基于SBAS-InSAR技术的南昌市中心城区地表沉降监测

熊佳诚，聂运菊，罗跃，李永飞

(东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013)

1 引 言

南昌作为江西的省会城市，拥有诸多得天独厚的优越资源，近年来经济稳步发展。在经济发展的同时，南昌市大力开发城市基础设施建设，对中心城区老城区改造、新城区建设以及地铁线路施工，都极易导致局部甚至大范围的地面沉降，城市内的地面沉降会直接或间接地造成地面塌陷、地裂缝等地质灾害，2018年4月，南昌市八一大道妇幼保健院门口路面一周内发生两次塌陷，受影响路面约 100 m2。这些地质灾害的发生严重危害了居民的生命财产安全，给城市的规划建设造成了极大的损失。因此，有效监测南昌市地面沉降，预防地质灾害的发生成为确保南昌高速发展的一项重要工作。

合成孔径雷达干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术自1974年被Graham等[1]首次提出以来一直受到研究人员的关注。与传统测量方法相比，InSAR技术具有全天候、全天时、大区域、高精度等难以比拟的优势，是目前探测地表形变的主要方法。短基线集(Small Baseline Subset，SBAS)技术是从InSAR技术上发展起来的一种针对多时相遥感影像数据处理监测目标区域地表沉降的方法，短基线集技术克服了差分干涉测量(Differential InSAR，D-InSAR)技术受时空失相干和大气效应的影响，与永久散射体(Permanent Scatterer，PS)技术相比降低了对影像数量的要求，受到国内外众多学者的重视。已有研究证实短基线集技术在地表沉降监测中具有毫米级的监测精度[2～4]。张艳梅[5]、孙晓鹏[6]、杨帆[7]分别利用短基线集技术分析监测区域的沉降速率、时间序列累计形变量以及沉降区剖面图。以上监测方法在监测南昌地区地表沉降中的应用较少，本文利用21景Sentinel-1数据，基于短基线集技术对南昌市中心城区地表沉降进行监测，研究中心城区地表沉降速率、沉降分布、沉降量等，为今后的灾害防治提供数据基础。

2 研究区概况与试验数据

2.1 研究区概况

南昌市位于江西省中北部，鄱阳湖西南岸，全境以平原为主，东南相对平坦，西北丘陵起伏。境内赣江由北向南将市区分割为东西两部分。中心地理坐标为东经115°55′，北纬28°40′。本次试验的研究区域范围如图1所示，区域范围以南昌市内的前湖、青山湖、艾溪湖以及象湖四个主要湖泊为界。四湖以内包含南昌市四大中心城区：东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区，赣江以西的红谷滩新区以及新建区，上述区域构成了目前南昌市中心城区。城区内人口密度大，人类活动频繁且植被较少，适合进行地表沉降监测。

图1 研究区范围与区域放大图

2.2 试验数据

本试验数据使用21景Sentinel-1A的IW模式SLC数据，VV极化，幅宽 250 km，分辨率为 5 m×20 m，时间跨度为2017年3月～2018年6月。影像数据的基本参数信息如表1所示。此外还包括对应的AUX_POEORB精密定轨星历数据及NASA获取的SRTM4DEM数据，分辨率为 90 m×90 m。AUX_POEORB精密定轨星历数据在影像获取21天后才可获得，定位精度优于 5 cm，适用于城市地表沉降监测[8]。

试验数据主要信息 表1

3 技术原理与数据处理

3.1 短基线集技术原理

短基线集技术最先由Berardino等人[9]于2002年提出，是一种针对多时相影像数据集进行处理，连接由长基线造成的相互独立的影像数据，形成短基线影像集合，对集合内的信息采用最小二乘法获取高精度的形变信息，集合之间采用奇异值分解法(SVD)联合求解，解决各影像数据集时间不连续问题，获取整个时间范围内的形变信息[10]。

假设目标区域在(t0，t1，…，tn)时间段内有N+1幅遥感影像，通过干涉像对的自由配对，生成M幅干涉图，则：

(1)

假设在tA和tB两个时间(tB>tA)获得的影像通过干涉处理生成了第j幅干涉图，干涉图j的距离向坐标r和方位向坐标x处的干涉相位为：

δφj(tABx，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(2)

式中：λ为雷达信号波长，d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分别为时间tA和时间tB相对于参考时间t0的视线向累计形变量；d(t0，x，r)=0。因为有M幅干涉图，因此根据式(2)可得到M个方程，将其表示为矩阵形式，即：

δφ(x，r)=Aφ(x，r)

(3)

式中：系数矩阵A为M×N矩阵，矩阵中每行对应干涉图，每列对应某个时间点上的遥感影像[11]，主影像为1，辅影像为-1，其余为0。当系数矩阵A中的M≥N时，A的秩为N，此时通过最小二乘法求解出：

φ(x，r)=(ATA)A-1δφ(x，r)

(4)

当M

3.2 数据处理

本次试验使用SARscape软件进行南昌市中心城区地表沉降监测，主要步骤为：

(1)选取2017年3月～2018年6月覆盖研究区域的21景Sentinel-1A影像数据进行精密定轨星历数据的导入，并以四湖为界裁剪出南昌市中心城区范围。

(2)以2017年3月14日的影像为主影像，设定空间基线阈值为临界基线的10%，时间基线不做调整，对所有影像数据进行配准。各干涉对之间的空间基线如图2所示，时间基线如图3所示，影像获取的时间间隔最大为 456 d，最小为 36 d；空间基线最大约为 95 m，最小约为 7 m。

图2 空间基线分布

图3 时间基线分布

(3)对所有配对的干涉像对进行干涉处理，移除相干性低的干涉对。在高相干且没有残余地形条纹的区域内选择GCP控制点，采用三次轨道精炼多项式估算和去除残余的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道。

(4)依据SVD法反演估算形变速率和残余地形并进行二次解缠，优化干涉图。对优化后的结果进行定制的大气滤波，去除大气相位的影响，并对上述生成的所有结果进行地理编码，得到研究区域的平均形变速率。

具体处理流程如图4所示。

图4 处理流程

4 结果与分析

4.1 形变速率分析

从本次试验获得的南昌市中心城区年平均形变速率图(图5)可以看出：

(1)南昌市中心城区在2017年3月～2018年6月监测时段内年平均沉降速率主要集中在[-3～10]mm/a区间范围内，其中正值表示地表上升，负值表示地表下沉。中心城区最大年平均沉降速率为 -14.31 mm/a，位于西湖区洪城大市场内。监测时段内研究区域地表沉降总体较为平稳，部分区域出现一定规模的地表沉降。

(2)中心城区有三个沉降严重的重点区域，分别位于西湖区洪城大市场商区周边、东湖区滕王阁周边和红谷滩新区南昌之星周边。洪城大市场商区周边沉降区面积约为 7.18 km2，其中沉降严重区域面积约为 0.2 km2，沉降速率为-14.31 mm/a～-12 mm/a。滕王阁周边沉降区面积约为 2.31 km2，沉降严重区域面积约为 0.12 km2。南昌之星周边沉降区面积约为 0.63 km2。

(3)中心城区内沿赣江河岸有一处水路运输码头沉降较为严重，经实地考察该处位于赣江河段上，河流丰水期时船只停靠、往来频繁，枯水期时河岸裸露，导致出现严重沉降，此处无参考意义。

(4)中心城区西北部的新建区和东部艾溪湖周边地区出现轻微地表沉降，沉降速率集中在[-3～0]mm/a区间范围内。人类活动与房屋改造是造成这两个地区出现小幅度地表沉降的主要原因。

图5 中心城区年平均形变速率

4.2 特征点时间序列分析

图6为三个重点沉降区域洪城大市场、滕王阁和南昌之星沉降中心P1、P2和P3的地表形变速率。图中，P1、P2、P3在监测时段内的形变速率极小值点都位于20170805这一监测时刻。三个极小值点中，P1的沉降量为 -30.86 mm，P2的沉降量为 -28 mm，P3的沉降量为 -6.16 mm，说明在三个重点区域中，洪城大市场商区周边地表沉降最严重。

图6 重点沉降区域沉降中心时间序列形变速率

以沉降中心P1、P2和P3三个极小值点对应的监测时刻20170805为时间条件，提取对应监测时刻上经过三个沉降中心的沉降区域剖面图，提取结果如图7所示。可以看出，经过沉降中心P1的剖面线沉降范围最广，其次是经过沉降中心P2的剖面线，经过沉降中心P3的剖面线沉降范围最小。由此可知，在三个重点沉降区域中，洪城大市场商区周边的地表沉降涉及范围最广，南昌之星周边地表沉降涉及范围最小。

图7 重点沉降区域沉降中心剖面线形变速率

南昌市轨道交通地铁工程于2009年7月29日正式开工建设，2015年12月26日正式对外载客运营。截至2018年6月14日，南昌市已投入运营的地铁线路包括地铁一号线、地铁二号线；在建地铁线路包括地铁三号线、地铁四号线。图8为三个重点沉降区域内的地铁线路图，可以看出，已投入运营的地铁沿线在监测周期内对地表沉降的影响并不明显，仅在滕王阁站至八一馆站路段有小幅度的地表沉降。正在施工的地铁沿线对沉降区地表沉降有一定影响，其中，在建的地铁四号线处于洪城大市场商区周边沉降区范围内，是造成该区域地表沉降面积扩大的因素之一；位于滕王阁周边沉降区的地铁三号线在墩子塘站与八一馆站施工路段沉降严重，是导致该区域发生地表沉降的主要因素之一。

图8 沉降区地铁线路图

图9为八个地铁站台在监测周期内的时间序列形变速率，其中，万寿宫站与八一馆站已经建成，其余六个站台正在建设。墩子塘站在监测时段内最大沉降量达到了 -19.71 mm，与该区域沉降中心最大沉降量 -28 mm仅相差 8.29 mm，地表沉降严重。桃苑站施工段地表沉降最为严重，沉降量达到了 -27.5 mm，施工路段周边形成了小范围的沉降严重区。

图9 沉降区在建地铁站台时间序列沉降速率

4.3 重点区域地表沉降原因分析

从重点区域在图5中的分布可以看出，三个重点沉降区域均靠近赣江，最远的洪城大市场商区周边沉降区距赣江约 1.5 km，属于河流侵蚀堆积平原，第四系地层土质松软[13]。区域内抚河流经，地下水资源丰富，单井涌水量为 1 016 m3/d～4 916 m3/d，渗透系数一般为 53 m/d～160.9 m/d，除洪水季节外，地下水位均高于赣江、抚河水位[14]。地下水向赣江、抚河排泄以及区域内的地下水开采，导致该区域水土流失严重，孔隙水压力降低。地表承受压力由于土颗粒排列稀疏且孔隙水压力降低，加之区域内的老城区改造以及地铁线路的施工，使得土地应力平衡状态被打破，最终导致大范围地表沉降[15]。滕王阁周边沉降区与洪城大市场商区周边沉降区同属于河流侵蚀堆积平原，土颗粒排列稀疏。地下水的开采与区域内地铁三号线的建设是造成地表严重沉降的主要因素。三个重点区域中沉降现象最轻的南昌之星周边沉降区受地下水开采影响，出现幅度较小的地表沉降。

经实地考察，在滕王阁周边沉降区地铁三号线建设路段地表出现裂纹(图10)，部分路段地表存在起伏现象。沉降最严重的洪城大市场商区周边沉降区存在大量处于建设中的区域，位于桃花南路的周边棚户区改造(图11)以及在桃苑大街约 500 m的施工路段(图12)地表均存在裂纹(图13)。

图10 地铁三号线建设路段地表裂纹

图11 桃花南路周边改造

图12 桃苑大街施工路段

图13 桃花南路地面裂纹

5 结 语

本文基于短基线集技术对21景Sentinel-1影像数据进行干涉处理，获取了南昌市中心城区在2017年3月～2018年6月的地表沉降信息。通过分析可知，在研究周期内南昌市中心城区地表沉降总体较为平稳，部分区域存在沉降现状，并且有三个重点沉降区域。沉降最严重的区域位于洪城大市场商区周边，其次是东湖区滕王阁周边和南昌之星周边。位于洪城大市场商区周边沉降区受地下水开采与地铁四号线的施工导致地表出现严重沉降，且范围较大；而滕王阁周边沉降区受地铁三号线施工的影响，导致施工路段沿线出现较为严重的地表沉降。从近来的监测数据分析可知三个重点沉降区域的地表形变有所减弱，发生严重地表沉降的概率较低。