利用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測昆明市地表沉降

謝文斌，左小清，隋廣巖，陸兆峰，周凱

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.浙江省測繪大隊，浙江 杭州 430074；3.黑龍江第二測繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150081)

1 引 言

地面沉降又稱地面下陷，它是由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的工程地質(zhì)現(xiàn)象。截至2011年12月，全國19個省份中超過50余個城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，長江三角洲、華北平原和汾渭盆地已經(jīng)成為重災(zāi)區(qū)，累積沉降量超過 200 mm的總面積超過7.9萬平方千米。目前，地面沉降已經(jīng)成為嚴(yán)重制約城市發(fā)展的地質(zhì)災(zāi)害之一。

昆明市的地面沉降是到目前為止所發(fā)現(xiàn)的中國大陸西部高原地區(qū)唯一一例沉降現(xiàn)象[1]。

昆明市區(qū)坐落在昆明晚新生代斷陷盆地北段、滇池的北岸及東北岸，已形成面積約 300 km2的地面沉降區(qū)域[2]。因此，有效的監(jiān)測地面沉降，分析沉降機(jī)理和特征對現(xiàn)階段昆明城區(qū)地表沉降的預(yù)防和治理尤為重要。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測主要基于精密水準(zhǔn)測量和GPS測量，但是成本較高、覆蓋范圍較小。近年來InSAR憑著全天候、大范圍、高空間分辨率和高精度(厘米至毫米級)等優(yōu)勢，迅速在城市地面沉降方面得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了巨大的應(yīng)用潛力和不可替代的價值[3]。

目前，國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)開展過對北京[4～6]、西安[7～9]、天津[10，11]、滄州[12]、京津冀[13]等地的地表沉降InSAR監(jiān)測，但是監(jiān)測區(qū)域多集中在華北平原、長江三角洲等平原地帶，而對西部高原城市的沉降監(jiān)測較少。本文將基于短基線集InSAR技術(shù)，并利用所獲取的Sentenl1-A影像數(shù)據(jù)來監(jiān)測昆明的地表沉降情況，并探討該區(qū)域的沉降特征及不同時期的沉降演變規(guī)律，以期為該市沉降治理提供依據(jù)。

2 SBAS-InSAR技術(shù)原理

SBAS-InSAR技術(shù)是由Berardino和Lanari等研究人員提出的一種和PS-InSAR技術(shù)采用不同策略的時間序列分析方法[14，15]，此方法對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理整合來得到一系列差分干涉圖，這些干涉圖能夠較好地克服空間去相關(guān)現(xiàn)象。其次，短基線InSAR技術(shù)具有兩個顯著的優(yōu)點，即：①通過使用所獲取的包含在差分短基線集里的數(shù)據(jù)增加了時間采樣率；②提供了高空間密度的形變量測[16]。短基線集InSAR技術(shù)的具體處理流程如下[17]：

在t1至tM時間段內(nèi)獲取同一區(qū)域的M景SAR影像，選取其中一景為公共主影像，然后根據(jù)干涉組合原則，生成N景干涉圖，其中滿足：

(1)

由主影像A和從影像B所生成的第i(i=1，2，…，N)景干涉圖，其在點(x，r)處所產(chǎn)生的干涉相位可表示為：

△φi(x，r)=φA(x，r)-φB(x，r)

(2)

(3)

式(3)中，λ表示雷達(dá)信號中心波長；R為斜距；B⊥為垂直基線；△z為DEM高程差；θ為入射角。

為了得到最終沉降序列，假設(shè)不同干涉圖之間的形變速率為vi，i-1，則tB至tA間的累積形變可以表示為：

(4)

對N景干涉圖進(jìn)行三維時空相位解纏便可以求出不同SAR影像獲取時間的形變速率。

3 研究區(qū)域數(shù)據(jù)處理

3.1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域為昆明市主城區(qū)，昆明位于我國西南云貴高原中部，南瀕滇池，三面環(huán)山。昆明位于東經(jīng)102°10′～103°40′，北緯24°23′～26°22′，市中心位于北緯25°02′11″，東經(jīng)102°42′31″。昆明總體地勢大致為北高南低，由北向南呈階梯狀逐漸降低，東西兩側(cè)較低，以湖盆巖溶高原地貌形態(tài)為主。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文實驗數(shù)據(jù)時間跨度為2015年11月19日～2017年2月17日共19景Sentinel1-A同極化影像(均為VV極化方式)，影像入射角為39.07，方位向為2.329，距離向為13.948，各影像具體成像參數(shù)如表1所示。由于初始影像數(shù)據(jù)量較大，處理工作量較大，本文需提前對影像做裁剪處理，裁剪后的研究區(qū)覆蓋范圍約為 33 km×27 km。其次，研究過程中所采用的DEM數(shù)據(jù)來自美國NASA所提供的SRTM V4 DEM，分辨率為 90 m。

Sentenl1-A數(shù)據(jù)成像參數(shù) 表1

3.3 數(shù)據(jù)處理

本次主要基于SARscape軟件和19景S1-A數(shù)據(jù)來監(jiān)測昆明地表沉降，其具體數(shù)據(jù)處理流程為：

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：把19景原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，轉(zhuǎn)換成單視復(fù)數(shù)影像(SLC)，并利用矢量文件在SAR坐標(biāo)系下裁剪出研究區(qū)域。

(2)連接像對的生成：選取2016年3月18日的數(shù)據(jù)為主影像，為避免空間失相干，設(shè)置最大臨界基線為2%，最終生成63個像對，其像對空間基線連接圖如圖1所示。

圖1 像對空間基線連接圖

(3)干涉處理和相位解纏：把63個像對進(jìn)行干涉處理，包括干涉圖生成、干涉圖去平、干涉圖濾波、相干性計算以及相位解纏，生成解纏后的相位圖。其中，由于研究區(qū)域內(nèi)有大面積水體，所以本文采用Delaunay MCF方法進(jìn)行相位解纏，以避免相位突變現(xiàn)象，最后把所有數(shù)據(jù)對都配準(zhǔn)到主影像上，為后續(xù)處理做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

(4)軌道精煉和重去平：此處主要用于去除殘余相位、解纏結(jié)果中的坡道相位，其中軌道控制點(GCP)的選擇至關(guān)重要，包括：①所選控制點周圍無殘余地形條紋；②選擇控制點時要遠(yuǎn)離形變區(qū)域。本文共選擇了50個控制點。

(5)控制點優(yōu)化：加載生成的控制點矢量文件，然后在屬性表中統(tǒng)計出50個控制點的相對誤差，并把相位誤差大于2.0的GCP刪除。

(6)SBAS一次反演：該步驟第一次估算出位移速率、殘余地形，并對合成的干涉圖去平，進(jìn)行二次解纏，以便生成更優(yōu)的結(jié)果。

(7)SBAS二次反演：該步驟核心是計算時間序列位移，在上步基礎(chǔ)上進(jìn)行空間低通濾波、時間高通濾波，以去除大氣相位，得到最終的時間序列位移值。

(8)地理編碼：把SAR坐標(biāo)系下的形變結(jié)果轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，最后得到視線方向上(LOS)的形變量。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 地表形變場分布特征

通過數(shù)據(jù)處理，如圖2所示，獲得了2015年11月至2017年2月間昆明市區(qū)地表年均形變速率圖。通過對圖2分析可知，昆明地表沉降在空間上呈不均勻分布。在昆明北部和西北部的丘陵地區(qū)以及滇池西側(cè)的西山一帶，地層都呈隆起趨勢。昆明地表沉降區(qū)主要分布在滇池東部、昆明中部以及滇池東北部，逐步形成以下幾大沉降區(qū)：①小板橋-廣衛(wèi)村，傳統(tǒng)沉降區(qū)，該沉降區(qū)呈橢圓形、年均沉降速率約為 -31.1 mm/yr～-16.0 mm/yr；②金家村-小河咀-滇池會展中心，新生沉降區(qū)，該區(qū)呈帶狀分布，其年均沉降速率約為 -37.6 mm/yr～-15 mm/yr；③福海-河尾村-漁戶村，傳統(tǒng)沉降區(qū)，該區(qū)呈帶狀分布，年平均沉降速率約為 -17.76 mm/yr～-3.97 mm/yr。另外還存在一些點狀、斑狀的沉降區(qū)：①大塘子，傳統(tǒng)沉降漏斗，其最大年均沉降速率約為 -15.36mm/yr；②小漁村沉降漏斗，其最大年均沉降速率約為 -23.3 mm/yr；③棕樹營沉降漏斗，最大累積沉降量約為 -15.09 mm，年均沉降量約為 0 mm/yr～-10.43 mm/yr。

地表的長期沉降不利于昆明市區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和發(fā)展。為了分析昆明各沉降區(qū)隨時間的形變規(guī)律，本文提取了上述各沉降區(qū)的時序累積沉降圖，如圖3所示。在圖3所示的沉降區(qū)中，金家村-小河咀片區(qū)沉降最為嚴(yán)重，呈線性變化，其最大累積沉降量約為 -66.5 mm。滇池會展中心片區(qū)在2015年12月～2016年9月，其累積沉降加??；但是在2016年9月～2017年2月間該片區(qū)沉降趨勢減緩，在 -45 mm上下波動。小板橋-廣衛(wèi)村與福海村-河尾村兩沉降區(qū)變化趨勢基本一致，在2016年6月之前，沉降趨于平緩，8月至12月沉降加劇，但在2016年12月之后沉降又趨于平緩，累積沉降量穩(wěn)定在 -40 mm左右。漁戶村沉降趨勢最為平緩，其累積沉降量約為-17 mm～-25 mm。

圖2 昆明市區(qū)InSAR時間序列年平均形變速率

圖3 昆明市區(qū)典型沉降帶累積形變序列

4.2 剖面線分析

為了進(jìn)一步研究主要沉降帶的垂直空間特征，本文提取了三大典型沉降區(qū)的剖線AA′、BB′、CC′，具體情況見圖4(a～c)、圖5(a～c)。

圖4 昆明市區(qū)三大沉降區(qū)域示意圖

在圖5(a)中，小板橋-廣衛(wèi)村(AA′)沉降區(qū)已形成一個“V”字型漏斗，其最大沉降量約為 -45 mm，漏斗寬度約為 3 km，片區(qū)沉降區(qū)面積約為 7.07 km2。在圖5(b)中，金家村-小河咀-滇池會展中心(BB′)沉降帶以小河咀為中心形成一個“W”型的沉降區(qū)，未完全形成沉降凹槽，三沉降漏斗之間還存在沉降脊。其次，該沉降區(qū)跨度約為 2.5 km，最大沉降量為 -55 mm，在小河咀和滇池會展中心已經(jīng)形成雙沉降漏斗，跨度約為 1 km，并有中度沉降發(fā)育的趨勢。在圖5(c)中，福海-漁戶村(CC′)沉降片區(qū)跨度約為 3 km，最大沉降量為 35 mm，單個沉降漏斗呈“喇叭”狀分布、漏斗口徑跨度小，但具有沉降軟發(fā)育趨勢。

圖5昆明市區(qū)典型區(qū)域沉降剖線圖

4.3 監(jiān)測結(jié)果驗證分析

由于本次研究缺乏昆明市區(qū)同期的水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)，無法精確評價本次實驗精度，本文將此次SBAS-InSAR監(jiān)測結(jié)果與其他學(xué)者所得結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在形變場空間分布、沉降趨勢等基本一致[18～21]，具體結(jié)果如表2、圖6所示。

從表2中可知，在1987年～1998年間，昆明市沉降速率明顯上升，尤其在小板橋、廣衛(wèi)村、河尾村三個富含水層地區(qū)，最大沉降速率達(dá) 30.1 mm/a，主要由于市區(qū)內(nèi)過度開采地下水所致。從2007年～2017年，上述三個地沉降趨勢減緩，沉降速率約為 -20.6 mm/a～ -22.6 mm/a。大塘子雖在1998年～2010年間沉降迅速加快，但2010年之后，該地沉降明顯減緩，為 16.6 mm/a。漁戶村在過去30年，沉降速率減小到目前 -3.9 mm/a?？偟膩碚f，昆明傳統(tǒng)沉降區(qū)域沉降速率已經(jīng)減緩或者趨于平緩，這說明近年來控制過度開采地下水的措施有效，但是在金家村-小河咀-滇池會展中心一帶出現(xiàn)了新的沉降區(qū)，該區(qū)域主要由于近年來大力開發(fā)旅游區(qū)、建設(shè)加快所致。另外，通過和前人監(jiān)測結(jié)果對比的一致性，也說明了InSAR技術(shù)監(jiān)測城市地表沉降的可行性。

昆明市區(qū)各時段地表沉降速率(mm/a) 表2

注：1987～1998年沉降觀測數(shù)據(jù)，來源于文獻(xiàn)[18]；2007～2010年沉降數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[19]。表中金-小片區(qū)(金家村-小河咀片區(qū))、滇會中心(滇池會展中心)，其中，*表示無觀測數(shù)據(jù)。

圖6 傳統(tǒng)沉降中心在不同時期年均沉降速率

5 結(jié) 論

本文利用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測了昆明市地表形變場，并得出以下結(jié)論：①傳統(tǒng)沉降中心，如：小板橋、廣衛(wèi)村、河尾村、漁戶村等區(qū)域沉降速率已減緩；②在金家村-小河咀-滇池會展中心一帶形成了新的沉降帶，并且具有沉降中度發(fā)育的趨勢，目前該地最大沉降速率已達(dá) -37.6 mm/a；③在昆明北部丘陵地區(qū)、西山一帶，地層存在隆起之勢。

綜合考慮昆明市的沉降因素，主要由于人為過度開采地下水，其次是城市建設(shè)荷載過大。昆明沉降區(qū)主要分布于滇池東部和東北部，嚴(yán)重制約了城市發(fā)展進(jìn)程，昆明市相關(guān)職能部門應(yīng)該加強(qiáng)對該區(qū)域的實時監(jiān)測并制定相關(guān)措施。

致謝：感謝歐空局和美國NASA提供的實驗數(shù)據(jù)，同時也特別感謝徐恩惠、王艷梅等老師在數(shù)據(jù)處理過程中給予的指導(dǎo)和幫助。