基于雙極化Sentinel-1影像的邯鄲市地表沉降時序InSAR分析

周洪月，王文旭，張志全，閆世勇，汪云甲

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

當(dāng)?shù)厣虾奢d不斷增加時，地表常常伴隨著地裂縫、局部塌陷及不均勻沉降等現(xiàn)象，目前我國大多數(shù)城市均發(fā)生過類似災(zāi)害，其中地面不均勻沉降會破壞地上構(gòu)筑物，影響正常的生產(chǎn)生活，甚至?xí){周邊居民的生命安全。InSAR技術(shù)在監(jiān)測地表沉降方面發(fā)揮著巨大作用，相較于常規(guī)監(jiān)測技術(shù)，可獲取短重訪周期、范圍廣及精度高的地表沉降信息，目前該技術(shù)在諸多監(jiān)測實例中得到廣泛應(yīng)用[1～3]。邯鄲市作為河北省主要沉降城市之一，在近幾十年來區(qū)域性的地表沉降情況較嚴(yán)重，而地下水的超采是導(dǎo)致其東部區(qū)域沉降的主要因素[4]。自2012年起，河北省相繼推出關(guān)于加強治理重點沉降區(qū)域的策略方針[5，6]，因此及時快速獲取邯鄲市近期地表沉降具有較高的研究意義和實際應(yīng)用價值。

2 時序InSAR原理

PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)，主要通過選取所有SAR影像中保持相干性高的穩(wěn)定點(PS點)，如裸露巖石、建筑物及人工角反射器等，通過設(shè)定初始幅度離差閾值，完成PS候選點網(wǎng)格化、相干系數(shù)定權(quán)、剔除相近的偽相干點，再利用時空濾波減弱了大氣延遲及DEM誤差的影像，最后提取所有PS點的累計形變量和年平均形變速率[7]。

PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，主要完成主輔影像對的主影像的選取、差分干涉工作；時序InSAR處理主要建立PS點篩選原則、去除DEM誤差、空間視角相關(guān)誤差及噪聲殘差，提取所有PS點的形變相位[8]。

圖1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

3 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

本次以河北省邯鄲市作為研究區(qū)域，該市依傍太行山脈，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為 500 mm左右，東部地區(qū)以地下水等資源為主，是河北省的南大門[5，6]。據(jù)相關(guān)資料表明[9，10]，隨著幾十年的城市建設(shè)的加快，地下水開采經(jīng)歷了加大、超采及限采等階段，由此誘發(fā)區(qū)域性地表沉降也經(jīng)歷不斷加劇到變緩的階段。對該城市而言，迫切需要近期較大范圍的地表沉降監(jiān)測結(jié)果，該結(jié)果既用于反演研究區(qū)域內(nèi)地面沉降現(xiàn)狀，又能作為后續(xù)持續(xù)沉降治理的重要參考依據(jù)。

本文選用歐空局Sentinel-1(S1)系列衛(wèi)星獲取的影像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)目前由AB雙星組成，單星重訪周期為12天，其IW模式數(shù)據(jù)可免費獲取，且具有多極化模式。由于該衛(wèi)星采用了TOPS成像模式，在S1數(shù)據(jù)處理生成干涉對過程中，方位向配準(zhǔn)精度須優(yōu)于0.001像元。S1雙極化干涉對集信息如表1所示。覆蓋范圍廣、重訪周期短、成本低及時效性強等特點，該數(shù)據(jù)在城市地表沉降監(jiān)測方面具有較高的科研價值和應(yīng)用潛力[11]。本文選用覆蓋邯鄲市主城區(qū)的雙極化IW模式的SAR影像數(shù)據(jù)各44景對其地表沉降情況進行分析，影像的覆蓋研究區(qū)范圍示意圖如圖2所示。

圖2 覆蓋研究區(qū)范圍示意圖

S1雙極化干涉對集信息表 表1

4 結(jié)果與分析

對44景S1 SAR雙極化影像數(shù)據(jù)集，分別采用PS-InSAR技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，提取并分析了在2015年6月～2017年8月期間邯鄲市的地表沉降情況。以2016年3月31號獲取的SAR影像為主影像，分別按PS-InSAR數(shù)據(jù)處理方法進行處理，經(jīng)統(tǒng)計最大時間基線為528天，最長的空間基線為 339.7 m，提取研究區(qū)的地表沉降速率如圖3所示。

圖3 邯鄲市主要區(qū)域地表沉降速率圖

從圖3可知，在2015年6月～2017年8月期間，邯鄲市主要沉降發(fā)生在邯鄲市東部的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、成安縣、廣平縣及臨漳縣等區(qū)域，VH、VV兩種極化數(shù)據(jù)集獲取的地表沉降速率結(jié)果較為接近。另外，根據(jù)PS點分布情況(圖3左側(cè)矩形框)可知，相較于VH影像集，VV數(shù)據(jù)集在建筑物較為密集的主城區(qū)在識別PS點的能力方面相當(dāng)，但在地形起伏較大或者建筑物分布較分散的區(qū)域內(nèi)識別PS點的能力較強。

進一步分析可知，研究期內(nèi)邯鄲市主城區(qū)及西部區(qū)域地表沉降基本穩(wěn)定，沉降速率在 10 mm/a以內(nèi)，而位于邯鄲市東部的區(qū)域整體沉降情況較為嚴(yán)重，尤其在建筑物較密集的主縣城區(qū)內(nèi)，其平均沉降速率超過了 -40 mm/a，下面對沉降較集中的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、成安縣、廣平縣及臨漳縣四縣的沉降中心區(qū)進行重點分析，分別獲取了一個區(qū)域的地表沉降分布信息(圖4)。

對圖4中落在選定區(qū)域內(nèi)PS點的結(jié)果統(tǒng)計分析，分別得到表2和區(qū)域內(nèi)平均累計沉降圖如圖5所示。

圖4選定區(qū)域內(nèi)PS點的平均沉降速率圖

4個選定內(nèi)所有PS點沉降結(jié)果統(tǒng)計表 表2

圖5 選定區(qū)PS點平均累計沉降圖

結(jié)合圖4、圖5及表2可知，VV極化的數(shù)據(jù)集提取四個選定區(qū)域內(nèi)識別出的PS點數(shù)量方面能力相當(dāng)，而且提取出兩種PS點的平均地表沉降速率較接近；四個選定區(qū)域內(nèi)，兩時序沉降變化曲線的平均相關(guān)系數(shù)為0.97；同時，上述結(jié)果反映出在2015年7月～2017年8月期間，邯鄲市重點沉降區(qū)發(fā)生在圖4中的肥鄉(xiāng)縣(區(qū))A區(qū)內(nèi)，平均年沉降速率達到 -53 mm/a，在B、C、D三處的平均沉降速率介于 40 mm/a～50 mm/a之間，累計沉降量均超過 100 mm，該結(jié)果表明所選四個區(qū)域內(nèi)的沉降趨勢仍較大。

上述結(jié)果與2012年～2014年期間監(jiān)測結(jié)果(其平均地表沉降速率均已超過 -80 mm/a)相比[12]，研究期間邯鄲市地表沉降速率得到明顯的控制，這間接反映了該市地表沉降治理效果較為顯著。對比時序沉降圖(圖5)，可知肥鄉(xiāng)縣(區(qū))、廣平縣及臨漳縣時序沉降變化一致性較好，主要沉降活躍期為每年的3月～10月份，而成安縣出現(xiàn)夏季波動性較大、冬季穩(wěn)定的沉降趨勢。以肥鄉(xiāng)縣(區(qū))為例分析地表沉降影響因素包括：該地區(qū)種植業(yè)較發(fā)達，以糧食作物和棉花為主，從夏季到秋季農(nóng)業(yè)用水較多；西臨京廣鐵路與107國道，309國道與邯濟鐵路橫穿其東西方向，也加劇該地區(qū)地表沉降態(tài)勢；位于華北平原，受地質(zhì)構(gòu)造活動的影響，但量級一般較小(不超過 1 mm/a)[13]；部分區(qū)域存在地?zé)豳Y源過度開采現(xiàn)象[14]。

結(jié)合相關(guān)政策進一步分析其沉降變緩的主導(dǎo)因素為河北省于2014年啟動為期3年的地下水超采綜合治理試點工作，以邯鄲為代表的重點沉降區(qū)域引起相關(guān)單位的重視，并對所有試點采取地下水壓采措施[15，16]，以至于在2015年～2016年期間研究區(qū)內(nèi)淺層地下水位下降速度減小，深層地下水位呈回升態(tài)勢，因此邯鄲市重點沉降區(qū)域的地表沉降趨勢有所放緩。

5 結(jié) 論

通過雙極化S1 SAR數(shù)據(jù)時序分析，有效提高了地表沉降監(jiān)測精度和可靠性。監(jiān)測結(jié)果表明，在2015年～2017年期間，邯鄲市主要沉降出現(xiàn)在其東部區(qū)域，其中以肥鄉(xiāng)、成安、廣平及臨漳四縣(區(qū))的選定區(qū)域內(nèi)沉降情況仍較為嚴(yán)重，重點區(qū)域的最大平均沉降速率均達 -53 mm/a。通過與歷史沉降數(shù)據(jù)相比，研究時段內(nèi)邯鄲市整體沉降趨勢變緩，位于上述四縣重點區(qū)域的沉降趨勢得到有效遏制；本文表明時序InSAR是一種有效的城市地表沉降快速普查方法，其沉降監(jiān)測結(jié)果亦為相關(guān)部門后續(xù)持續(xù)加強邯鄲市地面沉降區(qū)的治理工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。