PS-InSAR技术在昆明市地面沉降监测中的应用

邵九明，李金平,2， 陆好健

(1.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

PS-InSAR技术在昆明市地面沉降监测中的应用

邵九明1，李金平1,2， 陆好健1

(1.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

利用2014～2016年28景Sentinel-1a SLC升轨数据，采用PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)技术研究昆明市地面沉降。结果表明：昆明市地面沉降区域主要集中在南市区及滇池沿岸且空间分布不均，小板桥-广卫村沉降区沉降量累积达到87 mm，沉降速率最高达40 mm/a；滇池会展中心沉降区沉降量累积达到45 mm，平均沉降速率12.3 mm/a；渔户村-福海沉降区沉降量累积20 mm，沉降速率在0～5 mm/a。与已有研究成果对比发现，昆明市地面沉降总体呈现放缓趋势。

昆明；地面沉降；PS-InSAR；沉降速率

城市地面沉降作为一种地质灾害已经给城市建设和居民生活带来严重影响，国内许多城市已对地面沉降开展监测，进行灾害预警评估，为政府部门防灾减灾提供决策依据。城市地面沉降监测主要有精密水准测量、GPS测量等。合成孔径雷达干涉技术(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)具有精度高、监测范围广、非接触性监测、全天候、效率高等特点，在城市地面沉降监测领域有巨大优势。常规的差分干涉测量技术(Synthetic aperture radar differential interferometry, D-InSAR)在监测地面沉降时受时间失相干、空间失相干、大气延迟相位的影响，发展和应用受到限制。PS-InSAR技术通过分析离散的点目标能够有效克服D-InSAR技术缺点，已广泛用于研究城市地面沉降和地壳运动[1-2]，获取的城市地面沉降速率与水准测量结果具有高度一致性[3-4]。顾兆芹等利用PS-InSAR技术研究北京市地面沉降空间分布特征及成因，认为地面沉降分布受断层控制，并与地下水水位密切相关[5]。

昆明市位于古滇池湖积沉积区[6]，广泛覆盖厚100～400 m的第四纪沉积物，主体成分结构松散，含有大量富含孔隙水、有大空隙、高压缩比的黏土。陆地部分地下水富集，以岩溶水为主，区域内地质构造复杂，地壳运动活跃，发育多条活动断裂，如普渡河西山断裂、黑龙潭-官渡断裂、大春河-一朵云断裂[7]。孟国涛等[8]利用1987-1998年四期水准测量数据生成等沉降线分析昆明市地面沉降分布特征，认为地下水开采是引起地面沉降的主要原因；俞维贤等[9]研究1986 年以来昆明市的水准观测资料，认为黑龙潭-官渡断裂周边地区地面沉降有加速趋势(下降速率每年达30 mm), 是震前一种中长期形变异常现象；尹振兴等[10]利用2007-2010年的ALOS、ENVISAT ASAR数据采用SBAS-InSAR(Short Baseline Synthetic Aperture Radar Interferometry)技术研究昆明市地面沉降，认为地面沉降是在城市建设及地下水开采综合作用下形成； Sentinel-1A卫星是欧洲空间局2014年4月3日发射的哥白尼计划的首颗环境监测卫星，重访周期为12天，卫星数据实施免费开放，利用该卫星研究昆明市地面沉降及区域形变异常为城市灾害预防提供决策支持具有重要价值。本文利用2014～2016年Sentinel-1A数据，采用PS-InSAR技术研究昆明市近期地面沉降分布特征，并结合已有研究成果及区域构造运动分析昆明市地面沉降成因。

1 PS-InSAR原理

利用PS-InSAR技术提取地表形变之前，首先要对覆盖研究区的多幅SAR影像进行差分干涉处理，形成时间序列干涉影像对，然后提取出不受空间、时间失相关和大气延迟影响的稳定地面目标点，通过分离出点目标上的地形相位达到提取地表形变的目的[11]。在获得研究区的SAR数据后，选取其中一幅做为主影像，其余影像分别与主影像配准。进行差分干涉时通常会引入外部DEM数据(二轨法)初步去除平地效应 。经过差分干涉处理后干涉图中的每个像元包含如下：

φ=φd+φc+φa+φr+φn

其中，φ表示像素点干涉总相位；φr为参考椭球面引起的相位因子，可借助卫星精密轨道状态矢量并依据干涉几何关系去除；φt是由地形起伏引起的地形相位因子，可借助已有的数字高程模型部分去除；φd为线性地表形变引起的形变相位因子，是所求地物目标形变引起；φa为非同时成像大气状态不一致引起的大气延迟相位因子，φn为随机噪声相位因子。差分干涉后选取散射特性长期稳定的具有二面角性质并且散射特性较为稳定的建筑物，道路边沿、桥梁、裸露的岩石、房屋屋顶等[12]做为PS点。最后对选取的PS点相位信息去除大气延迟相位并进行残余相位滤波即可提取出形变相位信息，获取地表形变，从而解算得到地面沉降速率。

2 数据处理

研究区覆盖范围见图1，总面积约900 km2。利用欧空局2014年11月12日～2016年12月31日的28景Sentinel-1A宽幅单视复数升轨数据和精密轨道POD文件、美国宇航局30 m分辨率SRTM DEM数据， 利用SARPRoZ软件，采用PS-InSAR技术研究昆明市地面沉降，数据处理流程如图2所示。根据时间、空间基线及天气状况等经计算选取2015年12月13日影像为主影像，辅影像与主影像裁剪配准后进行干涉相位计算并选取相干目标点；对数据集进行相干系数计算、利用精密星历轨道POD数据去除由参考椭球引起的平地相位、参考外部DEM数据部分去除由地形原因引起的地形相位计算平地相位常量、利用最小费流法进行相位解缠、生成27幅干涉图见图3。采用德劳内三角拓扑构建像素点网分析大气延迟相位，K-均值自适应滤波法去除噪声相位，利用能量稳定系数选取PS点，约27万个集中分布在城区建筑物密集区域和主要道路上，以星型拓扑结构构建分析网，用线性形变+高程误差模型分析PS点形变，得到时间序列形变结果；最后，将所有形变结果编码到同一地理坐标系，并根据需要在图上标注相关地物，得到昆明市2014年11月～2016年12月地面沉降平均速率，如图4所示。

图1研究区位置图2 PS-InSAR数据处理流程

图3研究区干涉图图4昆明市2014-2016年沉降速率

3 结果分析

由图4可以看出：昆明市地面沉降空间分布具有明显的分区特征。地面沉降区域主要集中在城区南部及滇池沿岸，形成以小板桥-广卫村、东菊新村-雨龙村、滇池会展中心、棕树营为中心的四个主要沉降区且各沉降区累计沉降量有较大差异，其沉降累积时间序列见图5。其他地区沉降量较小，且部分地区有轻微隆升。小板桥-广卫村为沉降量高值区域，累计沉降达到87 mm，沉降速率最大达40 mm/a,沉降范围有持续扩大的趋势；滇池会展中心沉降区为沉降范围最大区域，累积沉降达45mm，平均沉降速率12.3 mm/a；东菊新村-雨龙村累计沉降达到52 mm,平均沉降速率20.5 mm/a；棕树营沉降区沉降范围较小，累计沉降达到40 mm,平均沉降速率18 mm/a；渔户村-福海沉降区沉降量累积达20mm，沉降速率在0～5 mm/a。

图5 2014～2016年昆明市不同区域沉降累积时间序列

4 昆明市地面沉降成因

结合1987～1998年水准测量及2007～2010年SBAS-InSAR结果及本文成果组成昆明市地面沉降时间序列，不同时期沉降速率见表1。由表1可以看出，1987～2016年小板桥-广卫村沉降区持续沉降，沉降速率平均为22.7 mm/a；东菊新村-雨龙村沉降区多年持续沉降，沉降速率平均为23.4 mm/a；渔户村-福海沉降区在1994～1998年沉降速率达到25.1 mm/a，此后逐渐降低，2014～2016年沉降速率为3.5 mm/a； 2014～2016年在滇池会展中心、棕树营沉降区形成新的沉降区。

表1 昆明市各沉降中心在不同时期的沉降速率

注:1987～1998年水准数据引自文献[14]；2007～2010年数据引自文献[9]

渔户村-福海沉降区近年沉降较小，说明2010年昆明市出台地下水开采管理政策效果明显。渔户村-福海沉降区周边限制开采地下水，关停采水井，同时该区域第四纪沉积物经过长时间压缩后，土体固结压缩到极限致使沉降区基本消失。

滇池会展中心、棕树营沉降区的形成与城市建设密切相关。棕树营沉降区附近有昆明市地铁3号线施工，同时建设大量高层住宅区；滇池会展中心近年来进行大规模开发修建会展中心、度假区等，使区域内建筑荷载迅速增加，且该区域紧邻滇池，由湖积沉积物转为陆地时间短[14]，土体在区域内建筑荷载及自身重力作用下固结引起地面沉降。

2010年昆明市出台政策限制开采地下水政策后，昆明市地面沉降速率总体呈现下降趋势，但2014～2016年小板桥-广卫村沉降区、东菊新村-雨龙村沉降速率分别高达30.0 mm/a、20 mm/a，说明该区域地面沉降的形成发展还受其他因素影响。构造运动可使地表区域性抬升或下降，使岩层位移、土体扰动、影响地下水流场等方面改变区域内的地质结构从而影响地面地壳形变。昆明市区域沉降和隆升总体受滇中地区构造运动影响，形成蛇山、西山隆起区，龙头街-九甲-晋宁、普吉-韩家村坳陷槽[15]，与本文研究结果具有一致性。黑龙潭-官渡断裂带贯穿小板桥-广卫村、东菊新村-雨龙村沉降区，且两沉降区位于龙头街-九甲-晋宁坳陷槽，因此，认为小板桥-广卫村、东菊新村-雨龙村沉降区受地下水开采及活动断裂的运动共同作用形成。

5 结束语

利用2014～2017年Sentinel-1数据和PS-InSAR技术监测昆明市地面沉降，结果发现：传统沉降区域如小板桥-广卫村、东菊新村-雨龙村仍以较高的速率沉降；渔户村-福海沉降区沉降趋缓；而在滇池会展中心和棕树营分别形成新的沉降中心。结合已有研究资料分析昆明市地面沉降成因，不同区域地面沉降形成原因不同：过量地下水开采是昆明市地面沉降形成的主要原因，昆明市的地质环境(广泛分布的第四纪沉积物和湖积沉积区)是地面沉降形成的基础，大规模的城市建设使滇池会展中心、棕树营形成新的沉降区，构造运动对地面沉降的形成发展也产生一定影响，而小板桥-广卫村、东菊新村-雨龙村近30年来持续沉降，该区域的持续沉降是否为构造运动引起的震前异常形变还有待于进一步监测研究。

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ApplicationofPS-InSARtechnologyingroundsubsidencemonitoringofKunming

SHAO Jiu-Ming1, LI Jin-Ping1,2, LU Hao-Jian1

(1.SchoolofTourismandGeographicScience1,YunnanNormalUniversity,Kunming, 650500,China; 2.GISTechnologyEngineeringResearchCentreforWest-ChinaResourcesandEnvironmentofEducationalMinistry2,Kunming650500,China)

PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)technology and 28 Sentinel-1A images during 2014 to 2016 were used to study the ground subsidence in Kunming. The results show that the ground subsidence area mainly concentrates on the Nanshi District and the Dian Lake, and the spatial distribution is uneven, the settlement of Xiao Banqiao-Guangwei village settlement is up to 87mm, and the settling rate is up to 40mm/a. The settlement of the sedimentation area of the Dian Lake Exhibition Center is accumulated to 45mm, The settlement amount of the Fisherman Village-Fuhai settlement area accumulated 20mm and the settling rate was 0～5mm/a. Compared with the existing research results, it is found that the ground subsidence in Kunming shows a slowing trend.

Kunming; ground subsidence PS-InSAR; subsidence rate

2017-06-12

国家自然科学基金项目(41461087)

邵九明(1990—)，男，河南周口人，硕士研究生。

1674-7046(2017)05-0045-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.009

P237

A