基于SBAS-InSAR技術(shù)的南昌市中心城區(qū)地表沉降監(jiān)測

熊佳誠，聶運(yùn)菊，羅躍，李永飛

(東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 引 言

南昌作為江西的省會(huì)城市，擁有諸多得天獨(dú)厚的優(yōu)越資源，近年來經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，南昌市大力開發(fā)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)中心城區(qū)老城區(qū)改造、新城區(qū)建設(shè)以及地鐵線路施工，都極易導(dǎo)致局部甚至大范圍的地面沉降，城市內(nèi)的地面沉降會(huì)直接或間接地造成地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，2018年4月，南昌市八一大道婦幼保健院門口路面一周內(nèi)發(fā)生兩次塌陷，受影響路面約 100 m2。這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生嚴(yán)重危害了居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，給城市的規(guī)劃建設(shè)造成了極大的損失。因此，有效監(jiān)測南昌市地面沉降，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生成為確保南昌高速發(fā)展的一項(xiàng)重要工作。

合成孔徑雷達(dá)干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術(shù)自1974年被Graham等[1]首次提出以來一直受到研究人員的關(guān)注。與傳統(tǒng)測量方法相比，InSAR技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、大區(qū)域、高精度等難以比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前探測地表形變的主要方法。短基線集(Small Baseline Subset，SBAS)技術(shù)是從InSAR技術(shù)上發(fā)展起來的一種針對(duì)多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)處理監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域地表沉降的方法，短基線集技術(shù)克服了差分干涉測量(Differential InSAR，D-InSAR)技術(shù)受時(shí)空失相干和大氣效應(yīng)的影響，與永久散射體(Permanent Scatterer，PS)技術(shù)相比降低了對(duì)影像數(shù)量的要求，受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視。已有研究證實(shí)短基線集技術(shù)在地表沉降監(jiān)測中具有毫米級(jí)的監(jiān)測精度[2～4]。張艷梅[5]、孫曉鵬[6]、楊帆[7]分別利用短基線集技術(shù)分析監(jiān)測區(qū)域的沉降速率、時(shí)間序列累計(jì)形變量以及沉降區(qū)剖面圖。以上監(jiān)測方法在監(jiān)測南昌地區(qū)地表沉降中的應(yīng)用較少，本文利用21景Sentinel-1數(shù)據(jù)，基于短基線集技術(shù)對(duì)南昌市中心城區(qū)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，研究中心城區(qū)地表沉降速率、沉降分布、沉降量等，為今后的災(zāi)害防治提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中北部，鄱陽湖西南岸，全境以平原為主，東南相對(duì)平坦，西北丘陵起伏。境內(nèi)贛江由北向南將市區(qū)分割為東西兩部分。中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°55′，北緯28°40′。本次試驗(yàn)的研究區(qū)域范圍如圖1所示，區(qū)域范圍以南昌市內(nèi)的前湖、青山湖、艾溪湖以及象湖四個(gè)主要湖泊為界。四湖以內(nèi)包含南昌市四大中心城區(qū)：東湖區(qū)、西湖區(qū)、青山湖區(qū)、青云譜區(qū)，贛江以西的紅谷灘新區(qū)以及新建區(qū)，上述區(qū)域構(gòu)成了目前南昌市中心城區(qū)。城區(qū)內(nèi)人口密度大，人類活動(dòng)頻繁且植被較少，適合進(jìn)行地表沉降監(jiān)測。

圖1 研究區(qū)范圍與區(qū)域放大圖

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用21景Sentinel-1A的IW模式SLC數(shù)據(jù)，VV極化，幅寬 250 km，分辨率為 5 m×20 m，時(shí)間跨度為2017年3月～2018年6月。影像數(shù)據(jù)的基本參數(shù)信息如表1所示。此外還包括對(duì)應(yīng)的AUX_POEORB精密定軌星歷數(shù)據(jù)及NASA獲取的SRTM4DEM數(shù)據(jù)，分辨率為 90 m×90 m。AUX_POEORB精密定軌星歷數(shù)據(jù)在影像獲取21天后才可獲得，定位精度優(yōu)于 5 cm，適用于城市地表沉降監(jiān)測[8]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要信息 表1

3 技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理

3.1 短基線集技術(shù)原理

短基線集技術(shù)最先由Berardino等人[9]于2002年提出，是一種針對(duì)多時(shí)相影像數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，連接由長基線造成的相互獨(dú)立的影像數(shù)據(jù)，形成短基線影像集合，對(duì)集合內(nèi)的信息采用最小二乘法獲取高精度的形變信息，集合之間采用奇異值分解法(SVD)聯(lián)合求解，解決各影像數(shù)據(jù)集時(shí)間不連續(xù)問題，獲取整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的形變信息[10]。

假設(shè)目標(biāo)區(qū)域在(t0，t1，…，tn)時(shí)間段內(nèi)有N+1幅遙感影像，通過干涉像對(duì)的自由配對(duì)，生成M幅干涉圖，則：

(1)

假設(shè)在tA和tB兩個(gè)時(shí)間(tB>tA)獲得的影像通過干涉處理生成了第j幅干涉圖，干涉圖j的距離向坐標(biāo)r和方位向坐標(biāo)x處的干涉相位為：

δφj(tABx，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(2)

式中：λ為雷達(dá)信號(hào)波長，d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分別為時(shí)間tA和時(shí)間tB相對(duì)于參考時(shí)間t0的視線向累計(jì)形變量；d(t0，x，r)=0。因?yàn)橛蠱幅干涉圖，因此根據(jù)式(2)可得到M個(gè)方程，將其表示為矩陣形式，即：

δφ(x，r)=Aφ(x，r)

(3)

式中：系數(shù)矩陣A為M×N矩陣，矩陣中每行對(duì)應(yīng)干涉圖，每列對(duì)應(yīng)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的遙感影像[11]，主影像為1，輔影像為-1，其余為0。當(dāng)系數(shù)矩陣A中的M≥N時(shí)，A的秩為N，此時(shí)通過最小二乘法求解出：

φ(x，r)=(ATA)A-1δφ(x，r)

(4)

當(dāng)M

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)使用SARscape軟件進(jìn)行南昌市中心城區(qū)地表沉降監(jiān)測，主要步驟為：

(1)選取2017年3月～2018年6月覆蓋研究區(qū)域的21景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)進(jìn)行精密定軌星歷數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，并以四湖為界裁剪出南昌市中心城區(qū)范圍。

(2)以2017年3月14日的影像為主影像，設(shè)定空間基線閾值為臨界基線的10%，時(shí)間基線不做調(diào)整，對(duì)所有影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。各干涉對(duì)之間的空間基線如圖2所示，時(shí)間基線如圖3所示，影像獲取的時(shí)間間隔最大為 456 d，最小為 36 d；空間基線最大約為 95 m，最小約為 7 m。

圖2 空間基線分布

圖3 時(shí)間基線分布

(3)對(duì)所有配對(duì)的干涉像對(duì)進(jìn)行干涉處理，移除相干性低的干涉對(duì)。在高相干且沒有殘余地形條紋的區(qū)域內(nèi)選擇GCP控制點(diǎn)，采用三次軌道精煉多項(xiàng)式估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。

(4)依據(jù)SVD法反演估算形變速率和殘余地形并進(jìn)行二次解纏，優(yōu)化干涉圖。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行定制的大氣濾波，去除大氣相位的影響，并對(duì)上述生成的所有結(jié)果進(jìn)行地理編碼，得到研究區(qū)域的平均形變速率。

具體處理流程如圖4所示。

圖4 處理流程

4 結(jié)果與分析

4.1 形變速率分析

從本次試驗(yàn)獲得的南昌市中心城區(qū)年平均形變速率圖(圖5)可以看出：

(1)南昌市中心城區(qū)在2017年3月～2018年6月監(jiān)測時(shí)段內(nèi)年平均沉降速率主要集中在[-3～10]mm/a區(qū)間范圍內(nèi)，其中正值表示地表上升，負(fù)值表示地表下沉。中心城區(qū)最大年平均沉降速率為 -14.31 mm/a，位于西湖區(qū)洪城大市場內(nèi)。監(jiān)測時(shí)段內(nèi)研究區(qū)域地表沉降總體較為平穩(wěn)，部分區(qū)域出現(xiàn)一定規(guī)模的地表沉降。

(2)中心城區(qū)有三個(gè)沉降嚴(yán)重的重點(diǎn)區(qū)域，分別位于西湖區(qū)洪城大市場商區(qū)周邊、東湖區(qū)滕王閣周邊和紅谷灘新區(qū)南昌之星周邊。洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)面積約為 7.18 km2，其中沉降嚴(yán)重區(qū)域面積約為 0.2 km2，沉降速率為-14.31 mm/a～-12 mm/a。滕王閣周邊沉降區(qū)面積約為 2.31 km2，沉降嚴(yán)重區(qū)域面積約為 0.12 km2。南昌之星周邊沉降區(qū)面積約為 0.63 km2。

(3)中心城區(qū)內(nèi)沿贛江河岸有一處水路運(yùn)輸碼頭沉降較為嚴(yán)重，經(jīng)實(shí)地考察該處位于贛江河段上，河流豐水期時(shí)船只?？?、往來頻繁，枯水期時(shí)河岸裸露，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重沉降，此處無參考意義。

(4)中心城區(qū)西北部的新建區(qū)和東部艾溪湖周邊地區(qū)出現(xiàn)輕微地表沉降，沉降速率集中在[-3～0]mm/a區(qū)間范圍內(nèi)。人類活動(dòng)與房屋改造是造成這兩個(gè)地區(qū)出現(xiàn)小幅度地表沉降的主要原因。

圖5 中心城區(qū)年平均形變速率

4.2 特征點(diǎn)時(shí)間序列分析

圖6為三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域洪城大市場、滕王閣和南昌之星沉降中心P1、P2和P3的地表形變速率。圖中，P1、P2、P3在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)的形變速率極小值點(diǎn)都位于20170805這一監(jiān)測時(shí)刻。三個(gè)極小值點(diǎn)中，P1的沉降量為 -30.86 mm，P2的沉降量為 -28 mm，P3的沉降量為 -6.16 mm，說明在三個(gè)重點(diǎn)區(qū)域中，洪城大市場商區(qū)周邊地表沉降最嚴(yán)重。

圖6 重點(diǎn)沉降區(qū)域沉降中心時(shí)間序列形變速率

以沉降中心P1、P2和P3三個(gè)極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測時(shí)刻20170805為時(shí)間條件，提取對(duì)應(yīng)監(jiān)測時(shí)刻上經(jīng)過三個(gè)沉降中心的沉降區(qū)域剖面圖，提取結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯?jīng)過沉降中心P1的剖面線沉降范圍最廣，其次是經(jīng)過沉降中心P2的剖面線，經(jīng)過沉降中心P3的剖面線沉降范圍最小。由此可知，在三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域中，洪城大市場商區(qū)周邊的地表沉降涉及范圍最廣，南昌之星周邊地表沉降涉及范圍最小。

圖7 重點(diǎn)沉降區(qū)域沉降中心剖面線形變速率

南昌市軌道交通地鐵工程于2009年7月29日正式開工建設(shè)，2015年12月26日正式對(duì)外載客運(yùn)營。截至2018年6月14日，南昌市已投入運(yùn)營的地鐵線路包括地鐵一號(hào)線、地鐵二號(hào)線；在建地鐵線路包括地鐵三號(hào)線、地鐵四號(hào)線。圖8為三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域內(nèi)的地鐵線路圖，可以看出，已投入運(yùn)營的地鐵沿線在監(jiān)測周期內(nèi)對(duì)地表沉降的影響并不明顯，僅在滕王閣站至八一館站路段有小幅度的地表沉降。正在施工的地鐵沿線對(duì)沉降區(qū)地表沉降有一定影響，其中，在建的地鐵四號(hào)線處于洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)范圍內(nèi)，是造成該區(qū)域地表沉降面積擴(kuò)大的因素之一；位于滕王閣周邊沉降區(qū)的地鐵三號(hào)線在墩子塘站與八一館站施工路段沉降嚴(yán)重，是導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生地表沉降的主要因素之一。

圖8 沉降區(qū)地鐵線路圖

圖9為八個(gè)地鐵站臺(tái)在監(jiān)測周期內(nèi)的時(shí)間序列形變速率，其中，萬壽宮站與八一館站已經(jīng)建成，其余六個(gè)站臺(tái)正在建設(shè)。墩子塘站在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)最大沉降量達(dá)到了 -19.71 mm，與該區(qū)域沉降中心最大沉降量 -28 mm僅相差 8.29 mm，地表沉降嚴(yán)重。桃苑站施工段地表沉降最為嚴(yán)重，沉降量達(dá)到了 -27.5 mm，施工路段周邊形成了小范圍的沉降嚴(yán)重區(qū)。

圖9 沉降區(qū)在建地鐵站臺(tái)時(shí)間序列沉降速率

4.3 重點(diǎn)區(qū)域地表沉降原因分析

從重點(diǎn)區(qū)域在圖5中的分布可以看出，三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域均靠近贛江，最遠(yuǎn)的洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)距贛江約 1.5 km，屬于河流侵蝕堆積平原，第四系地層土質(zhì)松軟[13]。區(qū)域內(nèi)撫河流經(jīng)，地下水資源豐富，單井涌水量為 1 016 m3/d～4 916 m3/d，滲透系數(shù)一般為 53 m/d～160.9 m/d，除洪水季節(jié)外，地下水位均高于贛江、撫河水位[14]。地下水向贛江、撫河排泄以及區(qū)域內(nèi)的地下水開采，導(dǎo)致該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，孔隙水壓力降低。地表承受壓力由于土顆粒排列稀疏且孔隙水壓力降低，加之區(qū)域內(nèi)的老城區(qū)改造以及地鐵線路的施工，使得土地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，最終導(dǎo)致大范圍地表沉降[15]。滕王閣周邊沉降區(qū)與洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)同屬于河流侵蝕堆積平原，土顆粒排列稀疏。地下水的開采與區(qū)域內(nèi)地鐵三號(hào)線的建設(shè)是造成地表嚴(yán)重沉降的主要因素。三個(gè)重點(diǎn)區(qū)域中沉降現(xiàn)象最輕的南昌之星周邊沉降區(qū)受地下水開采影響，出現(xiàn)幅度較小的地表沉降。

經(jīng)實(shí)地考察，在滕王閣周邊沉降區(qū)地鐵三號(hào)線建設(shè)路段地表出現(xiàn)裂紋(圖10)，部分路段地表存在起伏現(xiàn)象。沉降最嚴(yán)重的洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)存在大量處于建設(shè)中的區(qū)域，位于桃花南路的周邊棚戶區(qū)改造(圖11)以及在桃苑大街約 500 m的施工路段(圖12)地表均存在裂紋(圖13)。

圖10 地鐵三號(hào)線建設(shè)路段地表裂紋

圖11 桃花南路周邊改造

圖12 桃苑大街施工路段

圖13 桃花南路地面裂紋

5 結(jié) 語

本文基于短基線集技術(shù)對(duì)21景Sentinel-1影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，獲取了南昌市中心城區(qū)在2017年3月～2018年6月的地表沉降信息。通過分析可知，在研究周期內(nèi)南昌市中心城區(qū)地表沉降總體較為平穩(wěn)，部分區(qū)域存在沉降現(xiàn)狀，并且有三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域。沉降最嚴(yán)重的區(qū)域位于洪城大市場商區(qū)周邊，其次是東湖區(qū)滕王閣周邊和南昌之星周邊。位于洪城大市場商區(qū)周邊沉降區(qū)受地下水開采與地鐵四號(hào)線的施工導(dǎo)致地表出現(xiàn)嚴(yán)重沉降，且范圍較大；而滕王閣周邊沉降區(qū)受地鐵三號(hào)線施工的影響，導(dǎo)致施工路段沿線出現(xiàn)較為嚴(yán)重的地表沉降。從近來的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知三個(gè)重點(diǎn)沉降區(qū)域的地表形變有所減弱，發(fā)生嚴(yán)重地表沉降的概率較低。