喜文飛, 楊正榮, 趙子龍, 錢堂慧, 周定義

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,云南 昆明 650500；2.云南海鉅地理信息技術(shù)有限公司,云南 昆明 650000；3.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

1 引言

地面沉降是由于天然因素或人類工程活動(dòng)引起的地面下沉現(xiàn)象,它是一種地質(zhì)災(zāi)害[1].傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)、GPS測(cè)量技術(shù)和InSAR技術(shù)是目前應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測(cè)的主要方法.

水準(zhǔn)測(cè)量是對(duì)不同時(shí)期沉降點(diǎn)的高程值進(jìn)行測(cè)量,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得沉降結(jié)果,該方法是目前使用范圍最廣的沉降監(jiān)測(cè)手段.GPS沉降觀測(cè)是利用GPS技術(shù)獲取沉降點(diǎn)不同時(shí)期的相對(duì)高差,利用高差來(lái)監(jiān)測(cè)地面沉降,文獻(xiàn)[2]利用GPS技術(shù)進(jìn)行鄭汴新區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè),取得了較好的效果.但水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)和GPS測(cè)量技術(shù)布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都是離散數(shù)據(jù),點(diǎn)位密度低,無(wú)法監(jiān)測(cè)研究區(qū)整體的變形,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)城市高重復(fù)性、全天候的監(jiān)測(cè)需求[3-4].

InSAR技術(shù)可以全天候觀測(cè)地表,獲得的數(shù)據(jù)具有精度高且覆蓋范圍廣等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于沉降監(jiān)測(cè)[5-7].為了解決常規(guī) InSAR技術(shù)受時(shí)空去相關(guān)和大氣延遲限制的影響,研究人員提出了小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR技術(shù))[8-11].文獻(xiàn)[12]基于 SBAS-InSAR技術(shù)原理,提出了一種基于高效率、低成本的地表非線性形變時(shí)序監(jiān)測(cè)方法；另外,黃俊松等人利用 44 景 Sentinel-1A 衛(wèi)星影像,采用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)嵩明縣地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)取得了較好的效果[13].以往的研究都是利用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行較大范圍的沉降監(jiān)測(cè),小區(qū)域范圍的沉降監(jiān)測(cè)能否取得較好的效果,還有待驗(yàn)證.本文利用SBAS-InSAR技術(shù),以 Sentinel-1A 衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,提取小區(qū)域沉降形變信息,并與同期水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,檢驗(yàn)小區(qū)域范圍內(nèi)利用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的效果.

2 SBAS-InSAR技術(shù)

小基線集(SBAS-InSAR)是在差分InSAR基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,能夠降低相位噪聲和誤差[14].假定在時(shí)間t1至ts內(nèi)獲取同一地區(qū)的S幅SAR影像,利用干涉組合條件,在短基線距的條件下形成N幅干涉條紋圖,且滿足

(1)

對(duì)tA和tB(tA

(2)

(3)

對(duì)N幅干涉條紋圖進(jìn)行相位解纏可以求出形變速率.

3 研究區(qū)數(shù)據(jù)處理及分析

以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)為研究對(duì)象,校區(qū)分為東區(qū)和西區(qū)兩個(gè)部分,地勢(shì)整體較為平緩,如圖1.

圖1 云南師范大學(xué)校區(qū)

使用來(lái)自歐洲航天局(European Space Agency,ESA)2018年7月20日到2020年11月18日共計(jì)69景升軌Sentinel-1A(SLC)影像進(jìn)行處理分析,極化方式為VV極化和VH極化[16]，最大空間基線閾值和時(shí)間基線閾值為15%和90 d,生成437個(gè)干涉對(duì).時(shí)空基線分布如圖2所示,采用 Minimum Cost Flow 解纏方法和 Goldstein 濾波方法做干涉工作流[17],最終生成干涉圖(如圖3).

圖2 干涉處理時(shí)空基線分布

圖3 干涉圖(20180720-20180813)

經(jīng)過(guò)軌道精煉和去平,估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道,然后進(jìn)行兩次反演,最后對(duì)序列信息進(jìn)行地理編碼獲得研究區(qū)域LOS方向(雷達(dá)視線方向)上的形變速率[18].從圖4中可以看出整個(gè)研究區(qū)有沉降變化,為了更好地研究沉降變化,將LOS方向的沉降轉(zhuǎn)換為垂直方向的沉降,如圖5所示,垂直方向的沉降變化速率在-7.27～0.56 mm/a,在研究區(qū)域的東北角地區(qū),變形較大,變形速率在-7.27～-4.48 mm/a.

圖4 研究區(qū)LOS方向形變速率

4 SBAS-INSAR沉降監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證該利用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行小區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,分別在研究區(qū)域均勻選擇了19個(gè)沉降點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量[19],點(diǎn)位分布如圖6所示,從而得到云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)沉降情況(如表1).

圖6 沉降點(diǎn)位分布

表1 沉降值表

通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行分析，沉降值最大的是GP04、GP05、GP11、GP12這四個(gè)點(diǎn)，其他點(diǎn)沉降值較小，主要原因是點(diǎn)位埋設(shè)在硬質(zhì)路面，形變速率較小.GP04的沉降速率為-3.1 mm/a，GP05的沉降速率為-2.7 mm/a， GP11的沉降速率為-1.4 mm/a，GP12的沉降速率為-0.7 mm/a，這四個(gè)點(diǎn)的沉降速率都在-7.27～0.56 mm/a范圍之內(nèi)，最大形變點(diǎn)GP04的沉降速率接近-7.27 mm/a，但是離形變速率最大值還存在一定的誤差，主要原因是GP04號(hào)點(diǎn)雖然靠近最大變形區(qū)域，但不在最大的形變區(qū)域內(nèi).另外，利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的地面沉降速率，由于受到大氣效應(yīng)等外界因素的影響，也會(huì)存在誤差，這些因素造成了水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)測(cè)值與利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的數(shù)值存在誤差，但是，利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的小區(qū)域沉降趨勢(shì)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沉降趨勢(shì)基本吻合，因此該技術(shù)可以在小范圍內(nèi)進(jìn)行沉降趨勢(shì)監(jiān)測(cè).

5 結(jié)語(yǔ)

采用SBAS-InSAR 技術(shù)進(jìn)行小區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)研究,利用69幅升軌Sentinel-1A SAR影像進(jìn)行VV極化和VH極化處理,通過(guò)SBAS-InSAR技術(shù)獲得研究區(qū)地表垂直方向形變速率,選取若干變形點(diǎn)進(jìn)行沉降分析,通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,利用SBAS-InSAR獲取的沉降情況可以反映出實(shí)際的變形情況,該方法可以應(yīng)用于小區(qū)域沉降監(jiān)測(cè).