歐陽(yáng)雙艷 周世健 周子琪

(1. 東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2. 南昌航空大學(xué), 江西 南昌 330063;)

0 引言

近幾年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,城市在不斷擴(kuò)張,人口數(shù)量增加、高層建筑物拔地而起、地鐵隧道等地下大型工程建設(shè)的如火如荼,同時(shí)也伴隨著地表荷載過(guò)重以及地下水的過(guò)度開(kāi)采從而引起了地基形變、地面下沉等危害。城市的地面變形通常由自然方面地質(zhì)因素以及外在方面人為因素,致使地下松散巖層壓縮所引起的地殼表面高程降低的無(wú)法逆緩的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1-2]。目前我國(guó)部分城市地表已經(jīng)出現(xiàn)了程度不一的形變,地表形變已經(jīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生不利影響并且限制了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期發(fā)展。針對(duì)地表形變,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是水準(zhǔn)測(cè)量、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)測(cè)量和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)技術(shù)。這些方法能夠很夠很好的監(jiān)測(cè)某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的形變并且監(jiān)測(cè)精度高。但這些方法仍含有一些問(wèn)題,監(jiān)測(cè)密度低、經(jīng)濟(jì)消耗高,不能提供大范圍的微小形變信息等。而對(duì)于研究區(qū)域大、形變慢、時(shí)間跨度長(zhǎng)的形變地區(qū),合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(in-terferometric synthetic aperture radar,InSAR)可以提供更好的監(jiān)測(cè)效果。InSAR技術(shù)具備全天時(shí)、全天候、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)大范圍內(nèi)正在發(fā)生的微小形變和地質(zhì)災(zāi)害[3]。1988年GRABRIEL等人[4]首次通過(guò)差分干涉測(cè)量(differential InSAR,D-InSAR)監(jiān)測(cè)到地表微小形變。1999年 FERRETTI等人[5]提出永久散射體雷達(dá)干涉技術(shù)(persistent scatterer-interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR)技術(shù),相較于D-InSAR有效解決時(shí)空失相關(guān)及大氣誤差問(wèn)題,可獲得地面時(shí)序形變量并提升了監(jiān)測(cè)精度。PS-InSAR技術(shù)早已普遍運(yùn)用在礦區(qū)、地震災(zāi)區(qū)、城市等多種場(chǎng)景的地表形變研究工作中并取得顯著成果。王新田等人[6]采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)聊城東部市區(qū)沉降空間分布特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)并結(jié)合歷史影像資料探討原因。劉昱彤[7]運(yùn)用PS-InSAR方法反演出河北省曹妃甸區(qū)2018—2019年的形變速率和沉降結(jié)果,并解析了重點(diǎn)沉降區(qū)的時(shí)序形變特征。張劍等人[1]利用時(shí)序InSAR對(duì)蘭州市中心城區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),并對(duì)城區(qū)內(nèi)軌道交通進(jìn)行緩沖區(qū)分析監(jiān)測(cè)其沉降時(shí)空規(guī)律。盧旺達(dá)等人[8]采用天津地區(qū)24景哨兵影像進(jìn)行PS-InSAR處理,結(jié)合水文地質(zhì)等資料剖析了沉降原因,并與小基線集處理得到的結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)此方法的準(zhǔn)確性。

無(wú)錫是江蘇省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的城市,同樣也面臨地面形變?yōu)暮Φ膰?yán)重影響。自20世紀(jì)50年代末到80年代無(wú)錫市沉降區(qū)域就一直在不斷增大,沉降量一度達(dá)到800 mm[9]。尹建華[10]通過(guò)地質(zhì)學(xué)角度對(duì)無(wú)錫沉降機(jī)理進(jìn)行研究,第Π承壓含水層因長(zhǎng)期地下水的抽取導(dǎo)致含水率不斷下降,并根據(jù)土層的壓縮性預(yù)測(cè)無(wú)錫仍具有較大的沉降潛力。趙佳曼等人[11]利用小基線集方法對(duì)無(wú)錫2004—2012年間地面形變情況進(jìn)行反演,最大累計(jì)沉降量超過(guò)-200 mm,并與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出地下水水位變化仍影響著地表形變。綜合分析可知利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)錫中心城區(qū)形變的文獻(xiàn)較少,且近幾年對(duì)于無(wú)錫地區(qū)地表形變的研究也尚不多見(jiàn)。因此,監(jiān)測(cè)無(wú)錫地區(qū)地表形變對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)和人民生活的安全具有重大意義。本文通過(guò)PS-InSAR技術(shù),利用哨兵1A號(hào)(Sentinel-1A)衛(wèi)星得到無(wú)錫市多時(shí)序高分辨率圖像，對(duì)無(wú)錫市中心城區(qū)2018—2021年地表形變情況以及形變嚴(yán)重區(qū)時(shí)序形變特征進(jìn)行研究分析,為掌握無(wú)錫市地表形變特征提供依據(jù),為城市建設(shè)規(guī)劃以及防災(zāi)減災(zāi)給予參考。

1 研究方法

哨兵1號(hào)(Sentinel-1)是2014年由歐洲航天局(European space agency,ESA)發(fā)射的一顆地球探測(cè)衛(wèi)星,因其具有全天候成像、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔短,能夠探測(cè)到亞毫米級(jí)地層運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而廣泛運(yùn)用在地表形變監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中。基于以上背景,本文將Sentinel-1衛(wèi)星2018—2020年采集的單視復(fù)數(shù)影像(single look complex,SLC)數(shù)據(jù)預(yù)處理,對(duì)無(wú)錫市中心城區(qū)開(kāi)展地形提取以及地表形變監(jiān)測(cè)研究,探討運(yùn)用PS-InSAR方法進(jìn)行地表形變反演,分析形變特征及影響因素,為研究區(qū)開(kāi)展工作提供有利資料參考。

PS-InSAR技術(shù)通過(guò)選取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)N+1景合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)影像中的一景當(dāng)作主影像,其余作從影像生成N幅差分干涉圖。其中主影像選取規(guī)則需要遵循獲取時(shí)間和所有影像獲取時(shí)間作差的絕對(duì)值要最小、空間基線最小以及多普勒質(zhì)心頻率最小的原則,從而可使選取的主從影像相干性更好[12-14]。然后采用將頻譜相干系數(shù)法與振幅離差閾值法進(jìn)行結(jié)合的方式選取高相干性永久散射體 (persistent scatterer,PS)點(diǎn);利用Delaunay三角網(wǎng)格建立連接關(guān)系,再通過(guò)加權(quán)最小二乘的方法進(jìn)行相位解纏,并在估計(jì)線性形變相位和數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)誤差之后運(yùn)用時(shí)間域與空間域?yàn)V波的方式將非線性形變相位以及大氣相位分離出來(lái)[15];最終將選擇得到的PS點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析,從而獲得形變量與形變速率。PS-InSAR技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術(shù)路線

PS-InSAR影像處理第K張差分干涉圖中解纏之后PS點(diǎn)相位表達(dá)式為

(1)

式中,φdef為形變相位;φatm為大氣延遲相位;φnoise為噪聲相位;φtopo-error為參考DEM引起的殘余地形相位;φf(shuō)la-error為參考橢球面相位。

2 研究區(qū)概況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

無(wú)錫市位于蘇錫常沉降帶,本文選取的研究區(qū)為無(wú)錫市中心主城區(qū),主要包括梁溪區(qū)、錫山區(qū)、濱湖區(qū)、新吳區(qū)以及惠山區(qū),不包含江陰市和宜興市。無(wú)錫古稱為梁溪,其簡(jiǎn)稱是錫。無(wú)錫市坐落于江蘇省東南方向,其地理坐標(biāo)范圍為31°07′ N～32°2′ N,119°33′ E～120°38′ E。東部與蘇州為鄰,南面瀕接太湖,與浙江省交界,西面毗鄰常州,北依長(zhǎng)江,與泰州市所轄的靖江市隔江相望。向西與南京距離170 km,向東與上海相距110 km。無(wú)錫市中心城區(qū)包括三條地鐵線,兩條鐵路線。無(wú)錫地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,為黏性土層和砂土層交替變化組成的第四紀(jì)松散地層,含有淺層承壓水和深層承壓水,深層承壓水是地下水抽取時(shí)的主要抽取層。在20世紀(jì)60年代以來(lái),無(wú)錫迅速發(fā)展,人口數(shù)量快速上升,工農(nóng)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)張使得用水需求增長(zhǎng),從而大量開(kāi)采地下水因而產(chǎn)生不均勻性差異沉降。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為從歐空局下載的覆蓋無(wú)錫市中心城區(qū)的25景C波段Sentinel-1A升軌影像。時(shí)間范圍從2018年10月25日開(kāi)始至2020年10月26日結(jié)束,在每個(gè)月選取一景。具體SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。另外,為了進(jìn)一步將影像軌道精度提高,實(shí)驗(yàn)中使用歐空局提供的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)對(duì)軌道誤差進(jìn)行修正;并采用Sentinel-1數(shù)據(jù),去除地形起伏影響。

表1 SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 Sentinel-1A數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取包含無(wú)錫市中心城區(qū)范圍的Sentinel-1A影像,基于PS-InSAR技術(shù)對(duì)時(shí)間區(qū)間位于2018年10月25日至2020年10月26日的共計(jì)25景數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析研究區(qū)地面形變情況。通過(guò)計(jì)算像對(duì)時(shí)空基線,選取時(shí)空基線居中的2019年10月20日的SAR數(shù)據(jù)作為公共主影像,然后將其余24景影像當(dāng)作從影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)和差分干涉處理,共產(chǎn)生24個(gè)干涉對(duì),其中空間基線范圍為-112～96 m,最大值大小約為112 m,最小值約為4 m,這些基線的平均基線長(zhǎng)度為43 m,空間基線的分布情況如圖2所示。

圖2 時(shí)空基線分布圖

3.2 研究區(qū)總體地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析PS點(diǎn)分布疏密情況,把振幅離差閾值設(shè)定為0.6。共提取到1 291 117個(gè)有效PS點(diǎn)。通過(guò)ArcGIS空間分析工具,設(shè)置合適的色帶代表不同的線性形變速率,圖3展現(xiàn)出2018年10月至2020年10月無(wú)錫市中心城區(qū)PS點(diǎn)形變速率,A、B、C區(qū)為三處形變量較大區(qū)域。分析PS點(diǎn)分布狀態(tài)可看出,研究區(qū)內(nèi)PS點(diǎn)在樓房密集處提取結(jié)果較好,在郊區(qū)點(diǎn)比較稀疏,整體分布均衡。但是有部分小塊區(qū)域以及濱湖區(qū)一大塊區(qū)域中PS點(diǎn)分布極少甚至沒(méi)有,這是因?yàn)檫@些區(qū)域被植被覆蓋或?yàn)樗?例如濱湖區(qū)有1/2面積為太湖水域;因而在此范圍內(nèi)對(duì)雷達(dá)波的后向散射能力弱,從而引起失相干[16]。而水域區(qū)域上零星分布的PS點(diǎn)是影像拍攝時(shí)期有船舶經(jīng)過(guò)造成的;并且采用的Sentinel-1A實(shí)驗(yàn)影像對(duì)于點(diǎn)狀地面物體的監(jiān)測(cè)效果可能也會(huì)產(chǎn)生一定干涉。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)形變速率圖

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,無(wú)錫市中心城區(qū)整體呈現(xiàn)出“西北部抬升,南部下沉”的特點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)時(shí)段的形變速率范圍為-14～20 mm/a,年均沉降速率最大值為-14 mm/a,最大累積形變量約112.5 mm。地表沉降區(qū)主要分布在主城區(qū)的東南方向,沉降較大的區(qū)域主要集中在濱湖區(qū)高凱路-大通路附近(A區(qū))。地表抬升區(qū)主要集中在研究區(qū)的西北部,惠山區(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁鎮(zhèn)-前洲鎮(zhèn)構(gòu)成的片狀區(qū)域(B區(qū))。其余區(qū)抬升較為分散,其中抬升形變較大的區(qū)域在梁溪區(qū)華源小區(qū)-五愛(ài)家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶(C區(qū))。而新吳區(qū)和錫山區(qū)整體趨于穩(wěn)定。

本次研究共監(jiān)測(cè)到1 291 117個(gè)有效PS點(diǎn),由無(wú)錫市中心城區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)形變速率如圖4所示,77.5%的PS點(diǎn)平均速率在-4～8 mm/a以內(nèi);形變量較小,并且研究的時(shí)間段跨度較短,因而無(wú)錫市中心城區(qū)總體形變小,比較穩(wěn)定。沉降和抬升速率較大的PS點(diǎn)個(gè)數(shù)所占比重都較小,地面抬升平均速率大于15 mm/a的PS點(diǎn)數(shù)量總計(jì)8 867個(gè),所占比重為0.68%;而沉降速率較大的PS點(diǎn)占比0.78%,沉降速率超過(guò)-10 mm/a的有10 080個(gè)。集中分布于形變范圍較大的部分。這一統(tǒng)計(jì)也從側(cè)面說(shuō)明無(wú)錫市中心城區(qū)整體趨于穩(wěn)定,只有小部分區(qū)域出現(xiàn)抬升或沉降現(xiàn)象[17]。

圖4 研究區(qū)域PS點(diǎn)形變速率直方圖

3.3 重點(diǎn)區(qū)域形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

將無(wú)錫市中心城區(qū)整體監(jiān)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)水文資料以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查情況相結(jié)合,對(duì)地表形變嚴(yán)重的幾處區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析。

濱湖區(qū)存在一處明顯的沉降區(qū),在高凱路-大通路附近。圖3中A區(qū)域?yàn)閲?yán)重沉降區(qū)?？梢钥闯龃颂幮巫兯俾瘦^大。在2018—2020年監(jiān)測(cè)期間該區(qū)域沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,最大累積沉降量為-64 mm。選取高凱路-大通路沉降最大區(qū)域內(nèi)均勻分布的5個(gè)PS采樣點(diǎn)分析其時(shí)序沉降量,如圖5所示5個(gè)特征點(diǎn)的沉降趨勢(shì)基本一致。該區(qū)域一直處在持續(xù)下沉狀態(tài),并且沉降速率穩(wěn)定。通過(guò)進(jìn)行實(shí)地勘查高凱路附近發(fā)現(xiàn)某工廠門口地面有大面積坑洼,存在下沉現(xiàn)象。濱湖區(qū)地貌屬太湖沖積平原,為第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu),而該層為地表沉降過(guò)程中主要的變形層位[10]。該區(qū)域是工業(yè)園區(qū),主要有紡織廠、食品廠和重工業(yè)工廠等,人口眾多,用水需求較大。過(guò)度抽取地下水資源是引起該區(qū)域沉降嚴(yán)重的重要因素;其次建筑物不斷加載也增加了地面負(fù)荷導(dǎo)致沉降。

圖5 A區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

從圖3研究區(qū)域內(nèi)PS點(diǎn)沉降速率圖可以看出，無(wú)錫市梁溪區(qū)出現(xiàn)明顯的抬升區(qū)域,在華源小區(qū)-五愛(ài)家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶(B區(qū))。在2018—2020年期間該區(qū)域形變速率最高可達(dá)11.27 mm/a,最大累積形變量約為35 mm。利用PS-InSAR結(jié)果選取5個(gè)特征點(diǎn)分析得到該嚴(yán)重區(qū)域地表時(shí)序形變量(如圖6所示)。該區(qū)域于2018年10月至2019年4月期間保持穩(wěn)定狀態(tài),幾乎沒(méi)有形變,隨后出現(xiàn)波動(dòng)性上升,但在2020年5月之后抬升趨勢(shì)減緩,并逐漸趨于穩(wěn)定。通過(guò)查閱相關(guān)資料可知,該區(qū)域由環(huán)城河和古城河環(huán)繞包圍,近兩年大氣降水補(bǔ)給增加,地下水水面上升,受降雨影響從而使地表呈現(xiàn)波動(dòng)性抬升。并且在形變區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)路面因抬升導(dǎo)致的裂縫現(xiàn)象,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖6 B區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

惠山區(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁街道-前洲街道周圍構(gòu)成的片狀區(qū)域(圖3中C區(qū)域)。玉祁街道和前洲街道是著名的水鄉(xiāng)特色老鎮(zhèn),自2005年開(kāi)始貫徹落實(shí)禁止開(kāi)采地下水政策,打造水系生態(tài)小鎮(zhèn),因此該地區(qū)出現(xiàn)大范圍地面回彈現(xiàn)象。從圖7的特征點(diǎn)時(shí)序形變量圖可以看出這一片區(qū)域2019年之前有輕微的沉降,最大沉降量約為7 mm,形變速率比較緩慢。之后緩慢回升保持抬升量在18 mm左右振蕩,有逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)惠山區(qū)有許多在建工地,附近地面存在大量裂縫和墻體開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)查閱相關(guān)資料,2018年無(wú)錫政府發(fā)布玉祁-前洲街道轉(zhuǎn)型工業(yè)示范鎮(zhèn)政策,平湖新城區(qū)和高新產(chǎn)業(yè)區(qū)等聚集發(fā)展,開(kāi)始有大量開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)始進(jìn)行,包括超深基坑等地下大型工程手段實(shí)施[18],導(dǎo)致一開(kāi)始的地面沉降。可能后期由建筑施工進(jìn)行的土方工程釋放的荷載引起緩慢抬升;并隨著構(gòu)建生態(tài)防護(hù)帶政策的進(jìn)行,地下水水位回升引起地表抬升。

圖7 C區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序沉降量

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于PS-InSAR技術(shù)對(duì)無(wú)錫主城區(qū)25幅Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理獲得地表形變速率和沉降量,監(jiān)測(cè)了2018年10月至2020年10月無(wú)錫市中心城區(qū)地表形變,分析研究區(qū)的時(shí)序形變特征,獲得以下主要結(jié)論：

(1)2018年10月至2020年10月期間,無(wú)錫市中心城區(qū)整體呈現(xiàn)出“西北部抬升,南部下沉”的特點(diǎn)。主要有三處形變明顯地區(qū),濱湖區(qū)高凱路-大通路附近,惠山區(qū)的玉祁鎮(zhèn)-前洲鎮(zhèn)構(gòu)成的片狀區(qū)域,梁溪區(qū)華源小區(qū)-五愛(ài)家園-恒隆廣場(chǎng)-崇安寺一帶。在監(jiān)測(cè)時(shí)段沉降速率范圍為-14～20 mm/a,年均沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,累積形變量約105.7 mm。

(2)濱湖區(qū)出現(xiàn)一處嚴(yán)重沉降區(qū),在監(jiān)測(cè)期間該地區(qū)沉降速率最高可達(dá)-14 mm/a,最大累計(jì)沉降量為-64 mm。梁溪區(qū)重點(diǎn)抬升區(qū)最大形變速率為11.27 mm/a,最大累積形變量為20 mm,該區(qū)域在2018年10月至2019年3月份期間保持穩(wěn)定狀態(tài),幾乎沒(méi)有形變,隨后出現(xiàn)波動(dòng)性上升,但在2020年4月份之后抬升趨勢(shì)減緩,逐漸趨于平穩(wěn)?；萆絽^(qū)出現(xiàn)整體抬升,主要為玉祁街道-前洲街道周圍構(gòu)成的片狀區(qū)域。2018年之前有輕微的下沉,最大沉降量約為5 mm,形變速率比較緩慢。之后緩慢回升,保持抬升量在18 mm左右。

(3)本次研究的部分區(qū)域結(jié)果與前人監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)比形變規(guī)律大致相似。不同的是近幾年暫無(wú)關(guān)于無(wú)錫的形變研究文獻(xiàn)。本次研究利用最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)錫地面形變監(jiān)測(cè),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查與研究結(jié)果對(duì)比基本吻合。今后可收集GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。