張介山 劉 凱

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.上海隧道工程有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，已成為影響我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1,2]。

鄭州市地處華北平原地面沉降區(qū)的西南邊緣，地面沉降調(diào)查和研究工作起步相對(duì)較晚。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著城市的發(fā)展，城市居民用水、郊區(qū)工業(yè)用水的急劇增加，鄭州市地下水位不斷下降，形成了多個(gè)地下水降落漏斗[3,4]，致使地面沉降災(zāi)害加劇。地面沉降的發(fā)生將會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)的地表建筑物、線性工程造成一定影響。因此，對(duì)該區(qū)域開(kāi)展持續(xù)的地面形變監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

目前，最常用的監(jiān)測(cè)手段主要有精密水準(zhǔn)測(cè)量、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)測(cè)量技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)技術(shù)以及基巖標(biāo)分層標(biāo)測(cè)量技術(shù)[5]。其中InSAR技術(shù)具有覆蓋面廣、監(jiān)測(cè)周期短、全天時(shí)、全天候等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確提取研究區(qū)的地表形變特征[6]。尤其是永久散射體雷達(dá)干涉測(cè)量(permanent scatterer interferometry,PSI)技術(shù)[7,8]和短基線集技術(shù)[9,10](small baseline subsets,SBAS)等時(shí)序InSAR技術(shù)的提出，削弱了InSAR數(shù)據(jù)處理中大氣延遲效應(yīng)、各種失相干誤差及DEM誤差對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響，在地面沉降監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[11-14]。

因此，本文利用覆蓋鄭州市城區(qū)的34景Sentinel-1A的單視復(fù)數(shù)據(jù)(single looking complex,SLC)數(shù)據(jù)，分別采用PS-InSAR，SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)鄭州市城區(qū)2017年3月—2019年12月間的地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)結(jié)果可為鄭州市的地面沉降災(zāi)害防治工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中部，市區(qū)面積約993 km2，地形自西南向東北由高逐漸降低，地貌類型主要為西部黃土丘陵崗地和東部黃河沖積平原，沖積平原區(qū)廣泛發(fā)育第四紀(jì)松散沉積層，地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂和中粗砂。

研究區(qū)降水量時(shí)空分布不均，2008年以來(lái)年平均降水量為635.6 mm，最大年降水量為763.4 mm(2011年)，最小年降水量為375.9 mm(2013年)；年內(nèi)降水分配不均，主要集中在7月～9月。研究區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，淺層地下水補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水，由于工農(nóng)業(yè)及生活用水開(kāi)采地下水，已經(jīng)形成淺層、中深層、深層等多個(gè)地下水降落漏斗[15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用了歐空局(ESA)免費(fèi)分發(fā)的Sentinel-1A的C波段SAR數(shù)據(jù)影像，選取軌道號(hào)為40的覆蓋鄭州市2017年3月～2019年12月的34景數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，數(shù)據(jù)為IW模式VV極化的SLC數(shù)據(jù)，覆蓋范圍見(jiàn)圖1。為了消除軌道誤差和地形起伏帶來(lái)的影響，使用歐空局提供的成像21 d后生成的高精度軌道數(shù)據(jù)，精度為5 cm，數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)采用日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提供的ALSO World 3D 30 m數(shù)據(jù)。

表1 SAR數(shù)據(jù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 PS-InSAR技術(shù)干涉處理

PS-InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。選擇2018-07-07獲取的SAR影像作為公共主影像，其余33幅作為副影像，干涉對(duì)的空間基線長(zhǎng)度和時(shí)間基線間隔見(jiàn)表2。將全部從影像配準(zhǔn)重采樣到主影像空間，進(jìn)行干涉處理，共產(chǎn)生33個(gè)干涉對(duì)。

表2 影像獲取時(shí)間及參數(shù)信息

對(duì)33個(gè)干涉相對(duì)分別計(jì)算干涉相位，生成干涉圖，設(shè)置振幅離差指數(shù)和相干性系數(shù)，提取PS點(diǎn)，建立PS點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，得到各個(gè)PS點(diǎn)目標(biāo)的線性形變結(jié)果，去除大氣相位后，得到每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的非線性形變量；最后將線性形變結(jié)果和非線性形變結(jié)果疊加在一起，設(shè)置相干性閾值為0.85，振幅離差指數(shù)DA為3.2[16]，獲得完整的PS點(diǎn)目標(biāo)沉降速率結(jié)果。圖3為采用PS-InSAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域雷達(dá)視線向(LOS)的年平均沉降速率。

2.2 SBAS-InSAR技術(shù)干涉處理

SBAS-InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。設(shè)置時(shí)間基線閾值和空間基線閾值分別為365 d和300 m，選取2018-03-09的影像作為主影像，其余影像作為副影像生成干涉相對(duì)進(jìn)行差分干涉處理；采用Goldstein方法進(jìn)行自適應(yīng)濾波，基于Delaunay三角網(wǎng)和最小費(fèi)用流法(minimum cost flow,MCF)開(kāi)展相位解纏；采用最小二乘法(least square,LS)和SVD相結(jié)合的非線性處理模型，將殘余相位中的大氣相位成分和失相關(guān)噪聲相位進(jìn)行扣除，應(yīng)用DEM和控制點(diǎn)(Ground Control Point,GCP)進(jìn)行去平地效應(yīng)，得到非線性形變速率；結(jié)合線性形變速率和非線性形變速率得到研究區(qū)準(zhǔn)確的形變速率結(jié)果。圖5為采用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域雷達(dá)視線向(LOS)的年平均沉降速率。

3 PS與SBAS形變結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)上述兩種方法得到的鄭州市城區(qū)地面沉降速率圖，可以看出兩種方法的沉降區(qū)域位置和沉降速率基本相一致。PS-InSAR和SBAS-InSAR結(jié)果顯示，鄭州市城區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10 mm/年～10 mm/年，最大沉降速率分別為-36 mm/年和-41 mm/年，出現(xiàn)差異的主要原因是兩種方法選取參考點(diǎn)不同導(dǎo)致的[17]。

為了直觀對(duì)比兩種技術(shù)的結(jié)果，分別在沉降較嚴(yán)重的A區(qū)和B區(qū)選取相同位置的同名點(diǎn)，繪制其沉降歷史曲線，見(jiàn)圖6，圖7。可以看出，兩種技術(shù)的處理結(jié)果具有很好的一致性，且PS-InSAR技術(shù)得到的沉降值較大，A區(qū)域相差6 mm，B區(qū)域相差8 mm。

以PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，研究區(qū)中部為較穩(wěn)定區(qū)域，有逐漸抬升的趨勢(shì)，存在2個(gè)較明顯沉降區(qū)域，分別位于研究區(qū)北部和東部，其中A區(qū)域、B區(qū)域?yàn)槌两递^嚴(yán)重區(qū)域，A區(qū)域位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)西三環(huán)—北四環(huán)—花園北路—鄭州繞城高速所包圍的區(qū)域，最大沉降速率為22 mm/年，B區(qū)域位于鄭州市東部G107國(guó)道—金水東路—前程大道—航海東路包含的區(qū)域，最大沉降速率為36 mm/年。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)鄭州市城區(qū)2017年3月～2019年12月的Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取了研究區(qū)2017年—2019年的地面沉降的分布特征。研究結(jié)果表明，兩種技術(shù)得到的沉降趨勢(shì)相吻合；鄭州市城區(qū)大部分區(qū)域形變速率為-10 mm/年～10 mm/年，研究區(qū)中部為較穩(wěn)定區(qū)域，有逐漸抬升的趨勢(shì)，存在2個(gè)較明顯沉降區(qū)域，分別位于研究區(qū)北部和東部。