PSI技術(shù)在貴陽(yáng)市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉懷林 章 彭

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,基建設(shè)施的增加在給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí),也伴隨著諸多問(wèn)題。例如軌道交通建設(shè),軌道交通運(yùn)營(yíng)線路多通過(guò)城市的主要街區(qū)以及繁華商圈,車站周邊地表受基坑開(kāi)挖影響產(chǎn)生沉降等環(huán)境問(wèn)題較為顯著[1]。而貴州省貴陽(yáng)市作為巖溶地貌發(fā)育的典型地區(qū),加之其豐富的降雨量,極易在巖溶系統(tǒng)滲流場(chǎng)中形成地下水動(dòng)力條件,導(dǎo)致巖溶塌陷[2]。同時(shí),貴陽(yáng)市近年來(lái)興建地下軌道交通線路,目前,軌道交通1號(hào)線已經(jīng)運(yùn)行一年,軌道交通2號(hào)及3號(hào)線在建。特殊的地質(zhì)條件、地面荷載和人類活動(dòng)的影響非?？赡軐?dǎo)致地面沉降、塌陷等相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生,對(duì)周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)隱患[3]。因此,對(duì)貴陽(yáng)市進(jìn)行全面的地表形變普查,成為迫切需求。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、全天時(shí)全天候的特點(diǎn),隨著永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)(Permanent Scatter InSAR, PSI)和小基線集(Small Baseline Subsets, SBAS)等時(shí)間序列InSAR技術(shù)的問(wèn)世,其監(jiān)測(cè)精度經(jīng)驗(yàn)證可達(dá)到毫米級(jí)[4]。目前,時(shí)間序列InSAR技術(shù)已經(jīng)成為地表沉降監(jiān)測(cè)、礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等外觀監(jiān)測(cè)最有利的手段之一[5]。在城市地表沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中,早在2007年,葛大慶等就利用一種基于相干目標(biāo)的多基線D-InSAR數(shù)據(jù)處理算法,以滄州地區(qū)2004—2005年12景SAR為例,成功提取了該地區(qū)地表沉降線性形變速率及其演變狀況[6]。近年來(lái),InSAR技術(shù)在大面積地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越發(fā)成熟。2016年,張永紅等利用SBAS技術(shù),基于ERS-1/2、ENVISAT ASAR、RADARSAT-2四顆衛(wèi)星攝取的3個(gè)時(shí)段的時(shí)間序列影像,成功提取了京津冀地區(qū)1992—2014年三個(gè)時(shí)段的地面沉降信息[7]。2017年,何琪等利用PSI技術(shù)提取鄭州市地表沉降走勢(shì)及地區(qū)分布,并與鄭州市地下水位變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)了地下水位變化與地表沉降直接相關(guān)的關(guān)系[8]。以上研究成果已經(jīng)證明了InSAR技術(shù)在城市沉降監(jiān)測(cè)中的可行性和其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)貴陽(yáng)市目前的情況,本文選用貴陽(yáng)市2018年12月至2019年12月共計(jì)32景Sentinel-1升軌影像數(shù)據(jù),基于PSI技術(shù)對(duì)貴陽(yáng)市進(jìn)行了形變信息提取,并通過(guò)實(shí)地考察,對(duì)地表形變的原因進(jìn)行分析,為城市地表形變監(jiān)測(cè)普查提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)市位于我國(guó)西南地區(qū),貴州省中部,經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)106°07′～107°17′,北緯26°11′～26°55′?？傮w地勢(shì)分布為西南高、東北低,平均海拔在1 100 m,地貌屬于以山地、丘陵為主的丘原盆地地區(qū)。貴陽(yáng)境內(nèi)土壤以酸性黃壤為主,與石灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁(yè)巖等交錯(cuò)分布。貴陽(yáng)屬亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候,年平均氣溫為15.3℃,年平均相對(duì)濕度為77%,年平均總降水量為1 129.5 mm。截至2019年12月28日,貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線全線開(kāi)通,在建的有軌道交通2號(hào)和3號(hào)線?，F(xiàn)有和在建地鐵線路的基本信息見(jiàn)表1。

表1 貴陽(yáng)市現(xiàn)有地鐵線路情況表

2 理論及方法

2.1 數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介

本文收集了2018年12月23日至2019年12月30日32景Sentinel-1雷達(dá)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表 2),其產(chǎn)品接收模式為IW(Interferometric Wide Swath)模式,C波段(波長(zhǎng)15.3 cm),產(chǎn)品級(jí)別為L(zhǎng)evel1(單視復(fù)數(shù)影像數(shù)據(jù)),HH極化,視角為39.3°,方位向像元大小為2.329 562 m,距離向像元大小為13.967 140 m。

為了去除地形相位,在進(jìn)行二軌差分法差分干涉測(cè)量時(shí)需要利用高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),本文采集了30 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)。

2.2 PSI技術(shù)原理與方法

PSI技術(shù)是利用不同時(shí)相獲取的雷達(dá)影像中的穩(wěn)定散射目標(biāo)來(lái)估算干涉圖中的地形誤差、大氣延遲等[9]。其中地形誤差可通過(guò)其與基線的正比關(guān)系進(jìn)行估算。大氣延遲相位在空間維度中表現(xiàn)為相關(guān)的低頻信息,在時(shí)間維度上表現(xiàn)為隨機(jī)的高頻信息;而非線性形變相位在空間和時(shí)間維度中都表現(xiàn)為相關(guān)的低頻信息。因此,通過(guò)時(shí)間域高通濾波和空間域低通濾波的方法可以將大氣延遲相位分離出來(lái)[10]。其具體步驟如圖1所示。

圖1 PSI技術(shù)流程圖

(1)差分干涉SAR數(shù)據(jù)處理

從N+1幅影像中選取主影像,將其余N幅影像配準(zhǔn)到主影像的成像空間。同時(shí),生成N個(gè)干涉對(duì),利用外部DEM去除地形相位,獲得時(shí)序上的N幅差分干涉圖。

(2)PS點(diǎn)選取

PS點(diǎn)目標(biāo)被認(rèn)為是良好的相干目標(biāo),能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性,能反映真實(shí)的地表形變情況。在時(shí)序干涉的相干目標(biāo)分析中,常采用的選點(diǎn)方法有振幅離差指數(shù)法、均值時(shí)序相位相干性法、基于SCR(信噪比)法、相干系數(shù)法、時(shí)序相關(guān)系數(shù)閾值法等。

(3)線性形變速率和DEM誤差估計(jì)

如圖3所示，在AB延長(zhǎng)線上截取BE=c-a，則AE=c；連接DE，交BC于點(diǎn)F，過(guò)B作BG∥DE，交AD于點(diǎn)G；過(guò)E、G分別作EH∥AD，GH∥AB，交于點(diǎn)H；再分別將GH與DE、BC的交點(diǎn)記作I、J.把△DFC平移到△IEH的位置，把△GID平移到△BEF的位置，則矩形ABCD被剪拼轉(zhuǎn)化為邊長(zhǎng)分別為的矩形AEHG.

利用Delaunay不規(guī)則三角網(wǎng)建立候選點(diǎn)之間的連接關(guān)系,進(jìn)行空間上的相位解纏。利用周期圖譜的估計(jì)方法,取使整體相干性達(dá)到最大值時(shí)為線性形變速率和DEM誤差的估計(jì)值,然后使用帶權(quán)的最小二乘方法進(jìn)行相位解纏,從已知參考點(diǎn)解算出稀疏格網(wǎng)上每一點(diǎn)的線性形變速率和DEM誤差改正值。

(4)大氣相位、非線性形變估計(jì)

為得到完整的形變相位,需對(duì)去除了線性形變和地形誤差相位的殘余相位進(jìn)行分離,通過(guò)時(shí)間域的低通濾波和空間域的高通濾波提取大氣相位和非線性形變相位,從而獲取時(shí)間序列上的完整形變信息。

3 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)2.2節(jié)中的方法獲取貴陽(yáng)市平均形變速率的專題圖(圖2)。其中,平均形變速率的量級(jí)為-80～80 mm/a,最大平均沉降速率達(dá)到77 mm/a,最大平均抬升速率達(dá)到73 mm/a,各形變區(qū)零散分布于監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)。按照貴陽(yáng)市區(qū)縣行政邊界進(jìn)行劃分,各區(qū)縣的形變區(qū)(平均形變速率大于20 mm/a且面積大于1×104m2)數(shù)量分布情況如表2所示。

表2 形變區(qū)按區(qū)縣行政區(qū)劃分布情況

圖2 貴陽(yáng)市平均形變速率專題圖及局部實(shí)例專題圖

為了分析貴陽(yáng)市地鐵線路的施工及運(yùn)行對(duì)地面沉降造成的影響,本文提取了目前已有地鐵線路(包括在建)1～3號(hào)線500 m緩沖區(qū)內(nèi)的形變點(diǎn),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3和表3所示。

表3 地鐵線路500m緩沖區(qū)形變情況統(tǒng)計(jì)表

圖3 地鐵線路500 m緩沖區(qū)形變點(diǎn)平均形變速率頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,形變較大的PS點(diǎn)數(shù)量占比極少,且從其空間分布來(lái)看離散度較高,可將這些PS點(diǎn)的形變歸類為相位噪聲。因此,可證實(shí)監(jiān)測(cè)期間地鐵沿線并未發(fā)生明顯形變。

圖4中A區(qū)域位于貴陽(yáng)繞城高速與貴黔高速交接處G6001(花溪/觀山湖/上麥)高速公路出口西1 km處,其最大沉降速率為77 mm/a。圖4(a)為該區(qū)域最大形變點(diǎn)累積形變量的時(shí)間序列變化統(tǒng)計(jì)圖。通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖可知,該區(qū)域自監(jiān)測(cè)之日起一直處于沉降狀態(tài)。B區(qū)域位于貴陽(yáng)市觀山湖區(qū)湯耙哨村附近,最大沉降速率為68 mm/a。圖4(b)為該區(qū)域最大形變點(diǎn)累積形變量的時(shí)間序列變化統(tǒng)計(jì)圖,通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖可知,該區(qū)域自監(jiān)測(cè)之日起幾乎一直處于沉降狀態(tài),在2019年4月22日至5月4日出現(xiàn)抬升。C區(qū)域位于貴陽(yáng)市南明區(qū)南明歐美醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園附近,最大抬升速率為65 mm/a。圖4(c)為該區(qū)域最大形變點(diǎn)累積形變量的時(shí)間序列變化統(tǒng)計(jì)圖,通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖可知,該區(qū)域自監(jiān)測(cè)之日起一直處于間歇性抬升狀態(tài)。根據(jù)Google Earth影像及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn),A、B沉降區(qū)在監(jiān)測(cè)期間為開(kāi)墾狀態(tài),土質(zhì)松軟,不穩(wěn)定的軟土層可能是導(dǎo)致沉降的主要因素;C抬升區(qū)在監(jiān)測(cè)期間為新增建設(shè)用地,地基增高可能是導(dǎo)致抬升的主要原因。

圖4 實(shí)例形變區(qū)累積性變時(shí)序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用2018年12月至2019年12月的32景Sentinel-1影像,基于PSI技術(shù)獲取了貴陽(yáng)市地表形變結(jié)果。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,本次監(jiān)測(cè)區(qū)中形變量較大、區(qū)域較廣的形變區(qū)共計(jì)24個(gè),其中沉降區(qū)21個(gè),抬升區(qū)3個(gè),平均形變速率為-77～68 mm/a(負(fù)值為沉降,正值為抬升),所有形變區(qū)均離地鐵線路較遠(yuǎn)。通過(guò)查詢歷史光學(xué)影像,形變區(qū)均位于地面施工區(qū)域,其中開(kāi)墾地面表現(xiàn)為沉降區(qū),新增建設(shè)用地表現(xiàn)為抬升區(qū)。

本文證明了PSI技術(shù)能夠獲取城市地表形變監(jiān)測(cè)的形變信息和時(shí)間序列變化信息,其在城市地表形變監(jiān)測(cè)普查中具有很大優(yōu)勢(shì),能夠?yàn)檠芯砍鞘谢ㄔO(shè)對(duì)城市地表形變的影響提供參考。但由于缺少具體的歷史變化信息,以及相關(guān)的地質(zhì)、水文資料,無(wú)法進(jìn)行深層次的形變成因分析。因此,將PSI結(jié)果與地質(zhì)、水文資料等條件結(jié)合,為地表形變進(jìn)行綜合研判,將是下一步的研究方向。