計空間相關(guān)的視角誤差和其他空間相關(guān)噪聲，并從差分相位中減去，最后估計出研究區(qū)域的沉降速率。完成沉降速率的提取后，依據(jù)各ASAR影像的時間跨度，獲取研究區(qū)域沉降時間序列。

3 廊坊市地面沉降時空信息獲取與分析

3.1 MTInSAR數(shù)據(jù)處理

本文基于MTInSAR獲取廊坊市地面沉降信息的主要數(shù)據(jù)處理步驟如下：①將影像裁剪至本文的研究范圍，選取2009年9月14日獲取的ENVISAT ASAR影像作為超主影像進行干涉對組合，并將其他的輔影像配準，重采樣至該超主影像。②設(shè)置時間基線為400d、空間基線為800m，分別通過PS-InSAR與SBAS-InSAR進行差分干涉處理，得到差分干涉處理的時空基線分布圖，見圖2。從圖2可知，基于PS-InSAR生成了干涉圖17對，基于SBAS-InSAR生成了干涉對71對。③依據(jù)NASA提供的SRTM3 DEM數(shù)據(jù)和ESA發(fā)布的DORIS軌道數(shù)據(jù)，去除差分干涉相位中的地形相位與平地效應(yīng)。④提

圖2 時空基線

取研究區(qū)域內(nèi)的PSs與DSs目標點，進行相位解纏，并去除大氣延遲相位、殘余地形相位等相關(guān)噪聲相位。⑤計算研究區(qū)域的沉降速率場與沉降時間序列，并進行地理編碼。

3.2 地面沉降速率結(jié)果與分析

圖3為采用MTInSAR技術(shù)獲得的廊坊市2007年～2010年的平均沉降速率。把該沉降速率圖疊加至研究區(qū)域的Google Earth影像上。圖3中，負值表示地面沉降，正值表示地面抬升。基于MTInSAR獲取的高相干目標點在城鎮(zhèn)地區(qū)較郊區(qū)密集，在研究時段內(nèi)廊坊市的年平均沉降速率范圍為-75.7～1.2 mm/a，最大沉降速率位于廣陽區(qū)的南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)。

圖3 研究區(qū)域2007年～2010年平均沉降速率

從圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)不均勻沉降明顯，沉降區(qū)域主要位于廊坊市區(qū)，而郊區(qū)地面沉降較小且穩(wěn)定，且這些地面沉降的空間分布與何平等[14]獲取的結(jié)果基本一致，也與雷坤超等[8]采用PS-InSAR獲取的沉降中心分布、沉降形成與發(fā)展趨勢基本一致。廊坊市的地面沉降主要分布于安次區(qū)與廣陽區(qū)，但廣陽區(qū)的沉降情況更為嚴重。在廣陽沉降區(qū)存在4個較為明顯的沉降區(qū)域，即南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)、九州鎮(zhèn)沉降區(qū)、萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)以及經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)沉降區(qū)。廊坊市北部與東部地區(qū)的地面沉降較為穩(wěn)定，大部分區(qū)域的沉降速率為-13.3～1.2 mm/a，且這些區(qū)域基本為郊區(qū)，地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)受人類活動影響較小。對比分析分布于廣陽區(qū)的4個明顯沉降區(qū)，萬莊鎮(zhèn)與九州鎮(zhèn)沉降區(qū)的沉降速率較小，研究時段內(nèi)萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)與九州鎮(zhèn)沉降區(qū)的最大沉降速率分別達到了-38.5、-45.1 mm/a；經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)沉降區(qū)與南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)的沉降漏斗較大且沉降嚴重，經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的最大沉降速率達到了-43.6 mm/a，南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)的最大沉降速率達到了-75.7 mm/a。廊坊市的地面沉降以南尖塔鎮(zhèn)為中心有逐漸向四周擴展的趨勢，且向廊坊市北部與西部擴展的范圍與趨勢更為嚴重。

經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的地層為第四系全新統(tǒng)，屬河湖相沉積層，以亞沙土、亞粘土夾粉細砂層為主，該地區(qū)的土層壓縮性較高；此外，經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)1992年6月26日奠基起步，目前已匯聚了來自全球30多個國家和地區(qū)的1 500多家企業(yè)，主要以機械電子、食品、新型建材、輕工紡織、生物制藥等為主，眾多工業(yè)的發(fā)展抽取了經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)大量的地下水，減少了覆土含水層的孔隙水壓力，導(dǎo)致了該地區(qū)的不均勻地面沉降明顯。可以看出，該地區(qū)的地面沉降漏斗與其工業(yè)區(qū)的地理位置存在較高的空間相關(guān)性。

在研究時段內(nèi)，廣陽區(qū)的南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)沉降最嚴重，該地區(qū)居民居住密集，城市發(fā)展與居民用水量大，且廊坊市的供水主要來自地下水抽取；此外，該地區(qū)主要為第四紀沉積物，土層的壓縮性較高，由于地下水的過量開采，地下水位逐漸下降，導(dǎo)致南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)的地面沉降不均性明顯，形成了一個明顯的沉降漏斗。

穿過廊坊市的3條主要交通線路(京福鐵路線、京滬高速公路以及京津高速公路)及沿線的沉降情況：京津高速公路及其沿線的沉降速率基本在-13.3～1.2 mm/a范圍內(nèi)，該高速公路主要穿越廊坊市郊區(qū)。京滬高速公路沿線的東北部地區(qū)基本為郊區(qū)，該部分的沉降較小，而京滬高速公路沿線的西南部地區(qū)穿過經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，該部分的不均勻沉降明顯。京福鐵路線穿越廣陽區(qū)和安次區(qū)，在城區(qū)范圍內(nèi)鐵路及其沿線的沉降較為嚴重，最大沉降速率達到了-53.6 mm/a，而穿越郊區(qū)部分沉降較為穩(wěn)定。由于郊區(qū)地下水抽取較少，且城市建設(shè)與工業(yè)生產(chǎn)較少，故位于該區(qū)域的交通線路的沉降較小且穩(wěn)定。

綜上分析，廊坊市地面的不均勻沉降主要由地下水的過度開采導(dǎo)致，但地面沉降的形成與發(fā)展也同時受到工業(yè)化發(fā)展、城市建設(shè)、交通線路以及地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 MTInSAR結(jié)果精度分析

為分析采用MTInSAR提取廊坊地區(qū)地面沉降速率的精度，本文給出了研究區(qū)域所有監(jiān)測目標點的平均沉降速率的標準差，見圖4。從圖4可知，通過MTInSAR技術(shù)獲取的各個目標點的平均沉降速率的標準差范圍為0.98～9.03 mm/a。標準差較大的目標點主要分布于郊區(qū)，且目標點較少；分布在城鎮(zhèn)地區(qū)的大部分目標點的相干性較高，其平均沉降速率的標準差基本低于3 mm/a。

圖4 研究區(qū)域監(jiān)測目標點平均沉降速率標準差分布

本文對所有目標點的平均沉降速率的標準差進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖5。從圖5可知，研究區(qū)域內(nèi)平均沉降速率的標準差低于5 mm/a的目標點占總數(shù)的95.1%；依據(jù)MTInSAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域形變結(jié)果的標準差為2.69 mm/a。上述分析表明，利用MTInSAR技術(shù)進行廊坊市地面沉降監(jiān)測的精度與穩(wěn)定性較高。

圖5 目標點平均沉降速率標準差統(tǒng)計分布

3.4 地面沉降時間序列結(jié)果與分析

為分析廊坊市地面沉降隨時間的演變，本文選取了分布在不同沉降區(qū)的8個PS點(見圖6)，并對這8個PS點的沉降時間序列進行了對比分析，分析結(jié)果見圖7。

圖6 PS點地理位置分布

圖7 PS1～PS8點的沉降時間序列

從圖7可知，基于MTInSAR獲取的8個PS點的沉降時間序列呈非線性下降趨勢。由于8個PS點分布的空間位置不一，其累計沉降量也不盡相同。在所選的PS點中，PS1與PS2點位于沉降最嚴重的南尖塔鎮(zhèn)，這2個點的沉降呈持續(xù)下降趨勢，在研究時段內(nèi)PS1與PS2點的累計沉降量分別達到了-181.3 mm與-177.7 mm。位于經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的PS3與PS4點沉降變化具有較高的相似性，其累計沉降量均約為-79 mm。PS5與PS6位于京津高速公路沿線附近，這2個PS點的沉降時間序列變化基本在±10 mm范圍內(nèi)，這與京津高速公路位于廊坊市郊區(qū)，且該地區(qū)的地下水抽取較少有關(guān)。位于萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)的PS7與PS8點的累計沉降量分別為-49.2 mm與-45.5 mm，較PS1～PS4點的累計沉降量小，但其沉降變化波動較大?？傊?，廊坊市的地面呈非線性沉降，且地面沉降的嚴重程度受地下水超采影響較大。

4 結(jié) 語

本文基于MTInSAR技術(shù)，依據(jù)ASAR影像獲取了廊坊市2007年～2010年的地面沉降信息，結(jié)合前人的研究結(jié)果、廊坊市的地下水開采及工業(yè)發(fā)展情況，研究分析了廊坊市的地面沉降時空特征，主要結(jié)論如下：

(1)廊坊市地面不均勻沉降明顯，存在南尖塔鎮(zhèn)、九州鎮(zhèn)、萬莊鎮(zhèn)以及經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)4個明顯沉降區(qū)。其中，南尖塔鎮(zhèn)是最嚴重的沉降區(qū)，最大沉降速率達到了-75.7 mm/a。此外，研究區(qū)域的地面沉降呈非線性形變。

(2)統(tǒng)計分析研究區(qū)域平均沉降速率的標準差得出，95.1%監(jiān)測目標點的標準差小于5 mm/a，基于MTInSAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域形變結(jié)果的標準差為2.69 mm/a，這表明利用MTInSAR技術(shù)可以有效進行廊坊市地面沉降監(jiān)測。

(3)沉降漏斗的空間分布與工業(yè)區(qū)和城市建設(shè)區(qū)存在較高的相關(guān)性，廊坊市地面沉降的形成與發(fā)展受地下水超采影響嚴重。

為進一步研究廊坊市地面沉降發(fā)展趨勢，將在下一步的研究工作中結(jié)合多源SAR影像數(shù)據(jù)，研究廊坊市地面沉降時空特征，為城市的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。