利用Sentinel-1數(shù)據(jù)和SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)西安地表沉降

張艷梅,王 萍,羅 想,張 蕎,陳 慧

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局第三航測(cè)遙感院，四川 成都 610100)

利用Sentinel-1數(shù)據(jù)和SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)西安地表沉降

張艷梅,王 萍,羅 想,張 蕎,陳 慧

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局第三航測(cè)遙感院，四川 成都 610100)

哨兵一號(hào)(Sentinel-1)數(shù)據(jù)是目前現(xiàn)勢(shì)性較好的免費(fèi)SAR數(shù)據(jù)，且因其6天的重訪周期，非常適合InSAR地表形變監(jiān)測(cè)。本文以西安市城區(qū)及周邊為研究區(qū)，開展基于多期Sentinel-1數(shù)據(jù)和短基線集干涉(SBAS-InSAR)技術(shù)的時(shí)序地表沉降監(jiān)測(cè)方法的探索，研究形成了詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理流程，利用已有研究資料佐證了方法的有效性。監(jiān)測(cè)表明：2015—2016年，絕大部分區(qū)域地表形變速率位于[-33～30] mm/a區(qū)間內(nèi)，228 d監(jiān)測(cè)期內(nèi)累積沉降量最大約75 mm，發(fā)生在目前西安最大沉降中心魚化寨；相比20世紀(jì)末，沉降強(qiáng)度大幅減弱，沉降嚴(yán)重區(qū)域由西安市東郊向南郊轉(zhuǎn)移，且沉降范圍減小。

哨兵一號(hào)；小基線集技術(shù)；地表沉降；西安市

地面沉降是西安最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，沉降量大，波及范圍廣，并且誘發(fā)和加劇了地裂縫、地面塌陷等其他地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生，給城市規(guī)劃建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重危害和損失。有效控制地面沉降成為西安市一項(xiàng)緊迫工作，而地面沉降的快速和高精度監(jiān)測(cè)則是該工作的重要支撐。

InSAR技術(shù)是近年來較受追捧的地面沉降監(jiān)測(cè)手段，相比GPS測(cè)量、常規(guī)大地測(cè)量法和近景攝影測(cè)量等傳統(tǒng)方法，具有監(jiān)測(cè)精度高(可達(dá)毫米級(jí))、覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高、數(shù)據(jù)處理流程化等優(yōu)勢(shì)。目前常用的InSAR技術(shù)有D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、CR-InSAR、CT-InSAR等。其中，SBAS-InSAR技術(shù)既能有效克服D-InSAR空間和時(shí)間去相關(guān)，又可獲取時(shí)間序列上的沉降量，而且相比PS-InSAR技術(shù)，降低了對(duì)SAR影像數(shù)量的要求。大量學(xué)者研究已經(jīng)驗(yàn)證了SBAS-InSAR技術(shù)在城市沉降監(jiān)測(cè)中具有很好的有效性和毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度[1-5]。

本文利用SBAS-InSAR技術(shù)，基于Sentinel-1數(shù)據(jù)，對(duì)西安市2015—2016年間的城區(qū)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析西安市城區(qū)地面沉降發(fā)展規(guī)律和空間分布特點(diǎn)，為其控制治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 Sentinel-1數(shù)據(jù)

Sentinel-1是由歐洲委員會(huì)和歐空局針對(duì)哥白尼全球?qū)Φ赜^測(cè)項(xiàng)目研制的一個(gè)由兩顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，主要用于海洋環(huán)境監(jiān)控和北極海冰監(jiān)測(cè)、海洋溢油和艦船監(jiān)視、地表形變監(jiān)測(cè)、水體管理和土壤保護(hù)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等[6-9]。Sentinel-1的A星于2014年4月3日成功發(fā)射升空，B星于2016年4月26日升空，單顆星重訪周期12 d，兩顆星協(xié)同工作，可將重訪周期縮短至6 d。

Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)已免費(fèi)對(duì)外開放，可在歐空局Sentinel Scientific Date Hub網(wǎng)站注冊(cè)下載，網(wǎng)址為http:∥scihub.copernicus.eu/dhus。Sentinel-1衛(wèi)星有4種工作模式：條帶模式(strip map，SM)，干涉寬幅模式(interferometric wide swath，IW)，波模式(wave，WV)，額外寬幅模式(extra wide swath，EW)，各模式的主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。SM和IW模式采用了TOPS技術(shù)(terrain observation with progressive scans SAR)[7]，能夠解決寬幅成像時(shí)出現(xiàn)的scalloping效應(yīng)并增強(qiáng)成像輻射性[8]。IW是主要的運(yùn)營(yíng)模式，能夠滿足當(dāng)前對(duì)SAR的大多數(shù)服務(wù)需求，也是地表沉降監(jiān)測(cè)使用的模式[9]。

表1 Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要參數(shù)指標(biāo)

Sentinel-1衛(wèi)星的4種工作模式均可生成Level-0、Level-1和Level-2這3個(gè)級(jí)別的產(chǎn)品，Level-0產(chǎn)品為成像前的原始數(shù)據(jù)(RAW)，Level-1產(chǎn)品包括單視復(fù)數(shù)圖像(SLC)和地距影像(GRD)，Level-2產(chǎn)品為海洋產(chǎn)品(OCN)。SM、IW和EW模式的Level-0、Level-1和Level-2產(chǎn)品均對(duì)外開放，WV模式僅提供Level-2級(jí)別產(chǎn)品。

此外，歐空局提供Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)干涉處理所需的軌道數(shù)據(jù)文件，包括修正的軌道參數(shù)(AUX_RESORB，POD Restituted Orbit)和精確的軌道星歷參數(shù)(AUX_POEORB，POD Precise Orbit Ephemerides)兩種。AUX_RESORB是在數(shù)據(jù)獲取后3小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)得到的，精度在10 cm以內(nèi)，主要在應(yīng)急等特殊緊急情況下使用，AUX_POEORB則是在數(shù)據(jù)獲取21 d內(nèi)生產(chǎn)得到的，精度在5 cm以內(nèi)，一般情況下優(yōu)先使用。

1.2 SBAS_InSAR技術(shù)原理

小基線集技術(shù)(small baseline subset，SBAS)由Berardino等于2002年提出[1]，在很大程度上解決了D-InSAR技術(shù)由于空間基線過長(zhǎng)造成的失相干和大氣效應(yīng)等問題，并且增加了時(shí)間采樣頻率。該技術(shù)對(duì)基于低分辨率、大尺度、時(shí)序形變監(jiān)測(cè)能夠取得很好的效果。SBAS-InSAR技術(shù)的基本原理如下：

假設(shè)有按時(shí)間序列t0,t1,…,tn的(n+1)幅重軌SAR影像，通過設(shè)置時(shí)間和空間基線閾值，可以得到L個(gè)小基線集合，每個(gè)集合之內(nèi)，干涉對(duì)基線較小，而集合之間，干涉對(duì)基數(shù)較大，共包括M幅差分干涉幅，(N+1)/2≤M≤N(N+1)/2。假設(shè)任意像元(x,r)上任意時(shí)刻tk與初始時(shí)刻t0的差分干涉相位為φ(tk,x,r)為未知數(shù)，M幅差分干涉圖δφk(x,r)(k=1,…,M)則為觀測(cè)量。任意一幅差分干涉幅，若由i和j兩個(gè)時(shí)刻獲取的SAR影像差分干涉得到，且j早于i，則有

(1)

式中，d(ti,x,r)和d(tj,x,r)分別為i和j時(shí)刻相對(duì)于初始時(shí)刻t0的視線方向累積形變量，故d(t0,x,r)≡0。為便于理解，公式并未考慮大氣變化引起的相位變化及去相關(guān)現(xiàn)象，也未精確去除地形相位，且假設(shè)所有相位信號(hào)都是解纏的。

因有M幅差分干涉圖，故根據(jù)式(1)可得到M個(gè)方程，用矩陣表示該方程組為

δφ(x,r)=Aφ(x,r)

(2)

式中，A為M×N矩陣，由-1，0和1元素組成，如式(1)在矩陣中對(duì)應(yīng)第k行，其第i個(gè)元素值為1，而第j個(gè)元素值為-1，該行其他值則為0，δφ(x,r)和φ(x,r)為N階向量。矩陣A為一個(gè)近似關(guān)聯(lián)矩陣，若所有數(shù)據(jù)均屬于一個(gè)基線集，則L=1,M≥N，此時(shí)A為一個(gè)N階矩陣，當(dāng)M=N時(shí)，方程組有唯一解，當(dāng)M>N時(shí)，方程組是超定解的，可以用最小二乘法求解出φ(x,r)的估計(jì)值

(3)

通常情況，數(shù)據(jù)集分散在幾個(gè)子集中，L>1，此時(shí)ATA就成為一個(gè)奇異矩陣，A的秩為N-L+1，方程組有無限多組解。為了得到唯一解，SBAS_InSAR采用奇異解分解(singular value decomposition，SVD)方法，將多個(gè)基線集聯(lián)合求解，求出最小范數(shù)意義上的最小二乘解，得到累計(jì)形變量。

同時(shí)，可將相位轉(zhuǎn)化到平均相位速度，建立速度場(chǎng)和高程誤差的方程組，依照同樣的方式建立奇異矩陣，求解得到形變速率和高程誤差。

2 西安地表沉降監(jiān)測(cè)

2.1 研究區(qū)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取地表沉降較為嚴(yán)重的西安市城區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，如圖1所示，覆蓋范圍約50 km×50 km，試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)植被較少，氣候干燥，比較適合InSAR監(jiān)測(cè)。近年來西安市采取了很多措施治理地表沉降，本次試驗(yàn)利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)近兩年西安市城區(qū)的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比早期已有相關(guān)監(jiān)測(cè)成果分析其變化趨勢(shì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2015-09-24至2016-05-09的12景Sentinel-1A的IW模式的SLC數(shù)據(jù)，VV極化，分辨率為5×20 m，詳細(xì)信息見表2。此外還包括對(duì)應(yīng)的AUX_POEORB精密軌道參數(shù)文件及NASA獲取的空間分辨率為90 m的SRTM4 DEM數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)范圍(疊加影像為L(zhǎng)andsat7 ETM5/4/3波段合成假彩色圖像)

序號(hào)獲取時(shí)間絕對(duì)軌道數(shù)時(shí)間基線/d12015-09-24007856022015-10-300083813632015-11-230087316042015-12-170090818452015-12-290092569662016-01-1000943110872016-02-0300978113282016-02-2701013115692016-03-22010481180102016-04-15010831204112016-04-27011006216122016-05-09011181228

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

利用Sentinel-1A數(shù)據(jù)和SBAS-InSAR技術(shù)，基于SARScape軟件進(jìn)行西安市城區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

主要步驟如下：

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過整景數(shù)據(jù)導(dǎo)入，將SAR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SARScape內(nèi)部格式，并使用試驗(yàn)區(qū)范圍矢量進(jìn)行數(shù)據(jù)裁切，得到試驗(yàn)區(qū)多時(shí)相SLC數(shù)據(jù)。

(2) 基線估算及小基線集生成：計(jì)算N(N-1)/2=66個(gè)干涉對(duì)的空間基線和時(shí)間基線。影像獲取時(shí)間間隔最大僅228 d，由于測(cè)區(qū)內(nèi)主要為人工建筑物，時(shí)間失相關(guān)影響較小，故時(shí)間基線閾值可不作要求；空間基線分布在5～138 m之間，最大空間基線僅為臨界基線的2.5%(參考臨界基線約為5554 m)，設(shè)置空間基線閾值為臨界基線的2%，最終得到64個(gè)干涉對(duì)。

(3) SAR圖像匹配：設(shè)置2015-09-24獲取的影像為超級(jí)主影像，其他圖像向其配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度要求小于1/8個(gè)像素。

(4) 對(duì)干涉對(duì)集合進(jìn)行常規(guī)D-InSAR處理：主要包括干涉圖生成、去平地效應(yīng)、干涉圖濾波、相干系數(shù)計(jì)算、相位解纏，其中干涉圖濾波采用Goldstein，相位解纏相干系數(shù)閾值設(shè)為0.3，解纏方法選擇基于Delaunany三角網(wǎng)的最小費(fèi)用流法(minimum cost flow，MCF)。查看生成的干涉圖、相干系數(shù)圖和解纏圖，在小基線集中移除相干性差、解纏不理想等存在問題的干涉對(duì)，移除的干涉對(duì)將不再參與后續(xù)處理。試驗(yàn)區(qū)大部分區(qū)域干涉性較好，試驗(yàn)中僅移除6對(duì)，剩余58對(duì)，其中部分干涉圖和相干系數(shù)圖如圖3(a)和圖3(b)所示。

(5) 軌道精煉和重去平：盡量在地形平坦、沒有相位躍變和形變條紋的區(qū)域選取20～30個(gè)控制點(diǎn)(試驗(yàn)選取了30個(gè)點(diǎn))，采用3次軌道精煉多項(xiàng)式估算軌道精煉和相位偏移量，消除斜坡相位，并基于控制點(diǎn)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重去平。

(6) 形變速率和高程系數(shù)估算：建立每個(gè)相干點(diǎn)的形變速率和高程系數(shù)的線性模型，構(gòu)成方程組，利用SVD法對(duì)方程組求解，得到所有干涉對(duì)的形變(平均形變速率、形變加速度、形變加速度變化速率)及高程(校正值和新的DEM)。

(7) 地形殘余相位和大氣相位去除：利用估計(jì)的殘余地形對(duì)干涉圖進(jìn)行去平，并重新解纏和軌道精煉，優(yōu)化解纏結(jié)果，最終結(jié)果見圖3(c)；在第一次估算形變速率基礎(chǔ)上進(jìn)行大氣時(shí)間域高通和空間域低通濾波，估算去除每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的大氣相位，得到時(shí)間序列上的最終形變結(jié)果。

(8) 地理編碼：將上述生成的所有結(jié)果編碼到GCS-WGS-84坐標(biāo)系下(DEM坐標(biāo)系)，圖4為地理編碼后的平均形變速率。

圖3 部分干涉對(duì)的相干系數(shù)圖、去平后干涉圖及最終相位解纏結(jié)果圖

圖4 地理編碼后的平均形變速率

2.3 結(jié)果分析

西安地面沉降自20世紀(jì)50年代末發(fā)現(xiàn)至20世紀(jì)90年代，城郊大部分區(qū)域累計(jì)沉降量超過6 m，其中有41 km2的面積超過10 m，沉降量1 m的范圍達(dá)200 km2，形成了辛家廟、胡家廟、東八里村、沙坡、西工大、大雁塔等7個(gè)沉降中心[10]。

本次開展2015—2016年西安市地表沉降監(jiān)測(cè)，從圖4平均形變速率空間分布圖可以看出：

(1) 2015—2016年得到解纏結(jié)果的區(qū)域中，99%的地區(qū)地表變化速率位于[-33～+30] mm/a區(qū)間范圍內(nèi)(正值為地表上升，負(fù)值為地表下沉)，其中約50%的區(qū)域表現(xiàn)為地表沉降，沉降速率超過10 mm/a的區(qū)域僅占13%(約150 km2)，最大沉降速率為116.5 mm/a，部分區(qū)域緩慢上升，地面沉降現(xiàn)象明顯比20世紀(jì)90年代大幅度減弱，沉降范圍顯著縮小。

(2) 20世紀(jì)90年代的沉降中心已經(jīng)消失或明顯減弱，而形成了魚化寨、電子城、三爻和鳳棲原地鐵站、某廣場(chǎng)等新的沉降中心，主要位于西安市南郊的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、曲江新區(qū)和某基地等區(qū)域。圖5為魚化寨、電子城、三爻地鐵站和某廣場(chǎng)這4個(gè)沉降中心的累積沉降量，可以看出，魚化寨的沉降最為嚴(yán)重，2015年9月至2016年5月(228 d)累積沉降量達(dá)75 mm，年沉降速率達(dá)116 mm/a，其他3個(gè)沉降中心下沉強(qiáng)度明顯小于魚化寨。

圖5 典型沉降中心時(shí)間序列累積形變量

由于研究中缺少同步觀測(cè)的水準(zhǔn)測(cè)量等高精度監(jiān)測(cè)成果，因此無法定量地評(píng)價(jià)本文方法的監(jiān)測(cè)精度。本文將監(jiān)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[11—15]中對(duì)西安沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)本文的監(jiān)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)中描述的沉降趨勢(shì)和空間分布上基本一致，這在很大程度上佐證了本文方法的有效性。此外，對(duì)比本文與各文獻(xiàn)得到沉降量的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)西安市地面沉降強(qiáng)度大致呈現(xiàn)出逐年減弱的趨勢(shì)。

3 結(jié) 語

本文利用Sentinel-1數(shù)據(jù)，基于SBAS_InSAR技術(shù)獲取了西安市城區(qū)及周邊2015—2016年的地面平均形變速率與累積沉降量，并利用已有研究和監(jiān)測(cè)資料佐證了該方法的有效性。通過分析可知，20世紀(jì)末至今，西安市地表沉降逐漸減弱，沉降范圍有所減小，沉降嚴(yán)重區(qū)域由西安市東郊逐漸向南郊方向發(fā)展，雖在高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、曲江新區(qū)和某基地等地形成了新的沉降中心，但相比19世紀(jì)末的沉降中心，其沉降速率大幅度降低。

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Monitoring Xi’an Land Subsidence Using Sentinel-1 Images and SBAS-InSAR Technology

ZHANG Yanmei，WANG Ping，LUO Xiang，ZHANG Qiao，CHEN Hui

(The Third Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Chengdu 610100, China)

The Sentinel-1 data is currently the latest free SAR data and is well suited for land subsidence monitoring based on InSAR technology due to its 6-day revisit cycle. In this paper, Xi’an urban area and its surrounding area are used as the research area, and the time-series surface subsidence monitoring method based on Sentinel-1 data and SBAS-InSAR technique is explored. We obtain a detailed data processing process, which validity is corroborated by using the existing research data. The research shows that most of the regional surface deformation rate is in the range of -33 to 30 mm / a from 2015 to 2016, and the maximum subsidence is about 75 mm in the 228-day monitoring period, occurred in Yu-Hua Zhai that is the largest settlement center of Xi’an. Compared with the late 20th century, the intensity of subsidence decreased greatly, and the serious area of subsidence moved form the eastern suburbs to the southern suburbs of Xi’an, and the range of subsidence reduced.

Sentinel-1; SBAS-InSAR; land subsidence; Xi’an

張艷梅,王萍,羅想,等.利用Sentinel-1數(shù)據(jù)和SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)西安地表沉降[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(4)：93-97.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0128.

2016-09-02；

2017-01-18

測(cè)繪新技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)與示范應(yīng)用(2016KJ0100)；微小型全極化SAR測(cè)圖系統(tǒng)及其應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用(201412002)

張艷梅(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與變化監(jiān)測(cè)等研究工作。E-mail: 469719634@qq.com

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0494-0911(2017)04-0093-05