時(shí)序InSAR技術(shù)對(duì)大連主城區(qū)沉降分析

楊 帆，鞏世彬，陳梓萌

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

大連的工業(yè)和房地產(chǎn)建設(shè)發(fā)展迅速，人口數(shù)量和城鎮(zhèn)密集程度都在飛速增長，且大連主城區(qū)內(nèi)地質(zhì)地貌十分復(fù)雜，大連市正持續(xù)遭受海水入侵、工程建設(shè)及人流車流密集活動(dòng)導(dǎo)致地面沉降帶來的不同程度的影響[1]，根據(jù)報(bào)道大連市區(qū)每年都會(huì)發(fā)生地面坍塌沉陷事故，造成多起傷亡。曾在2011年3月10—17日發(fā)生了3次由于地面沉降導(dǎo)致的塌陷事故，造成一人死亡多人受傷，土石方坍塌量約200 m3，給大連市人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅，地面沉降已經(jīng)成為阻礙城市建設(shè)發(fā)展的重要因素之一，而利用InSAR技術(shù)能夠在早期識(shí)別這些地質(zhì)災(zāi)害[2]。如今導(dǎo)致地面沉降的因素越來越復(fù)雜，因此要采用先進(jìn)的技術(shù)手段掌握快速變化的城市沉降特征。文中使用PS-InSAR技術(shù)和SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)覆蓋大連地區(qū)的30景Sentinel-1A影像進(jìn)行時(shí)序分析，反演大連部分地區(qū)2018年11月8日—2020年10月28日的地面沉降信息及沉降發(fā)育特征，分析導(dǎo)致沉降的因素及沉降的趨勢(shì)。為大連市預(yù)防地面塌陷災(zāi)害和治理地面塌陷災(zāi)害提供有力數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

大連市位于遼東半島南端，北面依靠遼闊的內(nèi)陸，三面環(huán)海。處于120°58′～123°31′E之間，38°43′～40°12′N之間，以沿海丘陵地貌為主。全市海岸線總長為2 211 km。擁有重要的貿(mào)易港口，是東北地區(qū)的門戶。

大連市經(jīng)過長時(shí)間大量的地下水超采，自1964年就發(fā)現(xiàn)了大連地區(qū)地下海水入侵現(xiàn)象，到2006年入侵面積達(dá)856.1 km2，部分區(qū)域產(chǎn)生了不規(guī)則的沉降，給人民的生活生產(chǎn)都帶來了巨大的影響。海水入侵和城市發(fā)展建設(shè)的荷載和交通運(yùn)動(dòng)負(fù)荷等因素致使市區(qū)的地面沉降加重，成為大連市面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3]。研究區(qū)域以大連市區(qū)為中心，圖1中外部紅框?yàn)楦采w整個(gè)大連的哨兵1A影像覆蓋范圍，內(nèi)部紅框?yàn)橛跋襁M(jìn)行裁剪后的研究區(qū)域。

圖1 影像覆蓋范圍及研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果比較

2.1 數(shù)據(jù)選取

實(shí)驗(yàn)選取影像數(shù)據(jù)為大連市2018年11月8日—2020年10月28日期間的30景Sentinel-1A干涉寬幅(IW)的雷達(dá)影像，分辨率為5 m×20 m，波長為5.6 cm，入射角約為36.56°，中心頻率帶寬為56.6 MHz，極化方式為VV。實(shí)驗(yàn)以 20200114為公共主影像，生成120幅PS-InSAR 相位纏繞干涉圖及 104 幅SBAS-InSAR 相位纏繞干涉圖。得到其臨界基線值約為5 466.422 m，干涉對(duì)中最小空間基線為0.028 m，最大為147.852 m，遠(yuǎn)小于臨界基線值，能很好去除地形的影響，保持較好的相干性，實(shí)驗(yàn)中選取分辨率為90 m×90 m的SRTM DEM高程數(shù)據(jù)。表1所示為所使用的Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)的詳細(xì)參數(shù)。

表1 30景sentinel-1A影像參數(shù)

2.2 PS 時(shí)序分析

PS-InSAR技術(shù)原理是應(yīng)用多景同一區(qū)域的多景SAR數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)得到影像的時(shí)間基線和空間基線[4]，探測(cè)出始終保持較高的相干性的PS點(diǎn)，最終得出每個(gè)PS點(diǎn)的精確形變信息[5]。

(1)

(2)

式中:R為目標(biāo)與衛(wèi)星之間斜距；λ為信號(hào)波長；θ為雷達(dá)信號(hào)入射角度[8]。

(3)

(4)

最終估算得到的高程和形變速率方差存在關(guān)系：

(5)

(6)

PS-InSAR技術(shù)能夠解決干涉處理過程中的大氣延遲和時(shí)空失相干問題[9]，有效地估算并去除大氣效應(yīng)和地形殘余，最終得到mm級(jí)精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 PS-InSAR處理流程

PS-InSAR 處理中，選取公共主影像時(shí)，要讓時(shí)間基線盡量的小[10]，空間基線對(duì)相干性的影響比較大，將空間基線限制在臨界基線的1/3可以使干涉圖具有較高的相干性。文中選取2020-01-14 圖像作為公共主影像，最大時(shí)間基線為 432 d，最小時(shí)間基線為24 d，最大空間基線為118.778 m，最小為4.233 8 m，如圖3所示。

圖3 PS干涉處理時(shí)空基線連接圖

以大連市主城區(qū)作為研究區(qū)域，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)相干系數(shù)閾值為0.9時(shí)，PS點(diǎn)大多分布在穩(wěn)定的建筑物上，選取PS點(diǎn)質(zhì)量較好，并最終選取227 594 個(gè)PS點(diǎn)。然后對(duì)選取的PS 點(diǎn)進(jìn)行相位解纏，去除存在的軌道誤差、去除地形相位，估算并去除DEM 誤差相位[11]、大氣誤差相位等，最終獲取每個(gè)PS點(diǎn)的形變量以及平均形變速率場(chǎng)。

2.3 SBAS 時(shí)序分析

SBAS技術(shù)原理是首先利用較短的時(shí)間基線和空間基線來提高雷達(dá)影像干涉圖的相干性，利用多視的方法來對(duì)差分干涉圖進(jìn)行降噪[12]，最后使用奇異值分解法(SVD)求得地表形變速率。

首先利用公共主影像與輔影像生成第j幅差分干涉圖[13]，并設(shè)方位向坐標(biāo)為x，距離向坐標(biāo)為r。得到像素的干涉相位為:

Δφj(x,r)=φ(tB,x,r)-φ(tA,x,r).

(7)

在高相干點(diǎn)上建立觀測(cè)方程進(jìn)行兩景影像間相位做差時(shí)的線性模型，設(shè)Δφj,res(x,r)表示第j幅干涉圖中的殘余相位，Δz(x,r)為高程誤差，a為系數(shù)。得到其相位差為：

(8)

SBAS方法在處理的過程中根據(jù)大氣延遲誤差、形變以及噪聲的不同時(shí)空特征，通過空間低通濾波和時(shí)間高通濾波得到大氣延遲引起的相位，將大氣延遲相位從殘余相位中分離出來，得到只包含形變信息和噪聲的差分干涉圖，從而將該相位值作為觀測(cè)值求取時(shí)間序列形態(tài)值，處理流程如圖4所示。

圖4 SBAS數(shù)據(jù)處理流程

選取比較小的時(shí)間基線和空間基線克服去相干影響[14]，實(shí)驗(yàn)選擇104個(gè)垂直基線都小于400 m的干涉組合，符合短基線集技術(shù)要求，組合方式如圖5所示。

圖5 SBAS干涉處理時(shí)空基線連接

3 PS 與 SBAS 干涉結(jié)果及地面沉降分析

3.1 地面沉降分布特征

該實(shí)驗(yàn)中得到大連市主城區(qū)內(nèi)近兩年最大年沉降速率分別為22.159 mm/a 與 22.714 mm/a，地面沉降呈現(xiàn)中度發(fā)育特征，沉降比較嚴(yán)重地區(qū)基本上分布在甘井子區(qū)北部沿海處與南部市政交界處。從整體上看，SBAS方法得到的地面抬升現(xiàn)象范圍比PS方法得到的面積大，證明兩種技術(shù)方法得到年形變速率的結(jié)果具有一致性、可靠性。從得到的結(jié)果可以看出，大連市的地面沉降中心多，且不集中，其中沉降較嚴(yán)重區(qū)域?yàn)楦示訁^(qū)(A-a)、(B-b)、(C-c)和西崗區(qū)(D-d)，沉降嚴(yán)重連片區(qū)域?yàn)楦示訁^(qū)革鎮(zhèn)堡街道與凌水街道，此處沉降面積大，范圍廣；甘井子區(qū)與金州區(qū)交界處沿海一帶(E-e)地面出現(xiàn)抬升現(xiàn)象；西崗區(qū)一帶地面沉降速率較大，沉降速率范圍為-17～1.766 mm/a，一些地區(qū)表現(xiàn)為抬升現(xiàn)象，主要分布在香爐礁街道與北京街道北部一帶，并有地面抬升現(xiàn)象；大連主城區(qū)的沙河口區(qū)與中山區(qū)較為穩(wěn)定，年沉降速率在-3～3 mm/a范圍內(nèi)。從圖6(b)中可以看出，在中山區(qū)沿海邊緣處幾乎未得到沉降信息，原因是由于靠近海邊大氣延遲效應(yīng)比較嚴(yán)重，在濾除大氣延遲效應(yīng)時(shí)將形變信息一并濾波。而在甘井子區(qū)西南處與旅順口區(qū)交界處未得到沉降信息，原因?yàn)榇颂幧絽^(qū)植被茂密，電磁波在穿透到地面進(jìn)行反射得到地面信號(hào)過程中，電磁波容易與植被的枝葉發(fā)生體散射[15]，電磁波穿透不到地面，故而未得到沉降信息。

圖6 PS與SBAS反演結(jié)果對(duì)比

3.2 PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)交叉檢驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以PS技術(shù)的反演結(jié)果為主，以SBAS的反演結(jié)果為輔，對(duì)大連主城區(qū)的地面沉降分布特征進(jìn)行分析。兩種方法結(jié)果處理過程相同，將LOS方向上的形變值，通過轉(zhuǎn)換得到垂直方向的形變值。SBAS方法可以在低相干的區(qū)域得到分布式的結(jié)果，比較適合野外植被覆蓋多的地區(qū)。而PS-InSAR技術(shù)可以得到相干性較高的點(diǎn)目標(biāo)，比較適合城市地區(qū)的監(jiān)測(cè)。大連市屬于丘陵盆地地形，市區(qū)內(nèi)植物較多，因此是非常好的試驗(yàn)場(chǎng)地。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，應(yīng)用ArcGIS軟件隨機(jī)提取出550個(gè)點(diǎn)，并將與隨機(jī)點(diǎn)最接近的PS-InSAR與SBAS-InSAR共550組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果作為特征點(diǎn)。對(duì)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到圖7所示的散點(diǎn)圖，通過線性擬合得到線性方程y=0.32+0.76x，R2=0.816，證明兩種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有顯著的相關(guān)性。從圖7中可以看出兩種方法個(gè)別的值具有偏差，其原因可能是該方法具有隨機(jī)性，且PS監(jiān)測(cè)技術(shù)為某一隨機(jī)點(diǎn)的計(jì)算，而SBAS技術(shù)為區(qū)域式的目標(biāo)計(jì)算易受附近形變信息的影響。

圖7 PS-InSAR與SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果相關(guān)性(mm·a-1)

3.3 沉降原因分析

結(jié)合衛(wèi)星影像圖對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行分析，其中大多數(shù)的沉降與地下水入侵和人類的生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。圖8為甘井子區(qū)北部沿海地區(qū)，該區(qū)工廠和生產(chǎn)需要大量的淡水資源，導(dǎo)致了沿海地區(qū)的海水入侵，土體發(fā)生新的沉降。從其中一個(gè)PS點(diǎn)的歷史形變趨勢(shì)可以看出：隨著工程的完工，其趨勢(shì)仍在持續(xù)沉降，故判定該區(qū)域會(huì)一直受地下水入侵影響而導(dǎo)致沉降。圖9位置為甘井子區(qū)與西崗區(qū)交界處，該處沉降主要在快軌三號(hào)線金家街站到香爐礁站之間的東北快速路兩側(cè)，該區(qū)域有眾多的商場(chǎng)和工廠，為人流車流量密集區(qū)域，由于車輛的荷載引起的道路地面沉降。而且該區(qū)域也在地下水入侵的范圍內(nèi)，由于建筑物地下混凝土避免不了與地下水接觸，經(jīng)過長時(shí)間的接觸會(huì)產(chǎn)生各種局部裂縫等沉降，從其PS點(diǎn)的形變趨勢(shì)來看，該處將會(huì)持續(xù)沉降。圖10位置為甘井子區(qū)與金州區(qū)交界沿海處，該地區(qū)地面出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，是由于該區(qū)域被地下水侵蝕地下的巖石后，巖石發(fā)生物理軟化反應(yīng)[16]，導(dǎo)致礦物內(nèi)部和外部不斷吸水膨脹，并且大連市地下水開采的控制，該處地下水略有回升，因此出現(xiàn)地面抬升現(xiàn)象。

圖8 甘井子區(qū)北部沿海地區(qū)工廠沉降分析

圖9 甘井子區(qū)與西崗區(qū)交界處沉降分析

圖10 甘井子區(qū)與金州區(qū)交界沿海處沉降分析

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)是時(shí)序InSAR技術(shù)在大連市地面沉降監(jiān)測(cè)的一個(gè)應(yīng)用。分別使用PS-InSAR方法和SBAS-InSAR方法對(duì)覆蓋大連地區(qū)的30景Sentinel-1A影像進(jìn)行時(shí)序處理，克服了受時(shí)空去相干以及大氣效應(yīng)等負(fù)面因素的影響，得到了大連地區(qū)在2018年11月8日—2020年10月28日的沉降信息及時(shí)空分布特征。

對(duì)兩種技術(shù)得到的移動(dòng)變形結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果具有高度的一致性，其相關(guān)性達(dá)到了0.816。并對(duì)大連市的地面沉降原因做了初步的調(diào)查分析。大連市地質(zhì)是全國最復(fù)雜的沿海地區(qū)，大連市由于眾多大型工廠及人類頻繁活動(dòng)長期過量開采地下水，導(dǎo)致沿海地區(qū)地下水失衡，造成了海水入侵。2013年大連市已實(shí)現(xiàn)全面禁止私自采集地下水，但是近年來市區(qū)的地面沉降并沒有停止，由此可知，沿海地區(qū)仍然受地下水入侵影響，而在遠(yuǎn)離海岸線區(qū)域局部工程施工、交通動(dòng)負(fù)荷載，以及重型企業(yè)等通過長時(shí)間生產(chǎn)活動(dòng)及工程建設(shè)等活動(dòng)產(chǎn)生的荷載，使得軟土層產(chǎn)生豎向固結(jié)以及側(cè)向流動(dòng)形變，是大連市目前地面沉降的主要原因。

本次實(shí)驗(yàn)的不足在于缺少水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還可更精細(xì)化的檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)缺少地下水位變化數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地研究地下水位變化對(duì)地面沉降的影響，為大連市城市健康發(fā)展建設(shè)提供良好的數(shù)據(jù)支撐。而在部分地區(qū)未得到沉降信息，大連市多為山地，植被茂密，Sentinel-1A發(fā)射信號(hào)的C波段電磁波穿透不到地面未得到沉降信息，若選取日本的ALOS的L波段的影像，監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)更明顯。