滄州地區(qū)地面沉降現(xiàn)狀Sentinel-1A/B時序InSAR監(jiān)測與分析

周洪月，汪云甲，閆世勇，吳 岳，劉茜茜

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪科學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2. 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

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滄州地區(qū)地面沉降現(xiàn)狀Sentinel-1A/B時序InSAR監(jiān)測與分析

周洪月1,2，汪云甲1,2，閆世勇1,2，吳 岳1,2，劉茜茜1,2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪科學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2. 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

獲取了22景IW模式的Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)，分別采用PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種時序技術(shù)得到了滄州地區(qū)2015年11月至2016年11月期間地表平均沉降速率及累計沉降量。經(jīng)分析，兩種時序監(jiān)測結(jié)果具有較高的一致性，其結(jié)果表明：獻縣、滄縣、滄州市區(qū)地面表現(xiàn)為回升趨勢；青縣、滄縣東部、南皮縣西部、東光縣等地區(qū)地面沉降量較大，其中東光縣何莊村累計下沉量達47 mm，而引起這些區(qū)域地面沉降的主要原因為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來的地下水開采。本文對基于Sentinel-1A/B SAR數(shù)據(jù)的時序分析方法在城市沉降監(jiān)測方面的應(yīng)用進行了探討，為有關(guān)部門提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

Sentinel-1；InSAR；滄州地區(qū)；城市地面沉降

地面沉降作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有持續(xù)時間長、范圍大和影響因素復(fù)雜等特點。目前我國已有多個城市發(fā)生不同程度的地面沉降，造成了巨大的經(jīng)濟損失[1]。近40年來，滄州地區(qū)地面沉降十分嚴重，地表大面積的非均勻沉降嚴重破壞了地表結(jié)構(gòu)及其地上建筑，威脅著城市居民的生命財產(chǎn)安全。因此，針對該市沉降嚴重區(qū)域，實現(xiàn)周期短、精度高、覆蓋面積廣和準實時的監(jiān)測，并將最新的沉降信息反饋到城市建設(shè)中具有十分重要的意義。

與常規(guī)測量技術(shù)相比，空間對地觀測技術(shù)在近幾十年有了長足的發(fā)展。雷達干涉測量技術(shù)作為空間對地觀測技術(shù)的一種，憑其全天時作業(yè)、監(jiān)測范圍廣、成本低、精度優(yōu)于厘米級等優(yōu)點，在地震監(jiān)測[2]和城市沉降監(jiān)測[3]等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

常規(guī)InSAR技術(shù)往往受限于時空失相關(guān)和大氣延遲的影響，形變探測精度較低[2]。為解決上述問題，研究人員提出時序InSAR技術(shù)，主要包括PS-InSAR、SBAS-InSAR。該技術(shù)有效地解決了DInSAR受時空失相關(guān)和大氣延遲影響的問題，使監(jiān)測地表形變精度得以大幅提高，并且在探測長期累積的緩慢形變方面表現(xiàn)出了極大的潛力[3]。

本文結(jié)合PS-InSAR與SBAS-InSAR兩種時序分析技術(shù)展開對滄州市區(qū)及其周邊縣區(qū)域在2015年11月至2016年11月期間的地表沉降進行研究，最終得到沿視線(line of sight，LOS)方向上的累計沉降分布及年平均形變速率。本文著重探討基于S1衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的時序InSAR在監(jiān)測城市地表形變的可行性，分析滄州地區(qū)的沉降現(xiàn)狀，其結(jié)果將為相關(guān)單位在防災(zāi)減災(zāi)決策方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 時序InSAR原理

永久散射體合成孔徑干涉測量又稱為PS-InSAR，最早由Ferretti等學(xué)者提出。該技術(shù)的具體處理步驟為：①數(shù)據(jù)預(yù)處理，選取主影像需考慮時間基線、空間基線、多普勒質(zhì)心頻率及熱噪聲4個因素[4]；②PS點篩選，本次選用相位相干系數(shù)閾值法與相位離散閾值法結(jié)合的方法選取PS點，從中篩選標準偏差不超過1的點[5]；③去除DEM誤差、軌道誤差和大氣延遲誤差[6]；④提取形變量，去除誤差后的形變相位，計算所有PS點在LOS方向上的年平均形變速率。

小基線技術(shù)(SBAS-InSAR)先將時序SAR影像組成若干時空間基線較短的干涉對集合，再利用最小二乘法得到每個小基線集的地表形變序列，最后利用奇異值分解方法(SVD)將多個小基線集聯(lián)合求秩虧方程解，獲得監(jiān)測期間研究區(qū)域地面沉降的形變量[1]。

本次時序InSAR處理S1數(shù)據(jù)的流程如圖1所示。

圖1 S1數(shù)據(jù)時序處理流程

2 研究區(qū)域與實驗數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

本次研究對象為滄州市區(qū)及周邊縣區(qū)域，該市位于河北省東南部，屬于大陸性半干旱半濕潤氣候，降雨主要集中在每年7、8月份，年平均降雨量550 mm左右。該地區(qū)的地下水已成為農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水等主要源頭[7]。

隨著滄州市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民生活用水、農(nóng)業(yè)耕地用水和工業(yè)用水不斷增加，對地下水的開采日益增加。據(jù)有關(guān)資料分析，滄州地下水位漏斗區(qū)在1972—2002年累計地下水降深80多米[7]，滄州市區(qū)沉降中心累計沉降量超過2 m；在2003—2010年期間，該市仍處于快速下沉階段[8]；2012—2014年滄州市區(qū)的沉降趨勢處于沉降穩(wěn)定階段，部分區(qū)域地下水位出現(xiàn)回升[9]。隨著近年來雨水的增多，該市區(qū)多發(fā)內(nèi)澇事件，嚴重影響了城市居民的日常生產(chǎn)、生活，引起了相關(guān)部門的高度重視[10]。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

本次研究范圍如圖2所示，其中灰色線框表示一景影像IW3條帶下的6個相鄰Burst拼接影像的覆蓋范圍，黑色線框表示本次研究的區(qū)域。

圖2 研究區(qū)域概況

目前S1-A/B雷達衛(wèi)星具有覆蓋范圍大、多極化、短重訪周期(12 d)等特點。當(dāng)S1-A/B雙星同時運行，觀測周期可縮短至6 d，這為實現(xiàn)短周期、高精度的監(jiān)測城市地表沉降提供了充足的數(shù)據(jù)[11]。本次研究選擇C波段、VV極化模式、降軌影像數(shù)據(jù)，其具體參數(shù)信息見表1。主影像為2016年2月7日獲取的數(shù)據(jù)；選擇外部參考DEM為90 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)，絕對高程精度優(yōu)于16 m[12]。

表1 Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)參數(shù)信息

3 試驗結(jié)果

本次試驗結(jié)合PS-InSAR、SBAS-InSAR兩種時序處理方法，得到的時空基線分布如圖3、圖4所示。其中PS方法選擇2016-02-07景為主影像，最終得到相應(yīng)的沉降速率(如圖5、圖6所示)，A、B分別為兩種處理方法在研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的參考區(qū)域，PS點的沉降量均為相對于參考區(qū)域在LOS方向上的形變量。

圖3 PS-InSAR時空基線分布

圖4 SBAS-InSAR時空基線分布

圖5 PS-InSAR沉降速率

圖6 SBAS-InSAR沉降速率

由圖5、圖6可知，2015年11月—2016年11月期間，滄州整個地區(qū)地表沉降最嚴重的區(qū)域發(fā)生在青縣和東光縣地區(qū)；獻縣東部、滄縣西部和滄州市轄區(qū)地表呈上升趨勢；整個泊頭市、河間市東南部和東光縣東部出現(xiàn)輕微下沉；滄縣東部、河間市東北部、任丘東部和南皮縣東部地表出現(xiàn)中等程度沉降。下面重點針對青縣—滄州市區(qū)—泊頭—東光縣沉降帶進行沉降監(jiān)測分析。比較兩種時序監(jiān)測結(jié)果，繪制表2。

表2 時序InSAR監(jiān)測結(jié)果對比

由表2可知，利用PS-InSAR與SBAS-InSAR監(jiān)測滄州各城區(qū)地表沉降結(jié)果有較高的一致性：在泊頭市城區(qū)兩種監(jiān)測沉降結(jié)果相差10 mm，其他地區(qū)的沉降量相差不超過4 mm。進一步分析，滄州市區(qū)上升16 mm，泊頭城區(qū)地表基本穩(wěn)定，東光縣沉降近40 mm，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因為：2010—2015年期間，東光縣雖采取了地下水超采限制措施[12]，但在城區(qū)周邊實際地下水開采仍處于超采階段；而在滄州市區(qū)、泊頭城區(qū)、青縣部分區(qū)域，近幾年由于采取地下水相關(guān)限采措施，治理地面沉降取得明顯的效果，地下水位回升[8]，沉降速率放緩，地面出現(xiàn)回升趨勢。

本文采用的影像數(shù)據(jù)獲取時間間隔較短，這為進一步分析青縣、東光縣和泊頭等重點區(qū)域的沉降趨勢受降雨、季節(jié)更替等因素的影響提供了條件。在青縣清州鎮(zhèn)、滄州市新華區(qū)、泊頭市泊鎮(zhèn)和東光縣東光鎮(zhèn)等沉降量較大的區(qū)域，分別統(tǒng)計兩種時序InSAR方法每期監(jiān)測的PS點平均沉降值，得到的時序沉降圖如圖7所示。

對圖7中兩種監(jiān)測方法的形變數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)分析，青縣、滄州市區(qū)、泊頭及東光縣的結(jié)果相關(guān)系數(shù)分別為0.998、0.981、0.971、0.985，遠大于0.8，這表明兩種時序監(jiān)測結(jié)果有很強的一致性，也充分說明試驗結(jié)果的可靠性較高。進一步研究表明，2015年11月—2016年2月期間，4個地區(qū)的沉降量均在10 mm范圍內(nèi)波動；2016年4月—2016年11月期間，青縣清州鎮(zhèn)累計沉降量為33 mm；滄州市區(qū)表現(xiàn)為先快速上升后略微沉降，累計地面上升近20 mm；泊頭市和東光縣整體表現(xiàn)為先升后降再小幅度的回升，累計沉降量分別為2 mm和46 mm，其中在東光縣何莊村累計下沉量達47 mm。導(dǎo)致的原因為：①降雨量的不同，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，2016年6月—2016年9月初，泊頭、青縣降雨量近500 mm，東光、滄州市區(qū)降雨在400～450 mm內(nèi)，降雨通過補充淺層地下水導(dǎo)致青縣及滄州市區(qū)地表出現(xiàn)回升趨勢[14]；②巖層地質(zhì)構(gòu)造不同，其引起的地表形變量較小[7]；③城市發(fā)展趨勢不同，青縣通過建設(shè)貫穿南北的京津發(fā)展廊，東光縣城東區(qū)域憑借104國道、京滬鐵路優(yōu)勢，目前兩縣城發(fā)展較快，地表活動頻繁；④地下水的開采量不同，城市以工業(yè)和居民生活用水為主，非城區(qū)主要為農(nóng)業(yè)用水，在青縣南部區(qū)域和東光縣周邊區(qū)域，夏季農(nóng)業(yè)用水量較大，引起地下水開采量增加，導(dǎo)致地表在夏季發(fā)生較大幅度的沉降，而在2016年10月—2016年11月，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水減少，其地表略有回升趨勢。由以上分析可知，滄州市地區(qū)沉降的主要原因為地下水開采。

4 結(jié) 語

本文利用S1-A/B SAR數(shù)據(jù)對滄州地區(qū)作了短周期、近實時沉降監(jiān)測研究，其結(jié)果表明該數(shù)據(jù)在城市沉降方面有一定的應(yīng)用價值。在缺乏水準測量數(shù)據(jù)時，通過對比PS-InSAR技術(shù)與SBAS-InSAR技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果，驗證了沉降監(jiān)測結(jié)果的可靠性，發(fā)揮了時序InSAR技術(shù)的優(yōu)勢。

基于S1-A/B數(shù)據(jù)，得出了整個滄州地區(qū)在2015年11月—2016年11月的基本沉降情況，分析了降雨、農(nóng)業(yè)用水等因素對滄州地區(qū)地表沉降演化的影響，分析出導(dǎo)致該地區(qū)沉降現(xiàn)狀的主要原因為地下水的開采。

在今后的研究中，應(yīng)獲取滄州市各縣地表高精度的水準測量數(shù)據(jù)，進一步驗證時序InSAR監(jiān)測結(jié)果的可靠性；盡量收集滄州市整個地區(qū)地下水開采數(shù)據(jù)，充分挖掘滄州地表沉降速率與地下水開采的定量關(guān)系。

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Land Subsidence Monitoring and Analyzing of Cangzhou Area Sentinel-1A/B Based Time Series InSAR

ZHOU Hongyue1,2,WANG Yunjia1,2,YAN Shiyong1,2,WU Yue1,2,LIU Xixi1,2

(1. School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation (NASMG) Key Laboratory of Land Environmentand Disaster Monitoring,Xuzhou 221116, China)

The surface average subsidence rate and oumulative subsidence of Cangzhou area from November 2015 to November 2016 were obtained with 22 scences of Sentinel-1A/B SAR imagery respective by PS-InSAR and SBAS-InSAR techniques. The annual and accumulative subsidences from both time-series analysis methods had a high coherence with each other. The monitoring results indicated that the ground surface of Xian County,Cang County,Cangzhou urban area had a rebound trend; Qing County,the east of Cang County,the west of Nanpi County and Dongguang County experienced obvious subsidence, especially the accumulating subsidence in Hezhuang village of Dongguang County reached 47 mm.The main reason leading to these obvious subsidences was the over-exploitation of ground-water for agriculture.Moreover, it discussed the application of Sentinel-1A/B SAR images in monitoring urban subsidence and the results would provide important references for the relevant departments.

Sentinel-1; InSAR; Cangzhou area; urban land subsidence

周洪月，汪云甲，閆世勇，等.滄州地區(qū)地面沉降現(xiàn)狀Sentinel-1A/B時序InSAR監(jiān)測與分析[J].測繪通報，2017(7)：89-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0230.

2017-01-23

國家自然科學(xué)基金(51574221)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150189)

周洪月(1990—)，男，碩士生，主要從事InSAR技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測方面的應(yīng)用與研究工作。E-mail：ZhouHY0516@126.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0089-05