王 毅，黃同新，邰建豪

（1.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053；3.河南財經(jīng)政法大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450046；4.河南財經(jīng)政法大學 城鄉(xiāng)數(shù)據(jù)挖掘院士工作站，河南 鄭州 450046）

地表沉降已成為我國主要的地質(zhì)災害之一，其成因主要為地質(zhì)因素和人類作用。地表沉降給人居安全、交通、經(jīng)濟發(fā)展等帶來了多種危害[1]。截至2012年，我國已有50多個大中型城市總面積超過8萬km2的國土面積出現(xiàn)了不同程度的地表沉降[2]。目前，地表沉降監(jiān)測技術主要包括精密水準測量、監(jiān)測標技術、GNSS等，其監(jiān)測精度較高，可表達連續(xù)沉降序列；但由于需要進行人工測量和布設站點，這些技術存在監(jiān)測范圍小、站點固定、費用高且監(jiān)測點數(shù)少的局 限[3]。隨著微波技術的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以InSAR技術為代表的新型遙感監(jiān)測手段，其可通過衛(wèi)星傳感器獲取大面積的干涉雷達影像，再通過干涉圖的相位信息提取地表的高程和形變。InSAR技術是目前世界范圍內(nèi)提取地形高程和信息的主要技術手段之一，具有精度高、監(jiān)測時間長、成本低等特點。

D-InSAR技術是InSAR技術在微波遙感應用中的拓展[4-5]。自Gabriel A K[6]首次論證了D-InSAR技術可用于監(jiān)測地表沉降后，其在城市地表沉降監(jiān)測、火山運動、地殼運動、山體滑坡以及冰川運動等方面得到了廣泛發(fā)展。Massonnet D[7]等基于ERS-1的雷達影像數(shù)據(jù)，利用D-InSAR技術精確提取了California地區(qū)的地震形變場。Ferretti A[8]等提出了基于永久性散射體的差分干涉測量技術理論。隨著SAR衛(wèi)星成像技術的不斷提高，有學者提出了小基線集的算法，無需外部DEM數(shù)據(jù)即可進行D-InSAR計算并剔除大氣延遲誤差。國內(nèi)學者將D-InSAR技術應用于地震同震源形變研究，地下水、礦產(chǎn)、石油等資源大規(guī)模開采引起的地表沉降監(jiān)測，南極冰川運動以及滑坡研究中，如王超[9]等利用11幅蘇州地區(qū)1993－2000年 的ERS衛(wèi)星SAR影像進行干涉測量處理，對地表沉降進行了分析，獲取了該地區(qū)在這一時間段內(nèi)地面的垂直形變量和沉降速率；諶華[10]等利用NOAA-16/FY-1C大氣水汽產(chǎn)品反演了ASAR干涉測量結果中的大氣水汽含量，經(jīng)過比對，驗證了算法的有效性；羅海濱[11]等基于GPS對流層延遲改正內(nèi)插算法，提出了一種顧及地形信息的IDW空間插值法；余景波[12]等基于D-InSAR的基本原理研究了傳統(tǒng)二軌法、三軌法、四軌法干涉測量中的大氣延遲誤差，并利用ERS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行實驗，分析了大氣延遲影響。

本文基于多年時間序列RadarSat-2數(shù)據(jù)，利用短基線集（SBAS）InSAR技術對華北平原（河南部分）進行了沉降監(jiān)測和分析。在地表形變反演階段，引入奇異值分解法，連接多個SBAS，提高了數(shù)據(jù)處理的時間采樣率，獲取了形變的最小范數(shù)解。本文對沉降結果進行了分析，認為人類活動是造成該區(qū)域地表沉降的主要因素。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省北部，分屬黃河與海河流域；西依太行山脈，南抵黃河，北部、東部分別與河北和山東兩省為鄰；包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)、焦作、濟源6個地級市，共31個縣（區(qū)），總面積為 21 026 km2；地理坐標為112e27′34″～116e4′51″E、34e52′0″～36e17′19″N。

2 研究方法

本文采用的InSAR技術解譯方法為SBAS方法。SBAS方法是目前具有代表性的高級（多基線）InSAR方法之一，對于提取低分辨率、大尺度地表形變具有較好效果[13]。該方法根據(jù)獲取的SAR影像序列在時間、空間基線的分布，將數(shù)據(jù)組合成若干個集合，使得集合內(nèi)干涉對空間基線距較小，而集合間干涉對空間基線距較大[14]。在地表形變反演階段，為了連接 多個SBAS、提高數(shù)據(jù)處理的時間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取形變的最小范數(shù)解。SBAS方法的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 SBAS方法的數(shù)據(jù)處理流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

本文選取60景30 m分辨率的RadarSat-2數(shù)據(jù)作為SAR數(shù)據(jù)源，獲取時間為2014年2月－2016年11月；利用3個條帶的SAR圖像對河南省北部區(qū)域進行全覆蓋，每個條帶采用20景圖像，3個條帶共60景影像。

1）干涉組合。小基線通過設置一定的時間和空間基線閾值，得到干涉組合。本文設置空間基線閾值為250 m，時間基線閾值為200 d，其中條帶1共組成60對干涉組合，條帶2共組成79對干涉組合，條帶3共組成43對干涉組合，并在組合的基礎上生成干涉條紋圖。條帶1的干涉組合如表1所示。根據(jù)InSAR數(shù)據(jù)參數(shù)，確定條帶1垂直基線閾值為200 m，時間基線閾值為200 d，共生成60對干涉 組合。

表1 條帶1的干涉組合

2）干涉條紋圖生成。SAR圖像配準后，將兩幅圖像進行復共軛相乘即可得到干涉條紋圖，如圖2所示。干涉處理時，選取8×2的多視窗口。圖2在方位向上存在一條條的條紋，是由平地效應造成的，需去除以便進行相位解纏。

圖2 干涉條紋圖

3）相位解纏。利用最小費用流的方法進行相位解纏，根據(jù)圖像分辨率、地物類型，僅對相干性大于0.4的像素點進行相位解纏，從而降低噪聲誤差對解纏結果的影響。干涉條紋圖的解纏結果如圖3所示。

圖3 解纏后的相位圖

4）高相干目標點選取。對生成的相干圖進行平均處理得到平均相干系數(shù)圖，再設定適當?shù)拈撝导纯傻玫礁呦喔赡繕它c。根據(jù)工作區(qū)域大小、時間基線大小和地物類型，設置相干系數(shù)閾值為0.6，共選出約 207萬個相干點用于形變反演。

5）形變估計。高相干點選取完畢后，根據(jù)解纏后的干涉條紋圖數(shù)據(jù)建立相應的相位模型，利用SVD方法即可求解觀測范圍內(nèi)的形變速率，如圖4所示。

圖4 形變速率圖

6）地理編碼。根據(jù)圖像頭文件提供的控制點地理坐標信息對得到的形變速率圖進行地理糾正，即可得到地理編碼后的形變速率圖。

4 地表沉降特征分析

4.1 研究區(qū)地表沉降基本特征

1）根據(jù)工作區(qū)InSAR監(jiān)測成果，工作區(qū)沉降速率在15 mm/a以上的區(qū)域主要分布在安陽、濮陽、新鄉(xiāng)和鶴壁地區(qū)。

2）根據(jù)沉降速率點的光學遙感影像特征，工作區(qū)沉降嚴重區(qū)主要發(fā)生在城鎮(zhèn)及其周圍地區(qū)，說明城鎮(zhèn)建設是工作區(qū)地表沉降的一個主要影響因素。

3）整個工作區(qū)可劃分為5個重點沉降區(qū)域，即安陽市—濮陽市沉降區(qū)、新鄉(xiāng)市—衛(wèi)輝市沉降區(qū)、修武縣—孟州市沉降區(qū)、輝縣市沉降區(qū)、濮陽縣—長垣縣沉降區(qū)。

4）由沉降等值線圖可知，安陽、濮陽、新鄉(xiāng)和焦作地區(qū)的沉降空間分布與已知的沉降區(qū)域基本一致，如水文地質(zhì)工作已探明的地下水位降落漏斗（滑縣—濮陽—清豐—南樂漏斗、溫縣—孟州漏斗）。

4.2 重點區(qū)域地表沉降特征

根據(jù)InSAR監(jiān)測沉降速率圖和沉降等值線圖，本文綜合分析確定了5個沉降重點區(qū)域。

1）安陽市—濮陽市沉降區(qū)。該沉降區(qū)位于安陽市與濮陽市之間，南到滑縣城關鎮(zhèn)，面積為5 256 km2， 地理位置為114e17′～115e20′E、35e30′～36e15′N。沉降中心位于安陽縣白壁鎮(zhèn)東北，最大沉降速率為-95.36 mm/a，沉降中心呈西北—東南走向。

2）新鄉(xiāng)市—衛(wèi)輝市沉降區(qū)。該沉降區(qū)位于新鄉(xiāng)市城區(qū)及其周圍，整體呈近圓形，面積為220 km2，地理位置為113e45′～114e07′E、35e14′～35e27′N。沉降中心位于新鄉(xiāng)市城區(qū)東北部，最大沉降速率為-41.09 mm/a。

3）修武縣—孟州市沉降區(qū)。該沉降區(qū)位于修武縣城關鎮(zhèn)與孟州市城關鎮(zhèn)之間，整體呈東北—西南走向，包括武陟縣和溫縣的一部分，面積為1 673 km2，地理位置為112e42′～113e28′E、34e53′～35e16′N。沉降中心位于武陟縣城西，最大沉降速率為-34.37 mm/a。

4）輝縣市沉降區(qū)。該沉降區(qū)位于輝縣市百泉鎮(zhèn)與修武縣交界處方莊鎮(zhèn)之間，整體呈東北—西南走向，面積為495 km2，地理位置為113e22′～113e48′E、35e18′～35e33′N。沉降中心位于輝縣市百泉鎮(zhèn)西南，地理坐標為（113e43′, 35e29′），最大沉降速率為-114.85 mm/a。

5）濮陽縣—長垣縣沉降區(qū)。該沉降區(qū)位于濮陽縣徐鎮(zhèn)鎮(zhèn)與長垣縣丁欒鎮(zhèn)之間，整體呈東北—西南走向，面積為1 408 km2，地理位置為114e37′～115e30′E、35e05′～35e41′N。沉降中心位于濮陽縣徐鎮(zhèn)鎮(zhèn)東南，最大沉降速率為-73.58 mm/a。

4.3 地表沉降與地質(zhì)環(huán)境關系研究

工作區(qū)引起地表沉降的原因可分為自然因素和人類活動因素，其中自然因素包括構造活動、軟弱土層的自重壓密固結等；人類活動因素主要包括地下水開采、地熱資源開發(fā)、石油開采、城市建設4個方面。

1）地下水開采。工作區(qū)內(nèi)對地下水的開采歷史可分為4個階段：第一階段為1965年以前，只在安陽、新鄉(xiāng)、焦作等大城市建有水源地，且開采量較??；第二階段為1965－1977年，地下水開采量逐年增加，主要為淺層地下水；第三階段為1978－1990年，城鎮(zhèn)和 廠礦興建了許多水源地，地下水開采量劇增；第四階段為1990年以后，地下水開采量呈緩慢增長趨勢。各行業(yè)地下水開采量占比分別為工業(yè)8.6%、生活10.4%、農(nóng)村81.0%。

根據(jù)《河南省地下水超采區(qū)評價報告》，淺層地下水在濮陽—封丘—原陽—新鄉(xiāng)—鶴壁—安陽、孟州—溫縣—武陟、濟源、淇縣等區(qū)域為一般超采區(qū)，中深層承壓水在濮陽—清豐—南樂及其以東區(qū)域為超采區(qū)。長期地下水開采加之近年來氣候干旱、降雨量偏少，使得工作區(qū)地下水位呈大面積下降態(tài)勢，淺層地下水已形成兩個區(qū)域性地下水位降落漏斗，分別為滑縣—濮陽—清豐—南樂漏斗和溫縣—孟州漏斗。2014年 滑縣—濮陽—清豐—南樂淺層地下水區(qū)域降落漏斗的面積為4 084.02 km2，漏斗中心水位埋深為30.42 m。2014年溫縣—孟州漏斗的面積為556.11 km2，漏斗中心水位埋深為12.63 m。

2）地熱資源開發(fā)。目前工作區(qū)的地熱開發(fā)形式主要為井采，開采的熱儲層主要為新近系、古近系松散巖熱儲層，個別為其他基巖裂隙熱儲層。從開采方式來看，工作區(qū)為鑿井取熱，以零星開采為主。工作區(qū)地熱井開采深度多為800～1 300 m，以開采低溫地熱資源為主，深度大于1 500 m的地熱井數(shù)量較少。近年來，隨著石油鉆機的引入和地熱成井工藝的不斷完善，鑿井深度也在不斷增加，如安陽電業(yè)新村、鶴熱2#、鶴熱3#等地熱井深度均在1 500 m以上。

3）石油開采。石油開采主要位于濮陽市的中原油田，主要勘探開發(fā)區(qū)域為東濮凹陷，橫跨河南、山東兩省6市12縣（區(qū)），呈東北—西南走向，面積為 5 300 km2。經(jīng)過了30多a的開發(fā)建設，勘探開發(fā)范圍約為2 000 km2，開采深度約為3 000 m。

4）城市建設。近年來，工作區(qū)城市建設發(fā)展迅速，城市建成區(qū)面積不斷擴大，城市人口規(guī)模不斷增加，城鎮(zhèn)化水平明顯提高，截至2016年工作區(qū)城鎮(zhèn)化率已達50%以上。城鎮(zhèn)化的發(fā)展必然促進城市的擴張，基礎設施建設在一定程度上引起了城市的局部沉降，城市建設對地表沉降和地裂縫產(chǎn)生了一定影響。利用InSAR技術進行地表沉降監(jiān)測，分析形成沉降的人為和自然因素，能為城市的建設發(fā)展提供有力依據(jù)。城市的發(fā)展規(guī)劃應充分考慮對郊區(qū)地表沉降區(qū)域的影響。

5 結 語

本文采用SBAS-InSAR方法監(jiān)測了華北平原（河南部分）的地表沉降特征，生成了研究區(qū)InSAR地表沉降速率圖和沉降等值線圖；并根據(jù)研究區(qū)總體沉降特征，劃分了安陽市—濮陽市沉降區(qū)、新鄉(xiāng)市—衛(wèi)輝市沉降區(qū)、修武縣—孟州市沉降區(qū)、輝縣市沉降區(qū)、濮陽縣—長垣縣沉降區(qū)5個典型地表沉降區(qū)。研究結果表明，沉降主要集中在城市市區(qū)以及市郊部分區(qū)域，與近年城市擴張、人口集中導致地表資源和地下資源的持續(xù)消耗有較大關系；除軟弱土層的自重壓密固結等自然因素外，影響地表沉降的人類活動因素主要包括地下水開采、地熱資源開發(fā)、石油開采、城市建設 4個方面。