基于时序InSAR技术的天津郊区地面沉降监测应用

张又又

(海安县海建测绘公司 ，江苏 南通 226600)

基于时序InSAR技术的天津郊区地面沉降监测应用

张又又*

(海安县海建测绘公司 ，江苏 南通 226600)

城市区域大多实施了严格有效的沉降防控措施，地表沉降逐渐由城市向郊区发展，监测城市周边郊区的地表沉降十分有必要。基于时序InSAR技术，利用28景Envisat ASAR影像获取了天津市西郊的地表沉降速率以及沉降的历史演化信息。实验结果显示，在2007年～2010年间，天津市城区的地表沉降较为缓慢，而郊区则出现了3个大的沉降漏斗，并且以最大沉降速率超过 100 mm/a的速度快速发展，有与河北沉降漏斗连通的趋势。

地面沉降；时序InSAR；郊区

1 引 言

合成孔径雷达干涉测量InSAR技术是近年来发展起来的一种先进的对地遥测技术，具有广覆盖、高分辨率、高精度等技术优势，并且不受云雾等干扰。基于相干点目标的时序InSAR技术，能够以mm级的精度进行长时间跨度的地表形变监测[1～3]。天津市位于三大沉降盆地之一的华北平原，是典型的由于过量开采地下水导致地表沉降的城市。由于近年来采取的地下水开采控制措施，天津市区的地表沉降得到明显控制。但是由于对地下水的持续需求，天津市郊区逐渐形成新的沉降漏斗。本文利用28景Envisat ASAR数据，基于时序InSAR技术获取了天津市西郊在2007年～2010年间的地表沉降的发展演化信息，为政府完善防治措施提供了数据支撑。

2 时序InSAR技术原理

时序InSAR分析方法主要有PS-InSAR[1]，小基线算法(SBAS)[2～4]、点目标分析技术(IPTA)[5，6]、时域相干目标分析算法(TCP)[7，8]、斯坦福算法(StaMPS)[9，10]等。其中，Hooper等人提出的StaMPS算法，在缺少人工建筑物的非城区也具有较为出色的表现，并且StaMPS支持SBAS分析方法。因此，本文首先简要介绍StaMPS-SBAS算法的基本原理，然后基于StaMPS开展实验研究。

设M景影像组合得到N个干涉对，在去平、去地形相位之后的第i幅干涉图上第x个相干点的差分干涉相位φx，i可记为：

φx，i=w{φD，x，i+φA，x，i+△φS，x，i+△φθ，x，i+φN，x，i}

(1)

式中，w表示缠绕算子。φD，x，i表示形变相位，φA，x，i表示大气相位，△φS，x，i表示轨道误差相位。△φθ，x，i是视角误差[10]相位。其中，φD，x，i、φA，x，i与△φS，x，i在一定空间距离内有较强的相关性，△φθ，x，i则具有部分相关性。φN，x，i为噪声相位，不具有相关性。

(2)

(3)

γx反映了相干点受噪声污染程度，因此可以利用γx精化相干点，最终选取高质量的相干点目标。基于精化后的相干点目标的差分相位，采用时空三维相位解缠算法[11]进行相位解缠，有：

(4)

式中，2kx，iπ为可能残留的整周模糊度，可以通过参考点去除。最终，形变相位φD，x，i则可以根据各相位不同的时空相干特性，通过时空域滤波获得。

3 研究区域概况与SAR数据分析

3.1 研究区域概况

实验区域位于天津市西南郊(如图1所示)，属于中国三大沉降中心之一的华北平原。该区域于1923年开始大规模开采地下水。起初的开采量比较少，地面沉降问题并不显著。随后，为满足快速发展的工农业用水需求，地下水开采量逐渐增大，地面开始出现较为明显的下沉，并且越来越严重。统计资料显示[13]：天津市在1958年～1966年期间，沉降速率在 30 mm/a～46 mm/a之间，而在1967年～1985年间，沉降速率则猛增至 80 mm/a～100 mm/a。

为控制地面沉降，天津市近年来采取了多项措施控制地下水开采量，如引黄济津、引滦入津等工程。这一系列措施取得了显著的成果：天津市区的沉降速率下降到 10 mm/a～15 mm/a。然而，由于经济发展的需要，天津郊区的地下水资源被逐渐开采，沉降区域逐渐由城市向郊区转移，并形成新的沉降漏斗区。

图1 研究区域空间位置

3.2 SAR数据

本次实验选取了2007年9月～2010年10月期间的28景Envisat ASAR(Track 447)影像，其获取时间与垂直基线分布如表1所示，计算垂直基线时选取的参考影像为20090123。由表1可以直观地看出：Envisat ASAR数据显示出了高时间采样率的优势，并且时间分布较为均匀，大部分相邻影像的时间间隔为35天，均匀而密集的时间采样为详细研究地面沉降的动态演化提供了数据保障。28景Envisat ASAR影像通过StripMap模式下的Image Mode模式采集得到，方位向与地距向分辨率分别约为 6 m与 30 m，实验区域大小约为 50 km× 30 km(图1方框所示)。

Envisat ASAR数据集 表1

4 实验分析

4.1 实验方法

由于实验所用的Envisat ASAR数据时间跨度较长(3年)。因此，本文基于StaMPS软件中的短基线算法(即SBAS算法)进行时序InSAR分析。采用SBAS算法，可以在增加干涉对数量的同时，尽可能降低时间、空间基线引起的失相干，从而保证形变监测结果的精度。

StaMPS-SBAS在自动组合干涉对时，认为相干质量只与时间、空间基线有关。然而，现实中影响相干质量的因素众多。并且，在StaMPS-SBAS算法中，SDFP的精化选取是根据相位信息进行的，干涉对的相干质量对SDFP的可靠性具有强烈的影响。另外，高质量的干涉图也是成功提取地表形变信息的基础。因此，为降低噪声等因素的影响，需要根据相干质量去除相干性差的干涉对。

基于28景Envisat ASAR影像，设置时间与空间基线的临界值分别为900天与 800 m，并以0.3作为相干阈值，可以得到241个干涉对。去除其中93个相干性差的干涉对，最后剩余148个干涉对用于时序分析，其中最大时间基线为595天，最大空间基线为 445 m，其时空分布如图2所示。

图2 Envisat ASAR数据组成的干涉对

4.2 结果分析

基于图2所示的148个ASAR干涉对，按照4.1节所述的SBAS算法进行时序分析，提取了天津西郊 1 500 km2的地表形变信息。图3所示为2007年～2010年间地表在雷达视线向上的平均形变速率，负值表示地表背离卫星运动，即地面发生下沉现象。从图3可以看出，该区域整体都在下沉，但沉降程度不同。天津市区的地表沉降较为缓慢，沉降速率约为 10 mm/a～20 mm/a，但是天津郊区则出现了严重的地表沉降现象：

图3 2007年～2010年间研究区域在雷达视线向的沉降速率

(1)区域北部(武清区)沉降速率约为 10 mm/a～45 mm/a，区域中西部以及东南部沉降明显，形成了三个较大的沉降盆地：Basin1、Basin2与Basin3。

(2)沉降最为严重的是位于河北省的胜芳镇(Basin1)，其在2007年～2010年间的最大沉降速率超过 120 mm/a。利用TerraSAR-X数据，Luo[14]与Zhu[15]等人分别获取了该地区2009年～2010年间以及2009年～2013年间的沉降数据，均显示该地区沉降速率已达 120 mm/a。与本文结果一致。

(3)沉降盆地Basin2位于天津郊区，主要包含武清区的王庆坨镇、北辰区的双口镇、青光镇以及双街镇，最大沉降速率超过 80 mm/a。该沉降盆地呈东北-西南走向，东北-西南长约 30 km，西北-东南宽约 10 km，并且有与沉降盆地Basin1连成一片的趋势。

(4)沉降盆地Basin3在2007年～2010年间的沉速率较在 60 mm/a～90 mm/a之间，范围也比较大，主要包含西青区南部与静海县北部区域，南北长约 20 km，东西宽约 12 km。该结果与Zhu[15]等人的观测结果相近。

(5)此外，静海县北部的独流镇与良王庄乡在2007年～2010年间也表现出较大的下沉现象，若不采取措施控制沉降，则该区域有可能发展为新的沉降盆地。

(6)地面沉降不但会损害建筑物，而且严重威胁着区域交通设施的安全运营。如图3所示，津蒲铁路在良王庄乡路段沉降较为严重，沉降速率在 80 mm/a左右。津沧高速公路在静海县城东部路段沉降明显，沉降速率在 100 mm/a左右。

图4则清晰的表明了该区域在2007年～2010年间地表形变的时间演化(以第一景影像20070921为起始时间)。从图4可以看出，天津市区以及静海县城沉降较为缓慢，地面沉降控制措施取得的效果比较显著。河北省的胜芳镇在该期间一直保持着比较高的沉降速率，三年时间内最大累计沉降已经超过 400 mm，亟须采取治理措施。天津武清区的王庆坨镇、北辰区的双口镇、青光镇以及双街镇的沉降也非常明显，并且逐渐向胜芳镇扩展，有可能与其连成一片，形成一个巨大的沉降盆地。Zhu[15]等人根据2009年～2013年间的沉降情况，已将Basin1与Basin2合并为一个大的沉降盆地。

此外，天津市西南部出现了两个新的沉降区：其中一个以良王庄乡为中心，涉及范围较小；另一个空间覆盖范围较广，包含精武镇与杨成庄乡。并且由图4所示的时间演化趋势可以看出，这两个沉降区有进一步加重并扩大的趋势，并且津蒲铁路、津沧高速公路、津乌高速公路、京沪高速铁路经过该区域，非常有必要对该区域进一步监测。

图4 2007年～2010年间研究区域在雷达视线向的累计沉降

5 结 论

本文利用时序InSAR技术，采用28景Envisat ASAR卫星数据，获取了天津市郊区的地表形变信息。利用InSAR技术监测大范围的地表形变效果比较明显：经过多项措施控制地下水开采量之后，在天津市区取得了显著的成果，地表沉降速率控制在较低的水平(约 10 mm/a)。但是，天津市西部(包括天津市郊区以及河北胜芳镇)，由于仍然过量开采地下水，地表出现了严重的沉降现象：王庆坨镇最大沉降速率超过 100 mm/a，河北胜芳镇最大沉降速率超过 120 mm/a。并且，地表形变的时序演化过程清晰的表明了天津市西郊的沉降漏斗有与河北沉降区连成一片的趋势。

致谢

感谢欧洲空间局(Europen Space Agency)为本文提供了Envisat ASAR数据。感谢Hooper博士及其团队提供的StaMPS软件。

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Application of Ground Subsidence Monitoring in Tianjin Suburb Based on Multi Temporal InSAR

Zhang Youyou

(Haian Haijian Measureing Company Limited，Nantong 226600，China)

The land subsidence in urbans has been greatly reduced due to decrease of extraction of groundwater. However，there are many regions in suburbs undergong land subsidence，and meanwhile，the subsidence are kept expanding. Therefore，it is essential to monitor this subsidence located in suburbs. In this paper，the land subsidence and the evolution of subsidence in the suburb of Tianjin have been extracted using multi temporal InSAR based on 28 Envisat ASAR iamges acquired from 2007 to 2010. Results show that there are three large subsidence basins in this area. The maximum rate of subsidence exceeds 100 mm/a，and one of these basins maybe expands to Hebei province in the future.

land subsidence；multi temporal InSAR；suburb

1672-8262(2016)06-65-05

P237，P642.26

B

2016—07—07

张又又(1986—)，男，助理工程师，从事工程测量、建筑物变形监测等方面工作。