基于IPTA-InSAR技術的太原市地面形變監(jiān)測★

張力彪，閆若鵬

(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

隨著城市化進程的發(fā)展，地面形變逐漸成為我國城市地區(qū)主要地質(zhì)災害之一[1-2]。地面形變?nèi)菀自斐山ㄖ锪芽p、道路塌陷等危害，嚴重影響人們的生產(chǎn)生活[3]。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測主要依據(jù)水準測量、全站儀測量等方式，都是基于離散點進行監(jiān)測，監(jiān)測點密度小，很難在短時間內(nèi)快速獲得大范圍的地面形變[4-5]。合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)相對于傳統(tǒng)地面形變監(jiān)測手段具有全天候、全天時、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢[6]，相干點目標分析合成孔徑雷達干涉測量技術(IPTA-InSAR)是GAMMA軟件中融合PS-InSAR技術[7]和SBAS-InSAR技術[8]的處理模塊，可以獲取地面形變信息。

本文選取覆蓋太原市城區(qū)2018年6月～2021年9月的83景Sentinel-1A影像，采用IPTA-InSAR技術提取太原市城區(qū)的地面形變速率，結合光學遙感影像，分析明顯形變區(qū)域，繪制相干點時序形變圖，為太原市的地面形變?yōu)暮Ψ乐喂ぷ魈峁﹨⒖家罁?jù)[9]。

1 研究區(qū)域及SAR數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)域概況

太原市是山西省省會，位于山西省中部、晉中盆地北部，地理坐標為北緯37°27′～ 38°25′，東經(jīng)111°30′～ 113°09′。整體呈現(xiàn)北部高、中南部低的特征，西、北、東三面環(huán)山，中南部為河谷平原，呈“簸箕形”。

1.2 SAR數(shù)據(jù)介紹

本文采用的影像覆蓋太原市城區(qū)，選取2018年6月～2021年9月期間83景C波段Sentinel-1A升軌影像，SAR影像基本參數(shù)如表1所示。

表1 SAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理與結果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

在本次數(shù)據(jù)處理過程中，選取2019年10月11日影像作為主影像，空間基線設置為-150 m～150 m，時間基線設置為36 d～150 d，生成640個干涉對進行處理。

采用線性模型的最小二乘法反演年平均形變速率。得到形變速率圖，如圖1所示。其中，形變速率為負代表地面形變遠離衛(wèi)星方向，為下沉，相反，形變速率為正代表地面形變沿著衛(wèi)星方向，為抬升。

由圖1可知，太原市城區(qū)在2018年6月～2021年9月期間，大部分區(qū)域呈現(xiàn)沉降趨勢，年平均沉降速率為-2 mm/a～-25.5 mm/a；在中部萬柏林區(qū)、迎澤區(qū)存在抬升區(qū)，抬升速率為2 mm/a～10 mm/a；在南部的小店區(qū)存在較大沉降區(qū)，沉降速率為-35 mm/a～-60 mm/a，有少數(shù)區(qū)域下沉速率超過-60 mm/a。

2.2 形變分析

根據(jù)IPTA-InSAR技術監(jiān)測的結果，針對萬柏林區(qū)的抬升區(qū)域和小店區(qū)的沉降區(qū)域進行剖面分析。并選取形變區(qū)域內(nèi)的相干點，繪制時序形變圖。

2.2.1 抬升區(qū)域分析

圖1結果表明，2018年6月～2021年9月期間在萬柏林區(qū)呈現(xiàn)抬升趨勢，其中存在三處明顯的抬升區(qū)，自南向北分為a,b,c三個區(qū)域，根據(jù)形變區(qū)域范圍、主要建筑道路等繪制剖面線進行剖面分析，如圖2所示。

抬升區(qū)域a包含陽光麗景小區(qū)、小米國際、普國裝飾城等。對區(qū)域a沿東西方向和南北方向做剖面線，如圖2a1，抬升區(qū)域a東西向長超過1 km，南北向長約2 km。在東西方向和南北方向的剖面線上提取相應的相干點繪制成剖面線，如圖2中a2,a3所示，抬升區(qū)域a最大形變速率將近為18 mm/a。

抬升區(qū)域b包含太原理工大學虎峪校區(qū)、煤氣化大王小區(qū)、千泓花苑等。對區(qū)域b沿著千峰南路做南北方向剖面線，與之對應做東西方向剖面線，如圖2 b1，抬升區(qū)b東西向長約1.5 km，南北向長超過1 km。在東西方向和南北方向的剖面線上提取相應的相干點，繪制成剖面線，如圖2中b2,b3所示，抬升區(qū)b最大形變速率約為15 mm/a。

抬升區(qū)域c包含太原技師學院、義井商貿(mào)小區(qū)、都市e線等。對區(qū)域c沿著千峰南路做南北方向剖面線，與之對應做東西方向剖面線，如圖2 c1，抬升區(qū)c東西向長約1 km，南北向約為1.3 km。在東西方向和南北方向的剖面線上提取相應的相干點繪制成剖面線，如圖2中c2,c3所示,抬升區(qū)c最大形變速率將近14 mm/a。

在抬升區(qū)域內(nèi)選取5個相干點，繪制時序形變圖，如圖3所示。

由圖3可知，抬升區(qū)域內(nèi)選的相干點時序抬升呈現(xiàn)線性規(guī)律。在2019年6月～2019年12月期間形變加快，在2020年1月～2020年9月期間形變有所減緩。

2.2.2 下沉區(qū)域分析

圖1結果表明，2018年6月～2021年9月期間在小店區(qū)存在較大值的沉降區(qū)域，選取明顯沉降區(qū)域，記為A，B，根據(jù)沉降區(qū)域范圍、主要建筑道路等繪制剖面線，如圖4所示。

下沉區(qū)域A位于太原市武宿機場西南方向，包含太重煤機工業(yè)園、富士康(太原)科技工業(yè)園區(qū)等，屬于太原市工業(yè)區(qū)。東西向長約3 km，南北向超過6 km。在東西方向和南北方向的剖面線上提取相應的相干點繪制成剖面線，如圖5中a1,a2所示，沉降區(qū)A最大形變速率接近-50 mm/a。

下沉區(qū)域B位于下沉區(qū)域A的西南方向，包含山西國際物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、太原警官職業(yè)學院等。東西向約2 km，南北向超過為1.5 km。在東西方向和南北方向的剖面線上提取相應的相干點繪制成剖面線，如圖5中b1,b2所示沉降區(qū)B最大形變速率超過-60 mm/a。

在沉降區(qū)域內(nèi)選取5個相干點，繪制時序形變圖，如圖6所示。

由圖6可知，沉降區(qū)域內(nèi)選的相干點時序沉降呈現(xiàn)線性規(guī)律。在2018年10月～2019年5月期間形變較緩，在2020年1月之后形變有所加快。

造成城市地面沉降的主要因素包括三個方面：1)過量開采地下水；2)城市建筑荷載；3)構造活動控制。對于太原市而言，水資源嚴重短缺，且分布差異較大，地下水開采導致太原市絕大部分區(qū)域呈現(xiàn)下沉趨勢。對于下沉區(qū)域A，B，均位于小店區(qū)，其主要原因是城市建筑荷載，小店高新區(qū)的不斷擴建，使小店區(qū)地面沉降明顯。

3 可靠性分析

對采用 IPTA-InSAR技術獲取的太原市形變結果進行可靠性分析是非常必要的，本文將從以下兩個方面對IPTA-InSAR技術監(jiān)測結果進行驗證:

1)IPTA-InSAR技術監(jiān)測結果與前人所得結果進行比較：劉媛媛、張勤等基于多源SAR數(shù)據(jù)獲取太原市2004年—2005年的InSAR技術監(jiān)測結果與水準測量數(shù)據(jù)的相關系數(shù)達到0.96[10-11]。張蓓、任洪瑞等基于PS-InSAR技術研究太原市地面形變監(jiān)測，獲取了太原市2016年2月～2017年2月的年平均沉降速率 -40 mm/a～-80 mm/a[12]。本文所監(jiān)測到的沉降區(qū)域分布與前人所得結果的形變在地理位置與數(shù)值量具有很強的一致性。

2)對同期太原市城區(qū)RADARSAT-2影像形變速率結果與Sentinel-1A影像太原市城區(qū)形變速率結果進行對比發(fā)現(xiàn)，兩種衛(wèi)星影像結果在形變分布與數(shù)值上具有高度一致性，證明了結果的可靠性。

4 結論

本文利用 IPTA-InSAR技術對太原市城區(qū)進行地面形變監(jiān)測，獲取了太原市城區(qū)2018年6月～2021年9月年地面形變信息，對典型形變區(qū)域剖面線進行分析。發(fā)現(xiàn)太原市城區(qū)在2018年6月～2021年9月期間，大部分區(qū)域呈現(xiàn)下沉趨勢，下沉速率為-2 mm/a～-25 mm/a；在萬柏林區(qū)、迎澤區(qū)存在抬升區(qū)，抬升速率為2 mm/a～10 mm/a；在小店區(qū)存在明顯沉降區(qū)，下沉速率為-23 mm/a～-60 mm/a，小范圍內(nèi)下沉速率超過-60 mm/a，為太原市的地面形變?yōu)暮Ψ乐喂ぷ魈峁﹨⒖家罁?jù)。