蔣 喆，任 超，賴永明

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

地表沉降是人類活動(dòng)和松散地層固結(jié)收縮等多種自然因素導(dǎo)致區(qū)域地表緩慢下降而引起的局部地質(zhì)現(xiàn)象。近年來，它已成為一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，影響著人類可持續(xù)發(fā)展[1]。地下水的過度開采和地表荷載的增加在我國北方地區(qū)造成了普遍存在的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[2]。廊坊市位于華北平原的中東部。地表水資源比較少，生產(chǎn)生活所必需的水資源基本上來自于地下水的開采。因此，該地區(qū)地下水一直處于過度開采的狀態(tài)，且形成了明顯地表沉降漏斗[3]。

廊坊地區(qū)地表沉降歷史資料顯示，1966—1992年累積地表沉降量達(dá)到-336 mm，1993—2004 年累計(jì)地表沉降量達(dá)到-462 mm。由廊坊地區(qū)綜合資料統(tǒng)計(jì)得出，自1996 年以來，廊坊地區(qū)累積沉降量接近-900 mm[4]。地表沉降對人民的生產(chǎn)、生活和國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有很大影響。獲取準(zhǔn)確的地表沉降形變信息，分析其變化趨勢，是探討地下水過度開采和建筑負(fù)荷與地表沉降之間關(guān)系的重要依據(jù)[5]。

傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測方法，如二等水準(zhǔn)測量、GNSS（global navigation satellite system）測量和分層標(biāo)、基巖標(biāo)測量等，不僅費(fèi)用高，而且效率低下。經(jīng)過長期的技術(shù)積累，InSAR 干涉測量技術(shù)已成功應(yīng)用于地表沉降的長期監(jiān)測。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量D-InSAR 技術(shù)是一種新型空間對地觀測技術(shù)，不僅可以獲得大面積、高精度的地表形變信息，而且理論精度可以達(dá)到毫米級別。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，基于雷達(dá)衛(wèi)星的地表沉降實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢。該方法在地表沉降、火山運(yùn)動(dòng)、山體滑坡和地震等地質(zhì)災(zāi)害等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力[6]。然而，傳統(tǒng)的D-InSAR 技術(shù)不僅容易受到大氣效應(yīng)的影響，而且難以獲得高精度的形變信息。為此，基于傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)的研究分析，經(jīng)過科研人員的不斷努力，提出了永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量（PS-InSAR）[7]和小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量（SBAS-InSAR）[8]的地表沉降監(jiān)測技術(shù)和方法，這兩種方法可以有效地抑制或減弱空間失相干擾和大氣效應(yīng)引起的誤差，提高地表沉降監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

近年來，許多科學(xué)家和專家在InSAR 技術(shù)的基礎(chǔ)上對地表沉降進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。其中，周旭[9]等采用時(shí)序InSAR 技術(shù)分析北京和廊坊地區(qū)2007—2010年間的地表沉降信息，并驗(yàn)證利用時(shí)間序列InSAR 技術(shù)方法在城市地表沉降研究方面具有較高的穩(wěn)定性；何平[10]等利用多時(shí)相InSAR 技術(shù)方法研究廊坊地區(qū)2007—2010 年間地下水體積變化，并驗(yàn)證了廊坊地區(qū)地表沉降與地下水的過度開采有關(guān)；李海君[11]等利用PS-InSAR技術(shù)對廊坊北部地區(qū)的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測研究，并討論分析了廊坊地區(qū)地表沉降與季節(jié)性的關(guān)系；周呂[12]等采用MTInSAR技術(shù)研究廊坊市地表沉降信息，并驗(yàn)證其時(shí)空分布特征。

本文以廊坊地區(qū)19 景哨兵1A（Sentinel-1A）影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用SBAS-InSAR 技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。獲得了2015 年9 月至2017 年6 月時(shí)間段內(nèi)的地表沉降形變速度和累計(jì)形變量，并且對廊坊地區(qū)地表沉降的演變特征進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

廊坊市位于華北平原中部，是我國重點(diǎn)開展地表沉降調(diào)查工作的區(qū)域之一。廊坊地區(qū)可利用地表水資源較少，城市生產(chǎn)生活用水完全依賴地下水開采。地下水持續(xù)過度開采，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，地表沉降也比較嚴(yán)重，已經(jīng)形成了多個(gè)地表沉降形變漏斗，嚴(yán)重影響城市化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文以廊坊地區(qū)為研究范圍，選擇覆蓋廊坊地區(qū)的19 景升軌模式下Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)（均為VH 極化方式），時(shí)間跨度為2015 年9 月～2017 年6月。數(shù)據(jù)空間分辨率為5 m×20 m（方位向×距離向），覆蓋范圍為20 km×25 km（見圖1）。為了提高配準(zhǔn)和基線估算的精度[13]，使用由歐洲航空局提供的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)（POD）。此外，數(shù)據(jù)處理中使用的DEM數(shù)據(jù)是美國國家航空局（NASA）提供的分辨率為90 m的SRTM DEM。

圖1 研究區(qū)Sentinel-1A影像覆蓋范圍

2 SBAS-InSAR技術(shù)原理

SBAS-InSAR 技術(shù)是由Beradino P 和Lanari 等人提出的一種時(shí)間序列分析方法[14]。在傳統(tǒng)D-In-SAR 的基礎(chǔ)上，SBAS-InSAR 技術(shù)將所有可用小基線干涉圖進(jìn)行簡單和有效地合成，使用奇異值分解（SVD）方法獲得相干目標(biāo)的形變速度及其時(shí)間序列。該技術(shù)具備兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①利用差分小基線集中包含所有獲得的數(shù)據(jù)來提高時(shí)間采樣率；②提供高空間密度的形變測量。SBAS-InSAR技術(shù)具體處理流程如下[15]：

（1）將獲取的相同區(qū)域N+1 景SAR 影像按照t0,···,tN時(shí)間順序進(jìn)行排列，并選擇一景作為主影像，將剩余的SAR影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)。生成M幅多視差分干涉圖。

（3）為了獲取地表沉降時(shí)間序列的物理含義，將式（2）中相位表示為在兩個(gè)獲取時(shí)間內(nèi)的平均速度和獲取時(shí)間的乘積：

即在主影像、輔影像之間的每個(gè)時(shí)間間隔上速度的積分。寫成矩陣形式為：

式（5）B是一個(gè)M×N矩陣。由于小基線集差分干涉圖采用多主影像策略，使得矩陣B容易出現(xiàn)秩虧。使用SVD方法就可以得到矩陣B的廣義矩陣，從而計(jì)算得到各個(gè)速度向量的最小范數(shù)解，最后通過對每個(gè)時(shí)間段積分得到各時(shí)間段的形變量。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

SBAS-InSAR 技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。主要利用SARscape 數(shù)據(jù)處理軟件和19 景Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)對廊坊地區(qū)2015—2017 年地表沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，主要處理流程為[16]：

圖2 SBAS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于原始數(shù)據(jù)量大，處理起來比較困難，因此對19 景原始Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并裁剪得到研究區(qū)。

（2）生成連接像對。將2016 年5 月13 日影像設(shè)定為主影像，其余的影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)過程中選取時(shí)間基線閾值為400 d，臨界基線最大百分比為45%，結(jié)果生成137 對小基線差分干涉圖集，其時(shí)空基線連接圖如圖3所示。

圖3 時(shí)空基線分布

（3）干涉和相位解纏。137 對干涉圖的處理主要包括干涉圖的生成，干涉圖的去平、濾波和相位解纏以及相干性計(jì)算，所有剩余影像對都要配準(zhǔn)到主影像上。

（4）軌道精煉和重去平。此過程主要是用于估算和去除不符合要求的殘余恒定相位以及解纏后還存在的坡道相位。

（5）時(shí)間序列結(jié)果的生成。為了得到研究時(shí)間段內(nèi)的形變速度，本文采用奇異值分解法來求解纏后的相位信息。最后，通過地理編碼得到研究時(shí)段內(nèi)在視線方向（LOS）形變量（負(fù)值表示沉降量，正值表示抬升量）。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 研究區(qū)沉降速度分析

廊坊市2015—2017 年平均沉降速度見圖4。由圖4可以看出，廊坊市2015—2017年地表沉降時(shí)空演變特征情況：研究范圍內(nèi)的大部分研究區(qū)域地表沉降形變速度在-17.9 mm/a～8.5 mm/a 范圍之間（正值表示上升，負(fù)值表示下降），其中沉降比較明顯的區(qū)域位于廣陽區(qū)的南尖塔鎮(zhèn)。廊坊市研究區(qū)有明顯的不均勻沉降情況出現(xiàn)，沉降中心主要在廊坊市中心、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和永清縣，而其他周邊區(qū)域沉降相對較小且穩(wěn)定。

圖4 廊坊市2015—2017年地表沉降形變速度

廊坊地區(qū)中心城區(qū)的沉降較為嚴(yán)重，年均沉降速度為-60.4 mm/a，最大累積沉降量達(dá)到-107.6 mm，沉降中心有向四周擴(kuò)散的趨勢，該地區(qū)居民生活較為集中，生產(chǎn)生活用水較大，地下水的過度開采和城鎮(zhèn)化建設(shè)等因素導(dǎo)致南尖塔鎮(zhèn)出現(xiàn)了明顯的不均勻沉降，且有明顯的沉降漏斗。經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)年平均沉降速度最大達(dá)到-39.2 mm/a，最大累積沉降量達(dá)到-93.5 mm。1992 年6 月，廊坊市建成了集機(jī)械制造、新型建材、電子電器、玻璃制品、化工等大型工業(yè)和制造業(yè)為一體的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。資源工業(yè)和建筑設(shè)施的建設(shè)、地下水的過度開采和施工負(fù)荷的增加是導(dǎo)致該地區(qū)地表沉降的主要原因。廣陽區(qū)北部和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)東部的地表沉降相對穩(wěn)定，大部分地區(qū)年平均沉降度在-17.9 ～8.5 mm/a 范圍內(nèi)，這些地區(qū)主要分布在郊區(qū)，受人類活動(dòng)影響較小。永清縣是我國新興工業(yè)縣，北方最大的天然氣工業(yè)區(qū)就建立在該地區(qū)，這個(gè)地區(qū)有一個(gè)明顯的沉降漏斗。大部分地區(qū)年平均沉降速度為-44.5 ～-23.3 mm/a，最大累積沉降量為-66.7 mm。該地區(qū)地表沉降的主要原因與城市化建設(shè)和工業(yè)發(fā)展有關(guān)。

3.2.2 研究區(qū)地表沉降時(shí)空變化分析

利用時(shí)間序列特征點(diǎn)對廊坊地區(qū)地表沉降進(jìn)行分析，可以直接反映各個(gè)特征點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域地表沉降隨時(shí)間變化的趨勢。選取3處不同沉降區(qū)的9個(gè)特征點(diǎn)（見圖5）進(jìn)行時(shí)間序列分析，并對9 個(gè)特征點(diǎn)的沉降時(shí)間序列進(jìn)行對比分析。結(jié)果如下：廊坊地區(qū)不均勻地表沉降較為明顯，郊區(qū)的地表沉降相對穩(wěn)定。廣陽區(qū)南尖塔鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)有明顯的沉降漏斗，兩地的最大累積沉降量分別達(dá)到-107.6 mm 和-93.5 mm。永清縣和永清縣開發(fā)區(qū)沉降相對平緩，最大累積沉降量為-66.7 mm。基于SBAS-InSAR 技術(shù)獲取的9 個(gè)特征點(diǎn)的沉降時(shí)間序列均呈非線性下降。

圖5 特征點(diǎn)地理位置分布

研究區(qū)沉降漏斗分布見圖6。

圖6 研究區(qū)沉降漏斗分布

（1）1～3 號特征點(diǎn)位于南尖塔鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)附近，沉降最為嚴(yán)重，累積沉降量見圖7。由圖7可以看出南尖塔鎮(zhèn)沉降較為明顯，出現(xiàn)明顯的沉降漏斗，特征點(diǎn)累積沉降量逐年增加。研究期間，該地區(qū)的最大累積沉降量達(dá)到-107.6 mm。沉降的主要原因是工業(yè)發(fā)展和地下水的過度開采。

圖7 1～3號特征點(diǎn)累積沉降量

（2）4～6 號特征點(diǎn)在京臺高速沿線附近，累積沉降量見圖8。由圖8 可以看出，沉降漏斗區(qū)域的累積沉降量隨時(shí)間推移逐漸增加。2016 年6 月以來，永清縣城鎮(zhèn)化建設(shè)明顯加快，增加了該地區(qū)地下水資源的開采。城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展迅速，累積沉降量也隨著時(shí)間推移逐漸增加。

圖8 4～6號特征點(diǎn)累積沉降量

（3）7～9 號特征點(diǎn)位于永清縣沉降區(qū)，累積沉降量見圖9。由圖9 可以看出，永清縣的沉降情況與南尖塔鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)沉降相比較為平緩，最大累積沉降量為-66.7 mm。2016 年6 月以來，為響應(yīng)京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略，永清縣重點(diǎn)推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城鎮(zhèn)化和生活用水均來自地下水，地下水的過度開采和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展是該地區(qū)地表沉降的主要原因。

圖9 7～9號特征點(diǎn)累積沉降量

4 結(jié)語

本文利用SBAS-InSAR 技術(shù)，對廊坊地區(qū)19 景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，獲得了廊坊地區(qū)2015—2017 年的地表沉降時(shí)空特征。主要結(jié)論如下：2015—2017年廊坊市出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，該地區(qū)有4 個(gè)明顯的沉降區(qū)，分別為南尖塔鎮(zhèn)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、永清開發(fā)區(qū)和永清縣。其中，南尖塔鎮(zhèn)沉降最為嚴(yán)重，沉降漏斗明顯，年平均沉降速度最高達(dá)到-60.4 mm/a，有向周圍擴(kuò)散的趨勢；另外，研究區(qū)內(nèi)還發(fā)現(xiàn)3個(gè)沉降明顯的地區(qū)，即經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)周邊地區(qū)（-39.2～-12.7 mm/a）、京臺高速沿線附近的大面積地區(qū)（-39.2～-23.3 mm/a）和永清縣地區(qū)（-39.2～-28.6 mm/a）；地表沉降漏斗與該地區(qū)工業(yè)區(qū)的地理位置和城市化建設(shè)具有較高的空間相關(guān)性。

地下水的過度開采和城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快是廊坊地區(qū)地表沉降的主要因素，也是導(dǎo)致廊坊地區(qū)地表沉降范圍和幅度增大的主要原因。廊坊地區(qū)有關(guān)部門不僅要制定限制地下水開采的相關(guān)規(guī)章制度，還要結(jié)合廊坊地區(qū)城市發(fā)展的特點(diǎn)，借鑒周邊其他城市（如天津，北京等）控制地表沉降的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，力爭盡快控制地表沉降的持續(xù)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)廊坊市的可持續(xù)發(fā)展。