孫 浜，李奕彤，唐詩金典，王琛茜，張 滿，顏春燕

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

1 地表沉降及相關(guān)技術(shù)

地表沉降是指在人為和自然因素作用下地表標高降低的一種地質(zhì)現(xiàn)象。近十幾年來，北京地區(qū)的地表沉降迅速，嚴重威脅著人們的生產(chǎn)、生活安全，制約城市的發(fā)展[1-2]。

城市地面沉陷的監(jiān)測技術(shù)有水準測量、三角高程測量、數(shù)字攝影測量、GPS變形監(jiān)測、InSAR技術(shù)等[3]。這些方法各有優(yōu)劣，水準測量和三角高程測量耗費大量的人力、財力，得到的數(shù)據(jù)精度較高，數(shù)據(jù)較少，觀測周期長；差分GPS測量精度較之水準測量稍弱，觀測周期較短，資費也大幅降低；InSAR技術(shù)較好地平衡了上述缺點，大大提高了監(jiān)測范圍，極大地縮短了觀測周期，是城市地面沉陷監(jiān)測較好的手段之一。

傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)有時間失相干及空間失相干的局限性，導(dǎo)致DInSAR技術(shù)在城市微小地表形變監(jiān)測中變得難以適用。本文對25景數(shù)據(jù)兩兩差分結(jié)果與永久散射體干涉測量（PS-InSAR）方法進行比較，可以看出兩者在地表形變的監(jiān)測中有較為明顯的差距。橫向?qū)Ρ攘藘煞N方法，根據(jù)前人的研究結(jié)果，可以置信于PS-InSAR方法。在時間維度上，通過PS可以直觀地看到研究區(qū)域沉降的趨勢和沉降速率。

2 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)說明

研究區(qū)域選擇在北京居中的位置，包括東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)東南角、朝陽區(qū)西部、豐臺區(qū)東北角（見圖1中線條框選部分）。選取的范圍足夠說明一些問題。本文研究采用sentinel 1A的SLC數(shù)據(jù)，極化方式為VV。時間跨度為2017年6月—2019年6月，總計25景。時間基線和數(shù)據(jù)集大小滿足PS的要求。

3 數(shù)據(jù)處理流程

獲得的SLC數(shù)據(jù)覆蓋的面積比較大，可覆蓋京津冀大部分的地區(qū)，對數(shù)據(jù)進行裁剪后，將研究區(qū)域縮減到北京城區(qū)的主體部分。城區(qū)既有較高的散射，又能保持良好的干涉，為進行PS處理提供良好的條件。

圖1 研究區(qū)域

在裁剪的數(shù)據(jù)中選擇主影像，所有的數(shù)據(jù)都將配準到該主影像上。根據(jù)主影像選擇結(jié)果對數(shù)據(jù)相對進行干涉處理，得到干涉圖，接著進行PS的兩步操作。第一步，生成未去除大氣相位的形變結(jié)果，包括形變速率和高程改正值。第二步，進行大氣校正，得到最終的形變結(jié)果。第三步，對PS結(jié)果進行地理編碼。PS處理流程如圖2所示。

4 結(jié)果分析

本文對同一個裁剪區(qū)域分別采用PS-InSAR和D-InSAR兩種方法，得到了兩組結(jié)果。D-InSAR處理方法是按照時間順序，逐對差分干涉，可以做到厘米級精度，對城市地區(qū)地表沉降的監(jiān)測顯得有些力不從心[4]；PS-InSAR方法在城市地表沉降監(jiān)測中可以達到毫米級[5]。因此，對兩組結(jié)果的置信程度是不一樣的，PS方法的結(jié)果要明顯優(yōu)于D-InSAR方法的結(jié)果。

圖2 PS處理流程

4.1 PS-InSAR結(jié)果分析

從年平均沉降量（見圖3，單位：mm）來看，沉降速率最大的區(qū)域已經(jīng)達到20.47 mm/year，位于研究區(qū)域的東北角，分布于朝陽區(qū)境內(nèi)，波及東城區(qū)東部。除此之外，還可以看到海淀區(qū)和東城區(qū)的年平均沉降量已經(jīng)達到4.90 mm或更多，西城區(qū)中心也有略微沉降。研究區(qū)域內(nèi)的其他地區(qū)沒有明顯的沉降，甚至在豐臺區(qū)有略微抬升。

對24個時間序列（部分圖見圖4—7，單位：mm）進行觀察，朝陽區(qū)的累積沉降量逐年增加，始終保持著較高的沉降量，至2019年6月已達到47.28 mm。海淀區(qū)始終處于沉降范圍，至2019年6月已達到10 mm左右，有較大的可能發(fā)展成面積更大的沉降區(qū)。西城區(qū)中心的區(qū)域自2018年4月起沉降趨勢有所減緩?？傮w來看，沉降的范圍在不斷擴大，累積沉降在不斷增加，對人民的生產(chǎn)生活造成嚴重的危害。

4.2 D-InSAR結(jié)果分析

本文選取2017年6月與7月、2017年12月與2018年1月、2018年6月與7月、2018年12月與2019年1月的差分結(jié)果展示，具體如圖4—7所示（單位：mm）。

圖3 年均沉降量

圖4 201707累積沉降

圖5 201801累積沉降

圖6 201807累積沉降

圖7 201901累積沉降

按照時間順序，對數(shù)據(jù)逐對差分干涉，得到每兩個月份的差分干涉結(jié)果?？梢钥吹剑行﹫D像出現(xiàn)了“褶皺”的現(xiàn)象（圖8中畫圈的部分），原因有待分析。在時間序列上，仍然可以看到朝陽區(qū)有明顯的沉降，其他地區(qū)出現(xiàn)沉降-抬升-沉降的往復(fù)變化現(xiàn)象，但總體上仍然是沉降區(qū)域較大。D-InSAR方法幾幅差分圖如圖8所示。

4.3 PS-InSAR方法與D-InSAR方法比較

選取4個比較有代表性的PS點，與D-InSAR方法處理結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)一些問題。PS1點和PS2點選在朝陽區(qū)沉降明顯的地區(qū)，PS3點選在豐臺區(qū)有略微抬升的地區(qū)，PS4點選在海淀區(qū)沉降不太明顯的地區(qū)，4個點的經(jīng)緯度如表1所示。

表1 4點經(jīng)緯度

圖8 D-InSAR方法幾幅差分圖

通過對比兩種方法可以發(fā)現(xiàn)，在同一點的累積沉降量（見圖9），兩者在沉降明顯的地區(qū)相差在20 mm以內(nèi)，在略微抬升的地區(qū)相差在20 mm以內(nèi)，在沉降不太明顯的地區(qū)相差接近1 cm。根據(jù)前人的研究數(shù)據(jù)，海淀區(qū)的年平均沉降量未超過50 mm[6]，可見，D-InSAR方法對毫米級的城市沉降監(jiān)控已顯得力不從心，僅是比較兩者在2019年6月的累積沉降量。對比兩者在中間時間的累積沉降量，D-InSAR方法相鄰兩月的差最大達到了25 mm，ps1點在2018年10月與11月之間的差值，與實際相差較多；PS-InSAR方法相鄰兩月最大差值在PS4點2018年6月與7月之間達7 mm，與實際較為符合。

圖9 4個點累積沉降量對比

5 結(jié)語

本文基于InSAR技術(shù)的PS-InSAR和D-InSAR兩種方法，處理了2017年6月到2019年6月兩年25景數(shù)據(jù)，得到了兩組結(jié)果。對這兩組結(jié)果進行比較分析，可以確定PS-InSAR方法具有一定的優(yōu)越性，特別是在城區(qū)，既有較高的散射，又能保持良好的干涉。美中不足的是，PS方法對數(shù)據(jù)的時間要求和數(shù)量要求較高，要求每景影像時間間隔最好在一個月，數(shù)據(jù)數(shù)量在20景以上。

對PS-InSAR方法處理的結(jié)果分析可知，北京市城區(qū)的主體部分沉降面積不斷擴大，主要分布在朝陽區(qū)、海淀區(qū)、東城區(qū)東部。其中，朝陽區(qū)的年均沉降速量最大，達到20.47 mm，海淀區(qū)的年均沉降量也達到了5 mm左右。對時間序列進行觀測，預(yù)計朝陽區(qū)和海淀區(qū)的沉降區(qū)域會進一步發(fā)展，西城區(qū)的沉降區(qū)域已有所減緩，甚至有回升的可能。

PS-InSAR方法與D-InSAR方法的比較可知兩者有較大的差距，仍需進一步對比、驗證。初步判斷PS-InSAR方法在精度上要優(yōu)于D-InSAR方法。