基于MTInSAR分析的廊坊市地面沉降時空特征研究

周 呂，文學霖，楊 飛，黃長軍，馬 俊

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004；2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；3.湖南城市學院市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000；4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引 言

地面沉降災害具有形成時間長、影響區(qū)域廣、防治難度大等特點，已經(jīng)成為影響我國區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。廊坊市地處華北平原中東部，該地區(qū)地表水資源短缺，同時為滿足城市建設與發(fā)展，需要抽取大量地下水，導致地面沉降。自1966年以來，廊坊市的地面累計沉降近800 mm。市區(qū)于1978年開始出現(xiàn)地下水漏斗，1979年～1983年出現(xiàn)地面波動沉降，并初步形成了地面沉降中心；1984年～1992年地面呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，受人類活動與地下水超采等影響，沉降中心持續(xù)擴大；1992年至今是地面沉降快速下降階段[1]。傳統(tǒng)獲取地面沉降的方法有水準測量、GNSS測量、分層標測量等，傳統(tǒng)方法準確、精度高，可驗證性高，但需要作業(yè)人員進入測區(qū)，且監(jiān)測成本較高，同時難以實現(xiàn)大空間尺度與高空間分辨率的沉降監(jiān)測。

近年來，合成孔徑雷達技術的出現(xiàn)為有效監(jiān)測城市的整體地面沉降提供一種有效方法。合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar， DInSAR)技術克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法空間分辨率低、成本高等缺點[2]，并已成功應用于地震、城市地面監(jiān)測等[3-4]。但DInSAR技術易受大氣效應影響，較難獲取高精度的形變信息。為此，在傳統(tǒng)DInSAR技術的基礎之上相繼提出了多種時序InSAR技術。時序InSAR技術通過散射信息較好的點反演形變信息，較好地克服了大氣效應誤差、時空失相干等誤差。如，永久散射體合成孔徑雷達干涉測量(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)[5]、小基線集合成孔徑雷達干涉測量(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR)[6]等。近年來，多時相InSAR(Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar，MTInSAR)技術被提出并應用于地面沉降監(jiān)測分析中[7]，該技術綜合了PS-InSAR與SBAS-InSAR的優(yōu)勢，可同時獲取點狀式與分布式目標的沉降信息，提高了獲取研究區(qū)域更多沉降信息的能力。國內(nèi)眾多學者基于時序InSAR技術與方法對地面沉降展開了研究，并取得了一定研究成果。雷坤超等[8]利用PS-InSAR技術提取了廊坊市城區(qū)2003年～2007年的地面沉降信息，并討論分析了其空間分布特征。張海波等[9]采用干涉點目標分析(Interferometric Point Target Analysis，IPIA)技術對加利福尼亞州安大略市2005年～2010年的地面沉降信息進行了獲取，并探測到該區(qū)域的沉降漏斗。周朝棟等[10]利用PS-InSAR技術對北京平原地區(qū)進行了長時間序列的地面沉降監(jiān)測，并結合GIS空間分析方法分析了該地區(qū)的地面沉降時空演化特征。

本文利用可以同時獲取點狀式與分布式目標沉降信息的MTInSAR技術，處理分析覆蓋廊坊地區(qū)的18景Envisat ASAR影像數(shù)據(jù)，獲取了該地區(qū)2007年～2010年地面沉降速率與沉降時間序列，結合前人的研究結果、地下水開采以及工業(yè)發(fā)展等研究分析了廊坊市的地面沉降時空特征，并對MTInSAR沉降結果進行了解釋；同時也驗證了MTInSAR技術用于監(jiān)測城市地面沉降時空特征的有效性。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

廊坊市位于華北平原中東部，其地理坐標范圍為116°07′E ～ 117°14′E和38°28′N ～ 40°15′N，總面積約為6 429 km2，該地區(qū)位于我國重點開展地面沉降調(diào)查工作的3大重點地區(qū)之一。受地質(zhì)構造的影響，廊坊市大部地區(qū)處于凹陷地區(qū)，且地面逐漸被第四紀沉積物填平，致使新生界地層沉降厚度較大，地勢較為平緩單調(diào)，平均海拔約為13 m。廊坊市境內(nèi)有7條高速公路，5條鐵路干線穿越；此外，10條國家和20條省級公路縱橫交錯于全市，是中國鐵路、公路密度最大的地區(qū)之一。本文研究區(qū)域東西方向長32.37 km，南北方向長28.52 km，覆蓋了廊坊市大部分區(qū)域。研究區(qū)域地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域地理位置

廊坊市可利用地表水資源缺乏，生活用水、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等主要由開采地下水提供。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，地下水開采量不斷增加，地面沉降范圍也在逐步擴大和發(fā)展。據(jù)水準測量數(shù)據(jù)分析顯示，自1966年以來，廊坊市區(qū)地面累積沉降量超過了800 mm。其中，1966年～1992年的實測數(shù)據(jù)為336 mm，1993年～2004年的計算數(shù)據(jù)為462 mm[1]。廊坊市地面沉降的演變，與該市地下水開采的歷史同步發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)源概述

本文選取了18景覆蓋了廊坊市的0級降軌ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)，估計研究區(qū)域視線向(line-of-sight，LOS)的平均地面沉降速率與地面沉降時間序列，影像時間覆蓋范圍為2007年8月～2010年9月。研究區(qū)域內(nèi)的ASAR影像的入射角范圍為17.9°(近距離向)～22.8°(遠距離向)。所有ASAR影像的極化方式均為VV，且斜距分辨率為7.8 m，方位向分辨率為4.6 m。采用由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)提供的90 m分辨率的SRTM3(Three Arc-second Shuttle Radar Topography Mission)DEM數(shù)據(jù)去除地形相位影響，同時利用歐洲空間局(European Space Agency，ESA)發(fā)布的DORIS軌道數(shù)據(jù)提高ASAR影像的軌道數(shù)據(jù)精度。

2 MTInSAR技術基本原理

MTInSAR技術融合了PS-InSAR技術中選取高相干點的方法與SBAS-InSAR技術中依據(jù)多主影像組合干涉對擅于探測分布式目標點的優(yōu)勢。該技術首先利用PS-InSAR技術與SBAS-InSAR技術分別選取影像中的高相干點，然后對這些高相干點數(shù)據(jù)集進行聯(lián)合處理以獲取沉降信息，提高了沉降信息的空間采樣率，主要方法步驟如下：

(1)依據(jù)時空基線閾值，選擇某一景ASAR影像作為超主影像進行干涉組合，并將所有輔影像進行配準并重采樣至超主影像。

(2)分別采用PS-InSAR技術與SBAS-InSAR技術對影像數(shù)據(jù)進行干涉對組合。假設干涉圖j由tB時刻獲取的主影像與tA時刻獲取的輔影像進行干涉生成，在去除平地效應與地形相位后，干涉圖j中坐標為(x，r)的某一像素的干涉相位可以表示為[11-12]

δφj(x，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)≈

φdef，j(x，r)+φatm，j(x，r)+φorb，j(x，r)+

φθ，j(x，r)+φnoise，j(x，r)

(1)

式中，φ(tB，x，r)和φ(tA，x，r)分別表示tB與tA時刻ASAR影像上的相位值；φdef，j(x，r)表示tA時刻至tB時刻衛(wèi)星視線向的形變相位；φatm，j(x，r)為大氣相位誤差；φorb，j(x，r)為由于軌道不精確引起的誤差相位；φθ，j(x，r)表示由視角誤差導致的誤差相位；φnoise，j(x，r)為噪聲相位。

(3)采用Hooper等[13]提出的算法，從基于PS-InSAR技術獲取的干涉圖中識別點狀穩(wěn)定反射體(Point-like Stable reflectors，PSs)，利用同樣的方法提取短基線干涉圖中的分布式散射體(Distributed Scatters，DSs)。完成了PSs與DSs的選擇后，估計并去除各個像素干涉相位中的空間不相關視角誤差，該誤差包含空間不相關高程誤差和像素的相位中心與其物理中心的偏差。通過重組單主影像干涉相位計算PSs的等效短基線干涉相位后，將來自選定的PSs和DSs的短基線干涉相位進行組合。如某一目標像素同時出現(xiàn)在2個數(shù)據(jù)集中，則對2個數(shù)據(jù)集的復數(shù)信號求和，計算該目標相位的加權平均值。

(4)采用最小費用流算法進行相位解纏，然后估計空間相關的視角誤差和其他空間相關噪聲，并從差分相位中減去，最后估計出研究區(qū)域的沉降速率。完成沉降速率的提取后，依據(jù)各ASAR影像的時間跨度，獲取研究區(qū)域沉降時間序列。

3 廊坊市地面沉降時空信息獲取與分析

3.1 MTInSAR數(shù)據(jù)處理

本文基于MTInSAR獲取廊坊市地面沉降信息的主要數(shù)據(jù)處理步驟如下：①將影像裁剪至本文的研究范圍，選取2009年9月14日獲取的ENVISAT ASAR影像作為超主影像進行干涉對組合，并將其他的輔影像配準，重采樣至該超主影像。②設置時間基線為400d、空間基線為800m，分別通過PS-InSAR與SBAS-InSAR進行差分干涉處理，得到差分干涉處理的時空基線分布圖，見圖2。從圖2可知，基于PS-InSAR生成了干涉圖17對，基于SBAS-InSAR生成了干涉對71對。③依據(jù)NASA提供的SRTM3 DEM數(shù)據(jù)和ESA發(fā)布的DORIS軌道數(shù)據(jù)，去除差分干涉相位中的地形相位與平地效應。④提

圖2 時空基線

取研究區(qū)域內(nèi)的PSs與DSs目標點，進行相位解纏，并去除大氣延遲相位、殘余地形相位等相關噪聲相位。⑤計算研究區(qū)域的沉降速率場與沉降時間序列，并進行地理編碼。

3.2 地面沉降速率結果與分析

圖3為采用MTInSAR技術獲得的廊坊市2007年～2010年的平均沉降速率。把該沉降速率圖疊加至研究區(qū)域的Google Earth影像上。圖3中，負值表示地面沉降，正值表示地面抬升。基于MTInSAR獲取的高相干目標點在城鎮(zhèn)地區(qū)較郊區(qū)密集，在研究時段內(nèi)廊坊市的年平均沉降速率范圍為-75.7～1.2 mm/a，最大沉降速率位于廣陽區(qū)的南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)。

圖3 研究區(qū)域2007年～2010年平均沉降速率

從圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)不均勻沉降明顯，沉降區(qū)域主要位于廊坊市區(qū)，而郊區(qū)地面沉降較小且穩(wěn)定，且這些地面沉降的空間分布與何平等[14]獲取的結果基本一致，也與雷坤超等[8]采用PS-InSAR獲取的沉降中心分布、沉降形成與發(fā)展趨勢基本一致。廊坊市的地面沉降主要分布于安次區(qū)與廣陽區(qū)，但廣陽區(qū)的沉降情況更為嚴重。在廣陽沉降區(qū)存在4個較為明顯的沉降區(qū)域，即南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)、九州鎮(zhèn)沉降區(qū)、萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)以及經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)沉降區(qū)。廊坊市北部與東部地區(qū)的地面沉降較為穩(wěn)定，大部分區(qū)域的沉降速率為-13.3～1.2 mm/a，且這些區(qū)域基本為郊區(qū)，地表地質(zhì)結構受人類活動影響較小。對比分析分布于廣陽區(qū)的4個明顯沉降區(qū)，萬莊鎮(zhèn)與九州鎮(zhèn)沉降區(qū)的沉降速率較小，研究時段內(nèi)萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)與九州鎮(zhèn)沉降區(qū)的最大沉降速率分別達到了-38.5、-45.1 mm/a；經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)沉降區(qū)與南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)的沉降漏斗較大且沉降嚴重，經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的最大沉降速率達到了-43.6 mm/a，南尖塔鎮(zhèn)沉降區(qū)的最大沉降速率達到了-75.7 mm/a。廊坊市的地面沉降以南尖塔鎮(zhèn)為中心有逐漸向四周擴展的趨勢，且向廊坊市北部與西部擴展的范圍與趨勢更為嚴重。

經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的地層為第四系全新統(tǒng)，屬河湖相沉積層，以亞沙土、亞粘土夾粉細砂層為主，該地區(qū)的土層壓縮性較高；此外，經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)1992年6月26日奠基起步，目前已匯聚了來自全球30多個國家和地區(qū)的1 500多家企業(yè)，主要以機械電子、食品、新型建材、輕工紡織、生物制藥等為主，眾多工業(yè)的發(fā)展抽取了經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)大量的地下水，減少了覆土含水層的孔隙水壓力，導致了該地區(qū)的不均勻地面沉降明顯?？梢钥闯?，該地區(qū)的地面沉降漏斗與其工業(yè)區(qū)的地理位置存在較高的空間相關性。

在研究時段內(nèi)，廣陽區(qū)的南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)沉降最嚴重，該地區(qū)居民居住密集，城市發(fā)展與居民用水量大，且廊坊市的供水主要來自地下水抽取；此外，該地區(qū)主要為第四紀沉積物，土層的壓縮性較高，由于地下水的過量開采，地下水位逐漸下降，導致南尖塔鎮(zhèn)地區(qū)的地面沉降不均性明顯，形成了一個明顯的沉降漏斗。

穿過廊坊市的3條主要交通線路(京福鐵路線、京滬高速公路以及京津高速公路)及沿線的沉降情況：京津高速公路及其沿線的沉降速率基本在-13.3～1.2 mm/a范圍內(nèi)，該高速公路主要穿越廊坊市郊區(qū)。京滬高速公路沿線的東北部地區(qū)基本為郊區(qū)，該部分的沉降較小，而京滬高速公路沿線的西南部地區(qū)穿過經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，該部分的不均勻沉降明顯。京福鐵路線穿越廣陽區(qū)和安次區(qū)，在城區(qū)范圍內(nèi)鐵路及其沿線的沉降較為嚴重，最大沉降速率達到了-53.6 mm/a，而穿越郊區(qū)部分沉降較為穩(wěn)定。由于郊區(qū)地下水抽取較少，且城市建設與工業(yè)生產(chǎn)較少，故位于該區(qū)域的交通線路的沉降較小且穩(wěn)定。

綜上分析，廊坊市地面的不均勻沉降主要由地下水的過度開采導致，但地面沉降的形成與發(fā)展也同時受到工業(yè)化發(fā)展、城市建設、交通線路以及地表地質(zhì)結構的影響。

3.3 MTInSAR結果精度分析

為分析采用MTInSAR提取廊坊地區(qū)地面沉降速率的精度，本文給出了研究區(qū)域所有監(jiān)測目標點的平均沉降速率的標準差，見圖4。從圖4可知，通過MTInSAR技術獲取的各個目標點的平均沉降速率的標準差范圍為0.98～9.03 mm/a。標準差較大的目標點主要分布于郊區(qū)，且目標點較少；分布在城鎮(zhèn)地區(qū)的大部分目標點的相干性較高，其平均沉降速率的標準差基本低于3 mm/a。

圖4 研究區(qū)域監(jiān)測目標點平均沉降速率標準差分布

本文對所有目標點的平均沉降速率的標準差進行了統(tǒng)計分析，結果見圖5。從圖5可知，研究區(qū)域內(nèi)平均沉降速率的標準差低于5 mm/a的目標點占總數(shù)的95.1%；依據(jù)MTInSAR技術獲取的研究區(qū)域形變結果的標準差為2.69 mm/a。上述分析表明，利用MTInSAR技術進行廊坊市地面沉降監(jiān)測的精度與穩(wěn)定性較高。

圖5 目標點平均沉降速率標準差統(tǒng)計分布

3.4 地面沉降時間序列結果與分析

為分析廊坊市地面沉降隨時間的演變，本文選取了分布在不同沉降區(qū)的8個PS點(見圖6)，并對這8個PS點的沉降時間序列進行了對比分析，分析結果見圖7。

圖6 PS點地理位置分布

圖7 PS1～PS8點的沉降時間序列

從圖7可知，基于MTInSAR獲取的8個PS點的沉降時間序列呈非線性下降趨勢。由于8個PS點分布的空間位置不一，其累計沉降量也不盡相同。在所選的PS點中，PS1與PS2點位于沉降最嚴重的南尖塔鎮(zhèn)，這2個點的沉降呈持續(xù)下降趨勢，在研究時段內(nèi)PS1與PS2點的累計沉降量分別達到了-181.3 mm與-177.7 mm。位于經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的PS3與PS4點沉降變化具有較高的相似性，其累計沉降量均約為-79 mm。PS5與PS6位于京津高速公路沿線附近，這2個PS點的沉降時間序列變化基本在±10 mm范圍內(nèi)，這與京津高速公路位于廊坊市郊區(qū)，且該地區(qū)的地下水抽取較少有關。位于萬莊鎮(zhèn)沉降區(qū)的PS7與PS8點的累計沉降量分別為-49.2 mm與-45.5 mm，較PS1～PS4點的累計沉降量小，但其沉降變化波動較大?？傊?，廊坊市的地面呈非線性沉降，且地面沉降的嚴重程度受地下水超采影響較大。

4 結 語

本文基于MTInSAR技術，依據(jù)ASAR影像獲取了廊坊市2007年～2010年的地面沉降信息，結合前人的研究結果、廊坊市的地下水開采及工業(yè)發(fā)展情況，研究分析了廊坊市的地面沉降時空特征，主要結論如下：

(1)廊坊市地面不均勻沉降明顯，存在南尖塔鎮(zhèn)、九州鎮(zhèn)、萬莊鎮(zhèn)以及經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)4個明顯沉降區(qū)。其中，南尖塔鎮(zhèn)是最嚴重的沉降區(qū)，最大沉降速率達到了-75.7 mm/a。此外，研究區(qū)域的地面沉降呈非線性形變。

(2)統(tǒng)計分析研究區(qū)域平均沉降速率的標準差得出，95.1%監(jiān)測目標點的標準差小于5 mm/a，基于MTInSAR技術獲取的研究區(qū)域形變結果的標準差為2.69 mm/a，這表明利用MTInSAR技術可以有效進行廊坊市地面沉降監(jiān)測。

(3)沉降漏斗的空間分布與工業(yè)區(qū)和城市建設區(qū)存在較高的相關性，廊坊市地面沉降的形成與發(fā)展受地下水超采影響嚴重。

為進一步研究廊坊市地面沉降發(fā)展趨勢，將在下一步的研究工作中結合多源SAR影像數(shù)據(jù)，研究廊坊市地面沉降時空特征，為城市的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供科學的基礎數(shù)據(jù)。