基于時序SBAS-InSAR技術(shù)的通?？h盆地區(qū)地面沉降監(jiān)測

肖波，高帥，喜文飛，周定義，趙振峰，2

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101； 4.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引 言

地面沉降是由地下松散地層固結(jié)壓縮引發(fā)的區(qū)域性地面標(biāo)高緩慢下沉的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種反應(yīng)滯后、進(jìn)程緩慢及不易察覺的地質(zhì)災(zāi)害[1，2]。研究表明，目前我國已有近百個城市因自然和人為等綜合因素的影響，致使地面出現(xiàn)不同程度的沉降[3，4]，給地鐵、高鐵、高速公路、城市建筑等基礎(chǔ)設(shè)施工程造成不同程度的破壞，危及人民的生命和財產(chǎn)安全。因此，城市地表沉降已成為嚴(yán)重影響城市發(fā)展的地質(zhì)災(zāi)害之一，對已經(jīng)或正在發(fā)生地表沉降的區(qū)域進(jìn)行有效的監(jiān)測，分析沉降特征和原因，可為政府部門的防災(zāi)減災(zāi)工作提供決策依據(jù)。

傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測主要依據(jù)水準(zhǔn)測量、全站儀三角高程測量、GNSS測量等方式，通過對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定期復(fù)測，求出監(jiān)測點(diǎn)的高程變化值，從而獲取沉降值。雖然傳統(tǒng)的測量方法監(jiān)測精度高，但都是基于少量離散點(diǎn)進(jìn)行的小范圍監(jiān)測，不僅勞動強(qiáng)度大、周期長、需要大量人力物力財力的持續(xù)投入、且很難在短時間內(nèi)快速獲得大范圍詳細(xì)的地表形變[5]。近年來，隨著時序InSAR技術(shù)的成熟發(fā)展，其憑借重訪周期短、大范圍覆蓋、高時空分辨率、有效克服D-InSAR技術(shù)失相干和大氣延遲等優(yōu)勢，逐漸成為地表沉降監(jiān)測的有效補(bǔ)充手段之一[6，7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用時序InSAR技術(shù)對城市地面沉降監(jiān)測取得了不錯的效果，代表性的研究有：Casu等[8]應(yīng)用SBAS(Small Baseline Subsets)InSAR技術(shù)對意大利Naples灣和美國洛杉磯城區(qū)的地面沉降提取信息，獲得較好的效果(形變速率的標(biāo)準(zhǔn)方差大約是1mm/a)；蒲川豪等[9]利用時序InSAR技術(shù)獲取延安新區(qū)的地面沉降分布特征，并通過實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證了InSAR技術(shù)探測結(jié)果的可靠性，并分析討論了影響地面沉降分布的主要因素；麻源源等[10]利用32景Sentinel-1A SAR影像基于短基線集技術(shù)獲取2014年～2017年昆明地表沉降信息，并結(jié)合城市建設(shè)資料、地質(zhì)和水文資料及氣象資料對昆明沉降區(qū)的成因進(jìn)行全面的分析，研究結(jié)果表明，昆明地表沉降空間特征明顯不均勻，地鐵施工、大型建筑物和商業(yè)區(qū)建設(shè)、地下水抽取和降雨量都不同程度地引發(fā)了昆明市的地面沉降；武麗梅等[11]采用小基線集技術(shù)，提取了魯西南地區(qū)地面沉降信息，并結(jié)合公路和鐵路等專題數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降成因分析，結(jié)果表明，魯西南地區(qū)最大沉降速率達(dá) -134.06 mm/a，且監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)符合性較好，驗(yàn)證了SBAS用于沉降監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。

綜合以上研究成果，時序InSAR技術(shù)在大范圍的地面沉降監(jiān)測中彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，但監(jiān)測區(qū)域多集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的平原或省會城市，而對云貴高原縣級城市的沉降監(jiān)測較少。因此，本文采用SBAS-InSAR技術(shù)和69景2018年7月20日～2020年11月18日的Sentinel-1A SAR影像，借用外部精密軌道數(shù)據(jù)POD(Precise Orbit Determination)和AW3D 30 DSM數(shù)據(jù)去除軌道誤差和地形相位，對地處云貴高原的通海縣盆地區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測，探討該區(qū)域的沉降分布特征及成因，為通?？h的防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支持。

2 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

通?？h(102°30′25″E～102°52′53″E；23°55′11″N～24°14′49″N)地處云南省中南部、玉溪市東部，自古以來為滇南軍事重鎮(zhèn)和交通要道。境內(nèi)由盆地、中山、河谷三大地貌構(gòu)成，盆地區(qū)地勢由西南向東北逐漸降低，壩區(qū)面積占全縣總面積的21.63%。杞麓湖猶如一條玉帶鑲嵌于壩區(qū)北部，與縣城背后的秀山遙相對應(yīng)，湖泊東西長 10.4 km，南北寬 3.5 km，總面積 36.4 km2，約占全縣總面積的5.0%，研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

2.2 研究數(shù)據(jù)

本文收集了2018年7月20日～2020年11月18日覆蓋通海縣盆地區(qū)的69景C波段Sentinel-1A SAR影像，衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本參數(shù)如表1所示。此外，由歐空局提供DORIS精密軌道數(shù)據(jù)用于衛(wèi)星軌道修正；日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)提供的高精度全球DSN數(shù)據(jù)，其精度為 30 m，用于去除地形相位。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本參數(shù) 表1

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 時序SBAS-InSAR技術(shù)原理

SBAS-InSAR技術(shù)是由Berardino和Lanari等研究人員提出的一種與PS-InSAR技術(shù)采用不同策略的時間序列InSAR分析方法[12，13]，該方法首先將獲取的多景時間序列雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，得到一系列能夠較好地克服空間去相關(guān)的短空間基線干涉圖。然后利用選取的GCP點(diǎn)進(jìn)行去平和軌道精煉。最后采用奇異分解(SVD)法求解形變速率，將被較大空間基線分開的孤立SAR數(shù)據(jù)集連接起來，提高觀測數(shù)據(jù)時間采樣率。其數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，主要步驟[14]如下：

圖2 SBAS-InSAR處理流程

(2)對于從影像tA和主影像tB(tB>tA)時刻獲取的SAR影像生成的第j幅差分干涉圖，方位向坐標(biāo)為x和距離向坐標(biāo)為r的像素干涉相位為：

(1)

δφj(x，r)=φB(x，r)-φA(x，r)

(2)

(3)為了獲得具有物理意義的沉降序列，將式(2)中相位表示為兩個獲取時間之間的平均相位速度和時間的乘積：

(3)

第j幅干涉圖的相位值可以寫為：

(4)

即各時段速度在主、從影像時間間隔上的積分，寫成矩陣形式為：

Bv=δφ

(5)

式(5)是一個M×M的矩陣。由于小基線集采用多主影像策略，因此，矩陣B容易產(chǎn)生秩虧。采用SVD方法就可以得到矩陣B的廣義逆矩陣，從而得到速度矢量的最小范數(shù)解，最后通過各個時間段內(nèi)速度的積分就可以得到各個時間段的形變量。

3.2 垂直向形變速率轉(zhuǎn)化

城市地標(biāo)沉降速率主要以垂直形變?yōu)橹鱗15]，而InSAR技術(shù)獲得的地表沉降速率是視線方向(Line of Sight，LOS)的，并不能完全反映地表實(shí)際的形變[16]，因此有必要將LOS向的形變速率轉(zhuǎn)換到垂直方向上。

LOS向的形變量[17]為：

DLOS=(UNsinφ-UEcosφ)sinθ+UVcosθ

(6)

式(6)中，UN、UE和UV表示南北、東西和垂直方向的地表形變分量，φ表示方位角，θ表示入射角。

由于SAR衛(wèi)星降軌數(shù)據(jù)的方位角φ=-90°，將其代入式(6)中，得：

DLOS=-UNsinθ+UVcosθ

(7)

城市地表形變監(jiān)測以垂直方向上的形變?yōu)橹?，假設(shè)南北、東西方向的形變極其微小，即UNsinθ?DLOS[15]，則垂直方向上的形變量為：

UV≈DLOS/cosθ

(8)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中采用POD(Precise Orbit determination)精密軌道數(shù)據(jù)對軌道進(jìn)行修正，有效去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差；采用由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)提供的高精度全球DSN數(shù)據(jù)(ALOS Global Digital Surface Model “ALOS World 3D-30 m”，AW3D30)去除地形相位。處理過程中，選取日期為2018年11月5日的影像為超級主影像，設(shè)置最大時間基線閾值為60d，組成316對干涉對，像對連接的時空基線分布如圖3所示。將組合的干涉對經(jīng)過配準(zhǔn)，刪除不理想的數(shù)據(jù)后生成干涉圖，選取150個沒有殘余地形條紋、遠(yuǎn)離形變區(qū)域、沒有相位躍變的GCP點(diǎn)，進(jìn)行軌道精煉和重去平。然后運(yùn)用線性模型計算出所有相對的形變速率和殘余地形，同時對輸入的干涉圖二次解纏優(yōu)化后，估算和去除大氣相位，得到更加準(zhǔn)確的時間序列沉降結(jié)果；最后對SBAS獲取的結(jié)果進(jìn)行地理編碼，將形變結(jié)果投影到WGS 84坐標(biāo)系下，獲得LOS方向上的形變速率。

圖3 時空基線分布圖

4 結(jié)果分析

4.1 地表形變場分布特征

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)處理流程，獲得通?？h城區(qū)域2018年7月20日～2020年11月18日的地表形變速率圖，如圖4所示。圖4中，形變速率為紅色(負(fù)值)表示該區(qū)域遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動，即地面表現(xiàn)為下沉，形變速率為綠色(正值)表示靠近衛(wèi)星運(yùn)動，即地面表現(xiàn)為抬升。從圖4可以看出，通?？h盆地區(qū)域地表累計沉降速率為 -90.55 mm/a～39.99 mm/a，在盆地西部及杞麓湖沿岸多地出現(xiàn)不均勻沉降。由于研究區(qū)內(nèi)沉降區(qū)域較多，分布在各個村莊，本文選取圖中4個對人們生活影響較嚴(yán)重的區(qū)域(藍(lán)色矩形區(qū)域)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖4 研究區(qū)形變速率

解家營村：謝家營村片區(qū)最大年均沉降速率為 -59.69 mm/a，村莊的平均沉降速率為 -26.20 mm/a。從圖5(a)可以看出，該村莊屬于一個典型的沉降漏斗區(qū)。解家營村東南方向背靠鳳凰山，該方向基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。西北方向靠近縣道F27和蔬菜種植地附近的區(qū)域出現(xiàn)大面積的沉降區(qū)，造成此現(xiàn)象的原因可能是受縣道F27大中型荷載車輛運(yùn)營破壞路面結(jié)構(gòu)及周邊農(nóng)田松散土質(zhì)固結(jié)影響。此區(qū)域呈現(xiàn)從西北向東南蔓延的趨勢，今后可能會影響村莊內(nèi)人們的正常生活。云南蒙元?dú)v史文化博物館：云南蒙元?dú)v史文化博物館片區(qū)最大年均沉降速率為 -29.63 mm/a，片區(qū)內(nèi)的平均沉降速率為 -13.72 mm/a。省道319貫穿該片區(qū)，沉降區(qū)域沿著省道呈現(xiàn)出條帶狀的漏斗型(圖5(b))。這有可能是該片區(qū)沿著道路沿線，新建大量的建筑物，比如博物館、民俗文化廣場等，使得松散的土壤固結(jié)。通海站：2019年9月28日，昆明至中越邊境河口縣的動車全線開通，其中通海境內(nèi)從西北方向貫穿至東南方向，在通海盆地西北部設(shè)置一座站點(diǎn)，即通海站。片區(qū)最大年均沉降速率為 -28.69 mm/a，片區(qū)內(nèi)的平均沉降速率為 -15.19 mm/a，該區(qū)域形成一個“W”型的沉降區(qū)(圖5(c))。該線每天開行動車組列車8對，隨著列車的高速運(yùn)行及震動作用，不僅對路基造成影響，也會促使車站附近施工區(qū)域的松散土壤壓縮固結(jié)，從而引起沉降。今后旅客量也會逐年增加，可能會引起更嚴(yán)重的地表沉降，有必要重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的地表形變，確保動車的正常運(yùn)營。杞麓湖國家濕地公園：從2014年12月國家林業(yè)局批準(zhǔn)建設(shè)杞麓湖國家濕地公園起，圍繞杞麓湖建設(shè)了生態(tài)保育區(qū)、恢復(fù)重建區(qū)、宣教展示區(qū)、合理利用區(qū)和管理服務(wù)區(qū)五大功能區(qū)，該區(qū)域內(nèi)最大年均沉降速率為 -66.76 mm/a，片區(qū)內(nèi)的平均沉降速率為 -22.89 mm/a。從圖5(d)可以看出，區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出“滴水狀”沉降漏斗，可能是因?yàn)楹粗苓叺耐寥篮扛呒皾竦毓珗@施工建設(shè)，不可避免地壓縮土壤內(nèi)的含水量，使土壤板結(jié)引起的，今后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的地表形變。

圖5 典型沉降區(qū)的三維沉降速率圖

4.2 典型區(qū)域時間系列結(jié)果分析

地表長期處于沉降，不利于城市的建設(shè)和發(fā)展。為了分析通?？h盆地區(qū)域4個典型沉降區(qū)隨時間的形變規(guī)律，提取了重點(diǎn)分析的4個沉降區(qū)域的時間系列累積沉降圖，如圖6所示。4個區(qū)域的形變曲線隨時間表現(xiàn)出不同程度的下降，表明監(jiān)測期內(nèi)地表處于持續(xù)沉降。這很可能與通海所處的地形地貌、地質(zhì)條件有關(guān)。通海盆地區(qū)斷裂構(gòu)造縱橫交錯，其中以北西向和北東向最為發(fā)育，南北向和東西向次之。1970年1月5日，通?？h曾發(fā)生過7.7級大地震，此次地震正好位于北西向的曲江斷裂帶上，這是一條挽近時期在北東向主壓應(yīng)力作用下發(fā)生右旋壓扭兼作剪刀式運(yùn)動的樞紐斷裂，而位于通海斷陷盆地中的杞麓湖的變遷也證實(shí)了曲江斷裂的運(yùn)動[18]。因此，由于通?？h盆地區(qū)分布有復(fù)雜的斷裂帶，現(xiàn)如今又監(jiān)測到整個盆地區(qū)呈現(xiàn)不均勻的沉降分布，今后有必要結(jié)合InSAR技術(shù)和傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測技術(shù)對該區(qū)域進(jìn)行長期的監(jiān)測，以防災(zāi)害的發(fā)生。

圖6 2018-2020年4個典型沉降區(qū)時間序列累積沉降圖

5 結(jié) 語

本文基于SBAS-InSAR技術(shù)，以2018年7月20日～2020年11月18日的69景Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)，獲取了通?？h盆地區(qū)的地表形變分布，得出以下結(jié)論：①通海盆地區(qū)域內(nèi)總體沉降速率為 -90.55 mm/a～39.99 mm/a，廣泛分布有多個明顯沉降區(qū)，且這些沉降區(qū)有逐漸成片蔓延的趨勢；②區(qū)域內(nèi)的沉降主要與城市建設(shè)荷載(如鐵路、建筑、公路等)及復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)；③區(qū)域內(nèi)沉降隨時間呈現(xiàn)下降趨勢，建議通?？h政府部門結(jié)合InSAR技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)測，以防災(zāi)害發(fā)生。