基于時(shí)序雷達(dá)差分干涉的上海市2009年-2010年沉降趨勢分析

鄧立峰，朱海玉

(新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊市 830000)

1 引 言

傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測方法(水準(zhǔn)測量，GPS測量等)精度高，但空間采樣率低，對整體沉降趨勢和不均勻沉降分析能力較弱，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(DInSAR)技術(shù)具有高分辨率和高時(shí)空采樣率的優(yōu)勢，能為長時(shí)間緩慢累積地表沉降監(jiān)測提供一定周期內(nèi)空間連續(xù)的沉降信息，但實(shí)際數(shù)據(jù)處理和分析過程中仍受大氣延遲等因素的制約[1]。針對此問題，21世紀(jì)初Ferretti 和Berardino等人根據(jù)地物在時(shí)間序列上的散射特性引入了時(shí)序DInSAR方法[2，3]，削弱了大氣延遲與時(shí)空失相關(guān)的影響。近年來，隨著時(shí)序DInSAR理論模型與解算方法的改進(jìn)與擴(kuò)展[4，5，6]，該技術(shù)在不同類型區(qū)域探測地表形變的精度、可靠性等方面都得到了提高。其中，Hooper等提出基于后驗(yàn)估計(jì)的PSI方法[7]充分地考慮到地物的穩(wěn)定性并有效消除干涉相位模糊度。該方法提取無先驗(yàn)信息的穩(wěn)定地物點(diǎn)后，根據(jù)后驗(yàn)估計(jì)分析了地物點(diǎn)的相位穩(wěn)定性，并利用分步三維相位解纏方法[23]提取具有較高可靠性的形變信息[8，9]，在城市沉降監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用[10，11]。

前述關(guān)于地表沉降研究中，已有諸多相關(guān)研究基于時(shí)序DInSAR方法，使用不同衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)探測了上海市沉降災(zāi)害并對整體沉降趨勢進(jìn)行了分析，探討了地鐵沿線的地表沉降特點(diǎn)。如羅等[12]利用1992年～2002年C波段的ERS 1/2 SAR影像，探討了上海虹口與楊浦區(qū)之間的沉降區(qū)域，其最大累積形變量達(dá) 18 cm；Perissin、Li等[5，13]分別通過2008年～2010年的CSK和TSX衛(wèi)星影像探討了上海市地鐵沿線的地表沉降；聶、Chen等[14，15]分別使用TSX、CSK和ENVISAT衛(wèi)星影像獲取了上海市的沉降信息，且與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，并簡要分析了上海市的沉降量級。其缺少結(jié)合地下水開采信息和沉降控制措施執(zhí)行力度的沉降時(shí)空演變的探討。

針對上述問題，本文以上海中心城區(qū)和周邊郊區(qū)為研究對象，以2009年1月～2010年6月所獲取的31幅新型高重訪率和空間分辨率COSMO-SkyMed(CSK)雷達(dá)衛(wèi)星星座影像為數(shù)據(jù)源。其中，該星座由4顆擁有X波段合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星組成，最高分辨率可達(dá) 1 m，各衛(wèi)星重訪周期為16天，星座重訪周期最快可達(dá)1天，與C波段和L波段傳感器相比對地表的短周期形變的識別能力更強(qiáng)、更敏感[16]。因此，本文選取基于后驗(yàn)估計(jì)的PSI方法識別穩(wěn)定地物點(diǎn)提取沉降信息，并與已有的PSI資料進(jìn)行比較驗(yàn)證。結(jié)合研究區(qū)域的地下水抽取強(qiáng)度和回灌政策實(shí)施的力度深入分析上海城市中心城區(qū)和城郊區(qū)域在地面沉降控制措施的影響下的沉降趨勢特點(diǎn)以及沉降成因。

2 沉降信息提取模型

該算法在差分干涉階段與常規(guī)的PSI方法相同[2～7]，使用N+1幅SAR影像以單一主影像的方式生成N個(gè)干涉對，結(jié)合精密軌道和外部數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行差分后獲得N幅形變干涉圖，本文中首先利用振幅離差指數(shù)(ADI=0.5)作為PS初選點(diǎn)的探測閾值[2]，探測的初選點(diǎn)上的干涉相位均由軌道殘差、地形誤差、形變相位、大氣延遲等失相關(guān)噪聲相位構(gòu)成，如式(1)。

φint，x，i=W{φdef，x，i+φatm，x，i+△φorb，x，i+△φh，x，i+φn，x，i}

(1)

式中φdef，x，i為形變相位；φatm，x，i為大氣延遲造成的相位誤差；△φorb，x，i為軌道誤差引起的相位誤差；△φh，x，i為與地形相關(guān)的相位誤差；φn，x，i則包含了熱噪聲與失相關(guān)噪聲等。

在式(1)的基礎(chǔ)上假設(shè)空間一定范圍內(nèi)，各初選點(diǎn)的形變具有高度的相關(guān)性[17]，根據(jù)此假設(shè)結(jié)合形變空間相關(guān)窗口，利用自適應(yīng)濾波依次求出并剔除前四項(xiàng)空間相關(guān)部分與空間非相關(guān)的入射角誤差[22]。上述過程不斷迭代且收斂后，利用殘差分量估計(jì)PS候選點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，如式(2)。

(2)

以上述標(biāo)準(zhǔn)探測出無先驗(yàn)信息的PS候選點(diǎn)后，根據(jù)ADI對候選點(diǎn)進(jìn)行分組，在不同組中根據(jù)后驗(yàn)概率估計(jì)的方式[17]，結(jié)合相關(guān)系數(shù)進(jìn)行解算。利用最小二乘方法獲取整體相位穩(wěn)定性閾值，從而提取穩(wěn)定的PS點(diǎn)，如式(3)。

(3)

利用分步三維相位解纏技術(shù)(stepwise 3-D)[18]對精化后穩(wěn)定點(diǎn)上的差分相位進(jìn)行時(shí)空相位解纏，最終獲得所有穩(wěn)定PS點(diǎn)上的解纏相位，其中分步三維相位解纏過程通過三步實(shí)現(xiàn)[18]。首先結(jié)合形變空間相關(guān)特性，將所有PS點(diǎn)按格網(wǎng)化窗口統(tǒng)計(jì)并通過Delaunay法則構(gòu)建三角網(wǎng)，獲取每個(gè)PS點(diǎn)與鄰近點(diǎn)相位差的時(shí)間序列并通過低通濾波抑制噪聲[18]；第二，在時(shí)間域依據(jù)奈奎斯特采樣定理進(jìn)行相位解纏；最后，以最小費(fèi)用流方法進(jìn)行空間二維相位解纏(具體參見文獻(xiàn)[18])，從而得到PS點(diǎn)的真實(shí)解纏相位φuw，x，i，如式(4)。

(4)

3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)選取上海建筑物密集的中心城區(qū)和耕地較多的周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域(詳情如圖1所示)。已有資料[14，19]表明，中心城區(qū)由于地下水開采與回灌、大型構(gòu)筑物工程和地下交通產(chǎn)生負(fù)荷等因素的影響，產(chǎn)生多個(gè)非均勻性沉降且沉降趨勢逐漸增加；地下水的開采量遠(yuǎn)大于回灌量，進(jìn)而引發(fā)郊區(qū)地面沉降顯著增加。

本研究使用2009年1月～2010年6月所獲取的31景X波段COSMO-SkyMed衛(wèi)星星座SAR影像，入射角為40°，距離向和方位向分辨率分別為 1.25 m和 2.25 m。該組影像重訪率高(如表1所示)，影像跨越時(shí)間范圍中有31景影像，其中重訪時(shí)間間隔為8天的影像占總體的43%，16天占總體的27%，整體觀測的時(shí)間頻率較高，有利于分析上海市在沉降控制政策下短時(shí)間地表沉降趨勢特征。

圖1(a)顯示了實(shí)驗(yàn)使用影像的具體地理位置信息，底圖為Google Earth光學(xué)影像，其中圖1(b)、圖1(c)為本次研究選取的兩個(gè)研究區(qū)域，分別為上海市中心城區(qū)和周浦鎮(zhèn)等城郊研究區(qū)域覆蓋范圍，面積分別為 122.1 km2和 100.8 km2，兩實(shí)驗(yàn)區(qū)域中心相距約 20 km。圖1(b)、圖1(c)為圖1(a)中兩個(gè)研究區(qū)域的平均強(qiáng)度圖，圖1(b)、圖1(c)中矩形框?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)中顯著的沉降中心，分別在8個(gè)顯著沉降區(qū)中選取特征沉降點(diǎn)(字母A-H)用于后續(xù)分析。選取2009年11月3日所獲取的影像為主影像，以美國國家航空航天局(NASA)提供的3弧秒精度的DEM作為地形相位信息，利用基于后驗(yàn)估計(jì)的PSI方法進(jìn)行穩(wěn)定點(diǎn)探測和時(shí)序建模計(jì)算，影像獲取日期及時(shí)空基線分布如表1所示。

圖1 研究區(qū)域地理位置及SAR強(qiáng)圖影像 COSMO-SkyMed影像的時(shí)間空間基線和重訪時(shí)間間隔 表1

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 沉降空間分布與分析

本文根據(jù)第2節(jié)所述PSI方法分別探測了上海市中心城區(qū) 463 787個(gè)穩(wěn)定地物點(diǎn)(4 649 個(gè)/km2)和周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域 208 534個(gè)穩(wěn)定地物點(diǎn)(2 205 個(gè)/km2)，獲取了兩局部地區(qū)的年平均沉降速率。中心城市的沉降趨勢與平均速率如圖2所示，底圖為SAR影像平均強(qiáng)度圖，圖中五角星地區(qū)為解算的參考點(diǎn)，A、B、C為沉降中心沉降量較大的點(diǎn)。圖2直觀地展示了中心城區(qū)的地表沉降速率范圍在 0 mm/a與 -29.3 mm/a之間，與已有同類型研究具有相同的沉降分布趨勢與沉降量級范圍[6，15]，表明結(jié)果具有可靠性。從監(jiān)測結(jié)果來看，該區(qū)中存在一個(gè)較大的沉降漏斗，沉降中心位于虹口區(qū)中部，呈南北向喇叭狀，其周邊區(qū)域如閘北區(qū)、楊浦區(qū)、普陀區(qū)和浦東新區(qū)的陸家嘴等地呈現(xiàn)不均勻沉降趨勢，但沉降速率較小，平均小于 13 mm/a。已有的研究資料表明[14，19]，虹口區(qū)近年來受經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、地鐵的修建以及密集的高層建筑、交通與工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了極大荷載的影響，造成虹口區(qū)產(chǎn)生沉降顯著。本文結(jié)合上海地下水開采與回灌力度(如圖3所示)進(jìn)一步分析表明，近年來該區(qū)地下水回灌力度較小，也是形成虹口區(qū)顯著沉降現(xiàn)象的因素之一。而楊浦、閘北、普陀等行政區(qū)域在2009年～2010年間地下水回灌力度較大且遠(yuǎn)超過開采量，因此沉降速率較小。

圖2 上海市中心城區(qū)形變速率圖

圖3 2009-2010年上海各行政區(qū)地下水開采與回灌量[19]

圖4 上海城郊地區(qū)形變速率圖

圖4展示了周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域的詳細(xì)沉降分布情況，五角星區(qū)域?yàn)榻馑銋⒖键c(diǎn)，整個(gè)區(qū)域的地表沉降速率范圍在 0 mm/a～-25.9 mm/a之間，與已有研究資料相吻合[19]。如圖4所示，空間分布多個(gè)沉降區(qū)域，整體呈現(xiàn)顯著的不均勻沉降特性，其中周浦鎮(zhèn)各沉降中心沉降速率較大的點(diǎn)D、E、F、G、H，最大沉降量超過 25 mm/a。從已有的PSI研究資料可知，自2008年以來，上海主要沉降區(qū)域從中心城市向四周移動，形成南以滬昆高速以南的閔行經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為中心，西到滬松公路，東到川楊河以南向東延伸到滬南公路[14]。該區(qū)位于滬南公路的周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)，長久以來該地所在的行政區(qū)為上海市地下水開采的主要地區(qū)。結(jié)合圖3可知，浦東新區(qū)在2009年和2010年間地下水開采量明顯大于其他各行政區(qū)且遠(yuǎn)大于該區(qū)的回灌量，導(dǎo)致沉積層松散土層有效壓力增大而被壓縮變形，引起地面沉降。同時(shí)，該區(qū)工業(yè)化發(fā)展和農(nóng)田灌溉用水增加，多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)沉降。

4.2 沉降趨勢分析與解釋

本研究區(qū)域分別位于上海市中心城區(qū)與周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)。受地表沉降控制措施的力度不同，其沉降趨勢可能存在明顯的差別。SAR影像波長一定的前提下，地表最大形變監(jiān)測能力為波長的一半，時(shí)間采樣頻率越高，則反演的沉降信號中原始信號保留的越完整(具體請參見文獻(xiàn)[20])，所以高重訪率的X波段CSK衛(wèi)星星座影像相比其他C波段和L波段的SAR影像對地表形變的時(shí)間采樣率較高，對短時(shí)間和規(guī)律性沉降更敏感，因此我們通過高重訪率SAR影像可更好地分析研究區(qū)內(nèi)的時(shí)序沉降演變過程。我們結(jié)合Google高分辨率光學(xué)影像分析兩地的顯著沉降中心，如圖5和圖6分別為中心城區(qū)虹口區(qū)的沉降漏斗和周浦鎮(zhèn)等郊區(qū)非均勻沉降中心。

圖5 虹口區(qū)沉降中心速率圖

圖6 周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)各沉降中心速率圖

我們分別獲取了位于圖1(b)和圖1(c)中虹口區(qū)沉降漏斗中沉降較大的3個(gè)點(diǎn)(A、B、C，如圖5所示)和周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)中5個(gè)沉降漏斗中心點(diǎn)(如圖6中所示)的非線性沉降時(shí)間序列(方框內(nèi)的所有點(diǎn)的平均沉降量)。從局部時(shí)序監(jiān)測結(jié)果來看(如圖7、圖8所示)，虹口沉降中心沉降量顯著，3點(diǎn)具有相同的沉降趨勢。如圖7中顯示，2009年1月～2009年6月各個(gè)地區(qū)沉降緩和；2009年7月～2009年12月沉降加速；2010年1月～2010年06月沉降又趨于緩和，即每年上半年沉降趨勢較為緩和，下半年則沉降加劇。為進(jìn)一步討論這種規(guī)律性沉降趨勢，我們分別以6個(gè)月為時(shí)間間隔計(jì)算了各點(diǎn)的累積形變量，如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)A、B、C三點(diǎn)在2009年7月～12月沉降十分顯著，最大可達(dá) 23 mm。而周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)各點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)累積沉降量近似相同，沉降趨勢相同。

我們獲取了2009年～2010年上海地下水開采與回灌量信息(如圖3所示)。針對虹口區(qū)這種春冬季節(jié)沉降緩慢，夏秋季節(jié)加速下沉的規(guī)律性現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因可能與地下水回灌政策有關(guān)。虹口區(qū)中心經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展和地表負(fù)荷是導(dǎo)致沉降的主要因素，已知資料顯示[14，19]，為了緩和沉降現(xiàn)象，該區(qū)嚴(yán)格限制地下水開采，并加大了地下水回灌量；據(jù)歷年上海市水文數(shù)據(jù)顯示[21]，上海市地下水回灌量在1月～5月份較大，沉降趨勢受此政策的影響可能有所緩和[15，22]，據(jù)此推測上海市虹口區(qū)地表形變趨勢呈規(guī)律性變化與地下水回灌政策有強(qiáng)相關(guān)性。對于周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域，隨著工業(yè)發(fā)展與農(nóng)田灌溉的汲取，其地下水開采量遠(yuǎn)大于回灌量(如圖3所示)，導(dǎo)致部分地區(qū)呈持續(xù)下沉趨勢。兩研究區(qū)域由于沉降控制措施的力度不同導(dǎo)致不同類型的沉降趨勢，由圖7看出每年1月～5月份回灌量較大時(shí)沉降速率趨于平緩，證明沉降控制措施的實(shí)施能有效預(yù)防及治理地表沉降。值得指出的是，城郊研究區(qū)域的地表沉降可能對該地的地下管線、建筑物安全和交通設(shè)施造成破壞(如圖6所示)。

圖7 虹口區(qū)特征區(qū)域沉降時(shí)間序列圖

圖8 周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域沉降時(shí)間序列圖

各特征點(diǎn)分段累積沉降量 表2

5 結(jié) 論

(1)本文選取上海市中心城區(qū)和周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，以覆蓋該區(qū)的COSMO-SkyMed影像為數(shù)據(jù)源，使用基于后驗(yàn)估計(jì)的PSI方法分別提取了實(shí)驗(yàn)區(qū)地表沉降信息，與已有PSI資料進(jìn)行對比，上海中心城區(qū)中虹口區(qū)沉降比較嚴(yán)重，最大LOS向沉降速率可達(dá) 29.3 mm/a，沉降中心的時(shí)序沉降趨勢隨著時(shí)間呈現(xiàn)規(guī)律性變化。城郊區(qū)域多地出現(xiàn)不均勻沉降，最大LOS向沉降速率為 25.9 mm/a，據(jù)沉降中心時(shí)序沉降量顯示，各沉降中心呈持續(xù)下沉趨勢。

(2)利用高重訪率CSK影像的特性，探討了在沉降控制措施實(shí)施力度不同的情況下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的時(shí)序沉降特點(diǎn)，分析上海虹口區(qū)沉降受地表大型建筑物負(fù)荷導(dǎo)致顯著沉降，其規(guī)律性沉降受地下水回灌影響。周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ兄饕叵滤_采區(qū)，因工業(yè)化發(fā)展和農(nóng)田灌溉用水增加，致使該地地下水回灌總量遠(yuǎn)小于開采量，導(dǎo)致局部呈持續(xù)下沉趨勢。對不同地區(qū)的沉降趨勢進(jìn)行監(jiān)測可為沉降控制政策的調(diào)整與實(shí)施提供有效的輔助信息。