基于永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)的地面沉降監(jiān)測

范軍，陳筠力，李相東，路瑞峰，侯雨生，劉艷陽

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

地面沉降是較常見的地質(zhì)災害，具有形成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，長期持續(xù)作用會給城市生產(chǎn)生活帶來嚴重的影響。因此，開展對城市地面沉降監(jiān)測的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測主要采用水準儀、全站儀及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）監(jiān)測，這些方法雖然精度高，但成本高、工作量大，且難以滿足對地面沉降的大范圍區(qū)域監(jiān)測和城市預警［1］。

星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天時、大范圍、高分辨率、不受天氣及環(huán)境因素影響等優(yōu)點，被運用與自然資源監(jiān)測、海洋監(jiān)測、軍事高分觀測等領(lǐng)域，并發(fā)揮了重要作用［2］。星載合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）以SAR圖像提取地表的干涉相位為信息源，通過一系列的干涉數(shù)據(jù)處理，反演獲取高精度的地形信息。目前，InSAR 技術(shù)已成為空間對地觀測技術(shù)中最有效的監(jiān)測手段之一［3］。合成孔徑雷達差分干涉測量（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）是InSAR 技術(shù)的發(fā)展，主要以SAR 圖像提取的干涉相位為信息源，通過一系列的干涉數(shù)據(jù)處理，反演出高精度地表形變信息。DInSAR 技術(shù)為地表形變監(jiān)測領(lǐng)域提供了空間對地觀測的新途徑，可大范圍、高分辨率、短周期、不受環(huán)境限制地連續(xù)觀測，其精度可達厘米級［4-5］。

雖然DInSAR 技術(shù)提取的地表形變量精度較高，但形變精度受時間失相干、空間失相干、大氣延遲等因素的制約，難以確保形變結(jié)果的準確性［6-8］。為解決這個問題，學者們提出采用永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（Persistent Scatterer Synthetic Aperture Radar Interferometry，PSInSAR）監(jiān)測高精度的地表形變監(jiān)測［9-10］。與DInSAR 技術(shù)相比，PSInSAR技術(shù)有效地解決了DInSAR 方法存在的時間、空間基線失相干及大氣延遲的問題，明顯提高了地表形變監(jiān)測的精度。目前，PSInSAR 技術(shù)已被廣泛應用于上海、北京、天津、南京、昆明等城市的沉降監(jiān)測研究，并取得與實際沉降趨勢相符的結(jié)果［11-15］。

上海西南區(qū)域自建成以來，隨著周邊地區(qū)基礎設施建設的發(fā)展，面臨著地表安全問題，亟須開展相應的研究工作［16］。廖明生等［11］采用永久散射體雷達干涉技術(shù)監(jiān)測上海地區(qū)，獲取其不同時期大范圍、高精度、不同時期的沉降速率圖，但由于受到限制，數(shù)據(jù)未覆蓋上海西南區(qū)域；羅小軍［17］基于PSInSAR 改進算法監(jiān)測上海陸家嘴地區(qū)的地表形變，獲得上海陸家嘴地區(qū)最大累計形變量，但該算法未針對上海西南區(qū)域展開分析。截至目前，暫無學者研究上海西南區(qū)域的地表沉降監(jiān)測。針對該問題，本文采用2017—2019 年35 景和2018—2021 年37 景，共2 期星載合成孔徑雷達哨兵（Sentinel-1A）數(shù)據(jù)，利用PSIn-SAR 技術(shù)，首次監(jiān)測上海西南某區(qū)域的地表沉降，獲取長時間序列的上海西南某區(qū)域地表形變變化趨勢，并提出沉降預警，研究成果可為上海西南區(qū)域地面沉降的科學防治提供重要的參考價值。

1 PSInSAR 方法概述

2001 年，F(xiàn)ERRETTI等［9-10］提出PSInSAR 方法，該方法首先要累積覆蓋同一地區(qū)的多景SAR 影像，形成基于時間序列的干涉圖像對，再提取不受時間、空間基線及大氣效應影響的穩(wěn)定點目標，最后提取上述穩(wěn)定點目標上的地形相位，并反演形變信息，監(jiān)測地面沉降［5］。具體包括SAR圖像配準［19］、干涉相位計算、去除平地效應、差分干涉圖生成、永久散射體（Persistent Scatterer，PS）點選取、線性形變、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）誤差估計、去除大氣相位誤差、形變量計算等主要步驟，流程如圖1 所示。

圖1 PSInSAR 技術(shù)處理流程Fig.1 Flow chart of the PSInSAR technology

2 研究區(qū)概況及試驗數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

本文選取的上海西南區(qū)域地形起伏平坦，海拔多在4 m 以下，屬于典型的軟土地基地區(qū)，地下水開采及大型建筑施工都可能誘發(fā)地面沉降［11］。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

本文選取了覆蓋研究區(qū)域49 景C 波段同軌多時相Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，時 間跨度為2017 年1 月22 日—2021 年1 月1 日，重訪周期12 d，軌道方向為升軌，極化方式選為垂直極化（VV）。Sentinel-1A 衛(wèi)星導航事后定軌測量精度為5 cm、基線測量精度為7 cm，可支持本文形變監(jiān)測研究。選用Sentinel-1A 衛(wèi)星中文滑動掃描模式（Terrain Observation by Progressive Scan SAR，TOPSAR），其寬幅干涉（Interferometric Wide-swath，IW）產(chǎn)品包含3 個子條帶，幅寬長達250 km，可實現(xiàn)廣域區(qū)域地表形變監(jiān)測。研究區(qū)域的SAR 強度圖像如圖2（a）所示，圖2（b）中的藍色方框為成像幅寬，紅色方框為本文的研究區(qū)域。

圖2 研究區(qū)域覆蓋范圍Fig.2 Coverage of the studied area

本文采用2017—2019 年的數(shù)據(jù)，選取35 景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)對試驗區(qū)域進行PSInSAR 處理。本試驗以2018-07-16 為主影像，其余34 幅作為輔影像，從影像配準重采樣到主影像空間，全部進行干涉處理，采用外部DEM 數(shù)據(jù)去除地形相位誤差，最終生成34 個差分干涉對。采用振幅離差指數(shù)法提取高質(zhì)量的PS 點，為了保持相位穩(wěn)定的散射體，將振幅離差閾值設置為0.35，最終共選取54 142 個PS 點。通過建立PS 點差分干涉相位函數(shù)模型，反演出每一個PS 點上的線性形變和DEM 誤差，并在初始的差分干涉相位中將其減掉，得到殘余相位。殘余相位誤差主要由非線性形變相位、大氣相位及去相干噪聲組成。通過濾波算法，將非線性形變與大氣相位分離，然后將線性形變和非線性形變相位累加，得到各PS 點時間序列的累積地面沉降結(jié)果［7］。

3 結(jié)果與分析

3.1 第1 期2017—2019 年上海西南某區(qū)域地表沉降監(jiān)測結(jié)果

2017—2019 年時間序列的上海西南某區(qū)域地表沉降速率分布如圖3 所示。由圖3 可知，大部分PS 點分布在人工地物上，與實際情況相符。圖中綠色的點表示無明顯變化或小幅度波動區(qū)域，沉降速率為-5～6 mm/a，黃色的點沉降速率為-9～-5 mm/a，可見該區(qū)域沉降速率明顯大于周圍地區(qū)，確定該區(qū)域發(fā)生了沉降。

為進一步分析沉降區(qū)域，把上海西南某區(qū)域監(jiān)測的PS 點疊加到Google Earth 上，如圖3 所示?？擅黠@看出該沉降區(qū)域位于上海西南某區(qū)域內(nèi)西側(cè)一棟樓，該棟樓身的右半部分無明顯沉降變化，說明該區(qū)域發(fā)生了不均勻的沉降現(xiàn)象，最大沉降速率約達為-5.82 mm/a，最大累計沉降量約為14.46 mm。

圖3 2017—2019 年上海西南某區(qū)域PSInSAR 沉降速率分布Fig.3 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

3.2 第2 期2018—2021 年上海西南某區(qū)域地表沉降監(jiān)測結(jié)果

為了進一步驗證研究區(qū)域地表沉降情況，本文另外采用了2018 年1 月—2021 年1 月，共37 景的星載合成孔徑雷達Sentienl-1A 數(shù)據(jù)，基于同樣的技術(shù)監(jiān)測對該區(qū)域第2 期沉降，監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 2018—2021 年上海西南某區(qū)域PSInSAR 沉降速率分布Fig.4 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2018 to 2021

由圖可知，上海西南某研究區(qū)域地面沉降整體呈平穩(wěn)態(tài)勢，位于研究區(qū)域西側(cè)的一棟樓發(fā)生了沉降現(xiàn)象。該區(qū)域PS 點顏色呈黃色，為沉降最為集中的區(qū)域，年平均沉降速率約達-7.10 mm/a，超過1期沉降速率。由此可知，2019年12月14日 后，該區(qū)域沉降速率呈明顯加速趨勢，最大累計沉降量約為25.43 mm。

3.3 PSInSAR 技術(shù)監(jiān)測結(jié)果時間序列分析

上海西南某研究區(qū)域為典型的軟土地基區(qū)域，經(jīng)現(xiàn)場實地踏勘分析，推測沉降原因可能與周邊施工建設及地下開采相關(guān)，由于周邊重大的工程建筑物對地基施加荷載，導致地基土體發(fā)生變形。另外，該樓左側(cè)靠近高架橋，受車輛載荷持續(xù)作用的影響，土體蠕變也可引起地基的緩慢變形。

在第1 期上海西南某區(qū)域地表沉降監(jiān)測中，本文以2017 年1 月22 日時間為基準（沉降變化量為0 mm），統(tǒng)計了2017—2019 年時間序列的PS 累計沉降量，其中2019 年12 月14 日的相對沉降變化量約為-14.463 36 mm。在第2 期上海西南某區(qū)域地表沉降監(jiān)測中，本文以2018 年1 月17 日時間為基準（沉降變化量為0 mm），統(tǒng)計了2018—2021 年時間序列的PS 累計沉降量，其中2019 年12 月14 的相對沉降變化量約為-13.657 63 mm。2019 年12 月14日，2 期的沉降變化量僅相差0.80 mm，可見其沉降監(jiān)測結(jié)果基本保持一致。

2017—2019年和2018—2021 年2 期PSInSAR技術(shù)監(jiān)測的PS 沉降時間序列曲線如圖5 所示。由圖5（b）可知，2019 年12 月14 日—2021 年1 月1 日，該區(qū)域沉降趨勢明顯擴大。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 基于時間序列的PS 沉降量統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

圖5 PS 沉降時間序列曲線Fig.5 Time series curves of PS subsidence

續(xù)表1 基于時間序列的PS 沉降量統(tǒng)計結(jié)果Contiued Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

由圖5 可知，雖然存在一些輕微的上下震蕩，但整體表現(xiàn)出近似線性的下沉變化，前期加速下降，中期略微平緩甚至抬升，后期又呈加速下沉的趨勢。由于建筑物多采用鋼筋混凝土架構(gòu)，溫度對混凝土的強度和變形性能有較大影響［18］。例如，前期2017 年1 月22 日—2017 年3 月11 日（圖5（a））、2018 年1 月17 日—2018 年3 月18 日（圖5（b）），以及后期2019 年2 月17 日—2019 年4 月30 日（圖5（a））、2020 年2 月12 日—2020 年4 月24 日（圖5（b））。時段為冬季或春季，該時段氣溫較低，建筑材料隨溫度的降低可能發(fā)生收縮，導致下降速率較快。中期2017 年6 月27 日—2017 年8 月2 日（圖5（a））、2018 年9 月14 日—2018 年11 月25 日、2019 年5 月12 日—2019 年7 月23日及2020 年6 月11 日—2020 年8 月22 日（圖5（b））時間段內(nèi)，部分PS 點沉降量出現(xiàn)相對抬升，最大抬升量約5 mm。5—8 月處于夏季，當溫度升高時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度與剛度隨溫度升高顯著下降，易發(fā)生膨脹，導致下沉速率減緩，甚至出現(xiàn)微量抬升。另外，該時段內(nèi)也可能由于地下水回填，導致出現(xiàn)地面反彈現(xiàn)象。從獲取的地面抬升時間分析，這期間正值上海雨季，可能因大量降雨及人工回填補充了地下水，使該地區(qū)出現(xiàn)了輕微反彈［19］。

通過對上海西南某研究區(qū)域2 期PSInSAR監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，2017 年1 月—2021 年1 月，上海西南某研究區(qū)域內(nèi)除一棟樓發(fā)生沉降外，其他居民樓均未發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，充分證明其地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地面基礎設施健康。

3.4 與SBASInSAR 監(jiān)測結(jié)果對比分析

為了驗證PSInSAR 技術(shù)對上海西南某區(qū)域監(jiān)測結(jié)果的準確性，基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A 數(shù)據(jù)利用短基線集（Small Baseline Subset Interferometry SAR，SBASInSAR）技術(shù)，監(jiān)測上海西南某區(qū)域地區(qū)時序形變。與PSInSAR 技術(shù)不同，SBAS-InSAR 方法利用多幅主影像為參考，與其他輔影像任意自由組合，形成多對短基線差分干涉圖，通過奇異值分解法解算地表形變速率［20］。2017—2019 年上海西南某區(qū)域SBASInSAR 沉降結(jié)果如圖6 所示。

圖6 2017—2019 年上海西南某區(qū)域SBASInSAR 沉降速率分布Fig.6 SBASInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

由圖6 可知，采用SBASInSAR 技術(shù)，同樣監(jiān)測出上海西南某區(qū)域內(nèi)西側(cè)一棟樓出現(xiàn)了明顯的沉降現(xiàn)象，最大沉降速率為-5.09 mm/a，最大累計沉降量約為13.877 mm。在沉降范圍和形變量級方面，該區(qū)域沉降結(jié)果與第1 期采用PSInSAR 技術(shù)監(jiān)測的沉降結(jié)果具有高度的一致性。由此可得，本文采用PSInSAR 技術(shù)監(jiān)測的上海西南某區(qū)域沉降結(jié)果，具有一定的可靠性和準確性。

4 結(jié)束語

由于缺少上海西南地區(qū)水準測量數(shù)據(jù)的支持，本文基于PSInSAR 技術(shù)，分別采用2 期星載SAR Sentinel-1A 數(shù)據(jù)監(jiān)測上海西南某研究區(qū)域的地表沉降。2 次監(jiān)測結(jié)果均表明，上海西南某研究區(qū)域內(nèi)存在一處沉降區(qū)域，位于研究區(qū)域內(nèi)西側(cè)的一棟樓，該區(qū)域最大沉降速率約為-7.10 mm/a，最大沉降量約25.43 mm，而其他區(qū)域無明顯沉降變化。為了驗證該監(jiān)測結(jié)果的可靠性和準確性。本文基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A數(shù)據(jù)，采 用SBASInSAR 技術(shù)監(jiān)測該研究區(qū)域的地面沉降，獲取的沉降范圍及沉降量級，與同期PSInSAR 技術(shù)監(jiān)測結(jié)果一致。經(jīng)分析可得，該處沉降區(qū)域主要為典型的軟土地基地區(qū)，地下水開采及周邊大型建筑施工誘發(fā)地面沉降現(xiàn)象。后續(xù)將持續(xù)收集Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，不定期開展基于PSInSAR 技術(shù)的上海西南區(qū)域地表形變監(jiān)測研究，并對現(xiàn)階段的沉降結(jié)果開展實時分析。另外，將采用其他衛(wèi)星SAR 數(shù)據(jù)源，監(jiān)測上海西南區(qū)域的地面沉降，獲得更多的樣本數(shù)據(jù)，為本文結(jié)果提供更有利的支撐。