基于雙極化Sentinel-1數(shù)據(jù)的昆明市地面沉降監(jiān)測

蔣葉林 左小清 李勇發(fā) 熊鵬 王鑫

摘 要：針對在昆明市主城區(qū)出現(xiàn)的地面沉降問題，利用SBAS-InSAR技術(shù)對2018年8月—2019年7月之間的28景VV極化和VH極化Senntinel-1數(shù)據(jù)分別進行處理，得到了在監(jiān)測時段內(nèi)的主城區(qū)的沉降速率圖。從相關(guān)性、形變區(qū)域剖面及時序3個方面對兩種極化的結(jié)果作對比分析，表明VV極化和VH極化兩種極化結(jié)果一致性較高，用于沉降監(jiān)測的可靠性高。研究結(jié)果顯示：主城區(qū)存在多處沉降，最大沉降速率達53 mm/a。主要分為3個沉降區(qū)，沉降區(qū)Ⅰ位于小板橋周邊，沉降區(qū)Ⅱ位于國際會展中心、上五甲村、新河村等地周邊，沉降區(qū)Ⅲ位于西山區(qū)小漁村周邊。發(fā)生沉降的主要原因可歸結(jié)為地上工程建設(shè)壓縮軟土地層，地下工程的規(guī)建擾動土體，靠近滇池區(qū)域的地下水徑流效應(yīng)等。

關(guān)鍵詞：雙極化;SBAS-InSAR;昆明;地面沉降;沉降監(jiān)測

中圖分類號：TP79 ?文獻標(biāo)志碼：A

近些年，由于昆明市的迅速發(fā)展，各種大型的工程不斷建設(shè)完成，不同程度的地面沉降現(xiàn)象在昆明市不同的地方出現(xiàn)，這些沉降現(xiàn)象也正在制約著昆明市的發(fā)展。地面沉降是在多種因素共同作用下，使地表原有形態(tài)遭到破壞，部分區(qū)域高程下降的現(xiàn)象[1]。地面沉降一般是緩慢累積的，不易被人們察覺，災(zāi)害一旦發(fā)生便是不可逆的，不僅會給人們的生產(chǎn)和生活帶來大量損失，而且在一定程度上威脅著公共安全[2]。我國的很多城市都正在遭受著不同程度的地面沉降影響[3-7]，因此對受災(zāi)的城市進行地表沉降的研究是一個十分重要且亟需解決的問題。因此，監(jiān)測發(fā)生地面沉降的城市的沉降變化，研究地表形變的產(chǎn)生原因和防治舉措具有很重要的現(xiàn)實意義[8]。

近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，利用星載雷達獲取地面目標(biāo)的雷達影像，再通過對雷達影像的處理和分析就能獲取研究區(qū)內(nèi)的形變速率場。再此基礎(chǔ)之上，發(fā)展出了一種新的地面沉降監(jiān)測方法，即雷達差分干涉測量（differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR）技術(shù)。D-InSAR技術(shù)分為兩軌法、三軌法和四軌法，在實踐中兩軌差分使用的最多，其基本原理是利用研究區(qū)域形變前后的雷達影像進行干涉處理，從干涉圖中提取形變相位，再將相位信息轉(zhuǎn)換為沉降量和沉降速率[9]。理論上D-InSAR技術(shù)能夠得到毫米級的形變，但在實際應(yīng)用中容易受到失相干和大氣延遲相位的影響，使得實際的監(jiān)測精度無法達到預(yù)期的效果[10-11]。為了能夠達到更好的監(jiān)測效果，BERARDINO等[12-13]提出了小基線集 （small baseline subset，SBAS）技術(shù)。差分干涉測量短基線集時序分析技術(shù)（small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR）的算法本身具有良好的穩(wěn)定性，能夠利用較少數(shù)量的衛(wèi)星影像得到高精度的結(jié)果，并且能夠較好的消除時空失相干和大氣延遲相位，解決了D-InSAR技術(shù)的缺陷，保證監(jiān)測結(jié)果的精度。因為SBAS-InSAR技術(shù)的諸多優(yōu)點，該技術(shù)在地面沉降、礦山測量、滑坡等災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2017年，張艷梅等[14]利用SBAS-InSAR技術(shù)對西安市進行了地面沉降監(jiān)測，從試驗獲取的研究區(qū)沉降速率圖來看，西安市的最大沉降速率達到了-116.5 mm/a。50%的區(qū)域都發(fā)生了沉降現(xiàn)象，大部分的沉降區(qū)域都集中在城郊，共探測出7個沉降漏斗。將結(jié)果與已有的文獻資料對比，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果和文獻中的研究結(jié)果基本一致。2018年，詹景祥等[15]基于28景2013年3月至2015年11月期間的陸地合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，研究了深圳市的地表形變現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)在前海、福田、深圳機場等地存在著多個隱患點，特別是機場區(qū)域的沉降已經(jīng)超過了-50 mm。此外深圳市內(nèi)的地鐵沿線地區(qū)也存在著比較明顯的地面沉降，分析其形變規(guī)律發(fā)現(xiàn)這些沉降大多是因為基坑開挖對土體造成擾動以及地鐵運營荷載作用而導(dǎo)致的。2019年，謝文斌等[16]基于SBAS-InSAR技術(shù)處理了17景哨兵數(shù)據(jù)，獲得了撫順市的地面沉降分布。通過對沉降區(qū)域的橫縱斷面分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的形變速率主要在-44～4 mm/a，形變較大的區(qū)域集中在撫順市的露天礦區(qū)周圍。并依據(jù)信息熵理論將撫順市的形變區(qū)域進行災(zāi)害風(fēng)險等級分級，對城市的建設(shè)和發(fā)展有一定的參考意義。

電磁場的振動方向即極化方式，即當(dāng)?shù)孛媸盏叫l(wèi)星的發(fā)射信號時，所采用的無線電波的振動方向，H表示水平極化，V表示垂直極化[17]。不同極化的數(shù)據(jù)能探測到地物的回波信號有所差別，所含的信息也不盡相同[18]。故本文獲取了VV極化和VH極化的Sentinel-1A數(shù)據(jù)，以昆明市主城區(qū)為研究區(qū)域，利用SBAS算法對這兩組數(shù)據(jù)同時進行處理。得到了研究區(qū)域2018—2019年間的昆明市主城區(qū)的沉降速率圖，明確了昆明市主城區(qū)的沉降趨勢和沉降漏斗分布，相對于利用單極化數(shù)據(jù)進行的研究，雙極化數(shù)據(jù)的研究結(jié)果具有更高的可靠性。

1 研究方法與試驗數(shù)據(jù)

1.1 SBAS-InSAR的基本原理

SBAS方法是在傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了一些改進，使常規(guī)D-InSAR在監(jiān)測方面獲得了較大提高，該方法在地表沉降方面得到了廣泛的應(yīng)用。其原理如下：

假設(shè)獲取N+1景按時間t順序（t0…tN）排列的SAR影像，M幅差分干涉圖可以在時空干涉基線閾值條件自由組合干涉對的的基礎(chǔ)上來生成，且M滿足：

1.2 研究區(qū)概況

昆明市地處我國西南邊陲，在云貴高原的中部，是滇中地區(qū)的中心城市。因其宜人的氣候，優(yōu)美的風(fēng)景被稱作春城。昆明市的經(jīng)緯度范圍為102°10′～103°40′E，24°23′～26°22′N，覆蓋的總面積達21 473 km2。昆明市的各產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，2019年的生產(chǎn)總值為6475.88億元，呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢，市內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)達，有著多條鐵路和公路干線、支線，是我國與西南鄰國溝通的門戶。隨著城市的發(fā)展，大量的工程建設(shè)逐步開展，昆明市地表平衡遭到破壞，主城區(qū)多個地區(qū)出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象，為保證城市穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，進一步探究城區(qū)的沉降分布和沉降機理，本文以西山、盤龍、五華官渡等市轄區(qū)為研究區(qū)域，開展昆明市主城區(qū)的沉降監(jiān)測研究。

1.3 試驗數(shù)據(jù)情況

Sentinel-1A是一個全天時、全天候雷達成像系統(tǒng)，設(shè)計使用壽命為 7 年[19]。 其基本參數(shù)表如下：

本文獲取的是IW成像模式VV極化和VH極化的Sentinel-1A數(shù)據(jù)，兩種極化方式的數(shù)據(jù)各收集了28景，研究時段從2018—2019年。同時還收集了精密軌道數(shù)據(jù)和90 m分辨率的航天飛機雷達地形數(shù)字高程模型（shuttle radar topography mission3 digital elevation model，SRTM3-DEM）數(shù)據(jù)作為外部輔助數(shù)據(jù)。依照圖1所示的SBAS數(shù)據(jù)處理流程對兩種極化的數(shù)據(jù)進處理，即可獲取昆明市主城區(qū)的沉降速率圖和時序沉降量信息。

2 數(shù)據(jù)處理

在正式開始SBAS算法流程之前需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括兩個步驟，首先，要導(dǎo)入原始的影像數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入的過程中用精密軌道數(shù)據(jù)消除軌道誤差。其次，是將影像進行裁剪，提取出研究區(qū)域。此次試驗兩種極化的數(shù)據(jù)處理都選取了2019年1月14日獲取的影像作為試驗的超級主影像，并將所有數(shù)據(jù)與超級主影像進行配準(zhǔn)操作之后，再干涉處理已配準(zhǔn)好的干涉對。該過程生成一系列干涉圖，對生成的干涉圖采用Goldstein濾波的方法對其進行增強處理，處理后各干涉條紋的清晰度明顯提高，有效地抑制了由時空基線失相干問題引入的噪聲。再次，用最小費用流方法對其進行相位解纏。解纏圖上攜帶著形變相位信息，通過對解纏圖的形變反演才能得到形變時間序列。反演分為兩次，第一次反演估算形變速率和消除殘余相位。這一步驟中需要用到地面控制點（ground control point，GCP）數(shù)據(jù)，文中先在穩(wěn)定區(qū)域選擇出一組GCP，共50個。并且對VV極化和VH極化數(shù)據(jù)的處理共用這一組GCP數(shù)據(jù)，防止引入新的誤差，通常這一步驟還需要進行二次相位解纏來提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。第二次反演主要是通過時間域上的高通濾波與空間域上的低通濾波處理，將沉降相位、大氣延遲相位和數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）誤差相位等從相位模型中分離出來。最后，經(jīng)過地理編碼就可以得到視線向形變時間序列。

3 結(jié)果分析

3.1 沉降結(jié)果分析

使用SBAS的數(shù)據(jù)處理流程數(shù)據(jù)分別對VV和VH極化的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到基于兩種極化方式數(shù)據(jù)的沉降速率圖。觀察沉降速率圖2和圖3可知，兩種極化方式下的監(jiān)測結(jié)果的沉降范圍基本一致，昆明市城區(qū)有著多處明顯的沉降，僅有少數(shù)幾個地方出現(xiàn)了小幅度的抬升。雖然最大沉降速率分別為-52.97 mm/a（VV）和-53.68 mm/a（VH），但是大部分區(qū)域的沉降速率很小，接近于0。說明昆明市城區(qū)大部分地區(qū)相對較為穩(wěn)定，但存在小部分地區(qū)的沉降速率過大，容易引發(fā)災(zāi)害問題。針對這些小部分嚴(yán)重沉降區(qū)域展開研究，將昆明市城區(qū)發(fā)生沉降的區(qū)域劃分為3個沉降區(qū)，分別命名為沉降區(qū)Ⅰ、沉降區(qū)Ⅱ、和沉降區(qū)Ⅲ。

沉降區(qū)Ⅰ位于官渡區(qū)小板橋，從圖5中可以看出，沉降較大的位置在雨龍村、陸旗營村、楓林盛景小區(qū)、云路裕庭小區(qū)、星宇園小區(qū)、子君欣景小區(qū)、義路村、廣衛(wèi)村等地。多個沉降漏斗相連，形成了主城區(qū)最大的沉降漏斗，沉降面積達8.75 km2，VV極化和VH極化數(shù)據(jù)在沉降區(qū)Ⅰ內(nèi)的最大沉降速率分別為-45.26 mm/a和-47.90 mm/a，平均沉降速率為-13.85 mm/a和-13.90 mm/a;沉降速率達到最大的地方是子君欣景小區(qū)。調(diào)查顯示，在沉降區(qū)Ⅰ內(nèi)建設(shè)了多個小區(qū)，密集的建筑群使軟土地層被壓縮，是沉降的主要原因;沉降區(qū)內(nèi)還經(jīng)過了昆磨高速公路、東繞城高速公路以及正在規(guī)建的地鐵4號線，地下工程的建設(shè)和工程降水措施不可避免的會造成土體擾動，加之地面兩條交通要道上巨大的車流荷載，這都是沉降產(chǎn)生的原因。

沉降區(qū)Ⅱ在官渡區(qū)，沉降多發(fā)生于洱海湖畔，并進一步向城中心延伸。在沉降區(qū)Ⅱ中分布著多個沉降漏斗，由南到北分別為：漁村、云南藝術(shù)家園小區(qū)、漁漁戶村、上河村、昆明滇池國際會展中心、管家溝村、東張村、梁家村、蝦壩村、上五甲村、向華村、巫家壩村、太河社區(qū)、南繞城高速公路、?？祷▓@小區(qū)、新河村以及楊家地村等地。發(fā)生沉降的總面積共計62.54 km2，VV極化和VH極化數(shù)據(jù)在沉降區(qū)Ⅱ內(nèi)的最大沉降速率分別為-52.97 mm/a和-49.92 mm/a，平均沉降速率為-10.62 mm/a和-9.59 mm/a;年均沉降速率最大的區(qū)域是昆明滇池國際會展中心以及官渡五甲塘濕地。因為靠近滇池，滇池周邊區(qū)域的地下水會以滇池為最低徑流基準(zhǔn)面向著滇池方向發(fā)生徑流，使得這些流經(jīng)區(qū)域的地下水的水位出現(xiàn)了下降，造成了地面沉降現(xiàn)象[20];與此同時大量的工程如小區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施等的建設(shè)，也在一定程度上助力著主城區(qū)的地面沉降。

沉降區(qū)Ⅲ位于西山區(qū)，發(fā)生沉降的面積僅為1.2 km2，主要在小漁村、積中村以及白馬城公園等地發(fā)生沉降，小漁村處的沉降速率最大。VV極化和VH極化數(shù)據(jù)在沉降區(qū)Ⅰ內(nèi)的最大沉降速率分別為-43.67 mm/a和-43.96 mm/a，平均沉降速率為-11.43 mm/a和-10.85 mm/a;因為沉降區(qū)Ⅲ的面積小，沉降區(qū)內(nèi)的平均沉降速率小，可以認(rèn)為該區(qū)域較為穩(wěn)定。

3.2 雙極化結(jié)果對比

為進一步對在VV極化和VH極化方式下得到的沉降結(jié)果進行對比，本文試驗將從從相關(guān)性、形變區(qū)域剖面及沉降時序3個方面進行分析。

3.2.1 相關(guān)性分析

有著相同地理坐標(biāo)的點叫同名點，從3個沉降區(qū)中均勻的提取500個本身相干性較高的同名失相干現(xiàn)象表現(xiàn)緩慢（slowly deecorrelation filter phase，SDFP）點，提取出這些點的沉降速率進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，這些具有相同名稱點的沉降速率分布十分均勻，且呈線性分布，線性相關(guān)性R=0.978 3，說明兩組數(shù)據(jù)具有高度一致性，也說明用雙極化數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2.2 剖面分析

在沉降區(qū)Ⅰ和沉降區(qū)Ⅱ中各選擇一個沉降漏斗進行剖面分析，如圖8和圖9。從沉降區(qū)Ⅰ的沉降漏斗來看，沉降速率都從11 mm/a開始逐漸增大，到剖面1.5 km處達到最大值約為41 mm/a，接著開始減小，到剖面2.8 km處沉降速率接近于0。在沉降區(qū)Ⅱ的沉降漏斗中，沉降速率從4 mm/a開始逐漸增大，到剖面0.3 km處達到最大值約為35 mm/a，形成一個較大的低谷，然后沉降速率逐漸減小，到0.6 km處為15 mm/a，之后的沉降速率較為平緩，但在1.1 km有個小低谷。結(jié)合衛(wèi)星影像資料以及實地踏勘分析，第一個低谷的位置位于滇池會展東路、滇池會展北路以及巫家壩路三條路交匯的十字路口處，第二個低谷的位置位于滇池會展西路與巫家壩路的交匯路口處，其產(chǎn)生的原因可能是在道路的交匯處車流量較大，地表承受的的動荷載較大以及道路交匯處高架橋本身的靜荷載較大。對比發(fā)現(xiàn)，兩個沉降漏斗的剖面圖呈現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，這說明在兩種極化方式下得到的沉降結(jié)果十分相近。

3.2.3 時序分析

在兩個沉降漏斗中選出兩個同名點，將2018年8月到2019年7月間的時序變化情況進行了對比，其對比情況如圖10所示?？梢钥闯鰞煞N極化所得結(jié)果的變化趨勢一致，統(tǒng)計得到在各個變化節(jié)點的沉降量差異，沉降區(qū)Ⅰ中相差2.1 mm，沉降區(qū)Ⅱ中相差2.9 mm。說明VV極化和VH極化這兩種極化方式下沉降結(jié)果的時序變化差異較小。

通過對相關(guān)性、沉降漏斗剖面和時序變化3個方面的對比分析，發(fā)現(xiàn)將雙極化數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測是可行的，所得結(jié)果具有較好的一致性和可靠性。

4 結(jié)論

本文利用2018年8月到2019年9月之間的28景Sentinel-1數(shù)據(jù)，結(jié)合了SBAS-InSAR這種數(shù)據(jù)處理方法，對VV極化和VH極化的兩種不同極化的數(shù)據(jù)分別進行了處理，從而獲取到研究區(qū)域在昆明市主城區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)的地面沉降信息。在主城區(qū)總共探測出3出沉降區(qū)，沉降區(qū)Ⅰ位于小板橋周邊，沉降區(qū)Ⅱ位于國際會展中心、上五甲村、新河村等地周邊，沉降區(qū)Ⅲ位于西山區(qū)小漁村周邊。對主城區(qū)地理位置、地質(zhì)條件以及工程建設(shè)情況進行分析，得出主城區(qū)出現(xiàn)地面沉降主要是因為大量的地上工程建設(shè)壓縮軟土地層，地下工程的規(guī)建擾動土體，靠近滇池區(qū)域的地下水徑流效應(yīng)等。對兩種極化結(jié)果的相關(guān)性、沉降漏斗剖面和時序變化進行分析，證明用VV極化和VH極化數(shù)據(jù)所得結(jié)果有著良好的一致性和可靠性，在缺少實地測量數(shù)據(jù)的情況下可以用VV極化和VH極化的數(shù)據(jù)相互驗證，增加試驗結(jié)果的可靠性。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract： In response to the ground subsidence problem in the main urban area of Kunming， SBAS-InSAR technology was used to process 28 scenes of VV polarization and VH polarization Senntinel-1 data between August 2018 and July 2019 respectively， and obtain the settlement rate graph of the main urban area during the monitoring period is shown. The results of the two polarizations are compared and analyzed from three aspects of correlation， deformation regional profile and time sequence. It shows that the results of VV polarization and VH polarization are consistent， and the reliability of settlement monitoring is high. The research results show that there are multiple settlements in the main urban area，with a maximum settlement rate of 53 mm/a. It is mainly divided into three subsidence areas， subsidence area I is located around Xiaobanqiao， subsidence area II is located around the International Convention and Exhibition Center，Shangwujia Village，Xinhe Village，etc.， and subsidence area III is located around Xiaoyu Village in Xishan District. The main reasons for the settlement can be attributed to the construction of above-ground engineering to compress the soft soil layer， the construction of underground engineering to disturb the soil，and the groundwater runoff effect near the Dianchi Lake area， etc.

Key words： dual polarization; SBAS-InSAR; Kunming; ground subsidence; subsidence monitoring