基于Sentinel-1A卫星数据的郑州地面沉降监测

张介山 刘 凯

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.上海隧道工程有限公司河南分公司，河南 郑州 450000)

0 引言

地面沉降是指由于自然因素或人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象，已成为影响我国区域经济社会可持续发展的重要因素之一[1,2]。

郑州市地处华北平原地面沉降区的西南边缘，地面沉降调查和研究工作起步相对较晚。自20世纪90年代以来，随着城市的发展，城市居民用水、郊区工业用水的急剧增加，郑州市地下水位不断下降，形成了多个地下水降落漏斗[3,4]，致使地面沉降灾害加剧。地面沉降的发生将会对区域内的地表建筑物、线性工程造成一定影响。因此，对该区域开展持续的地面形变监测具有十分重要的意义。

目前，最常用的监测手段主要有精密水准测量、全球定位系统(global positioning system,GPS)测量技术、合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)技术以及基岩标分层标测量技术[5]。其中InSAR技术具有覆盖面广、监测周期短、全天时、全天候等优点，能够精确提取研究区的地表形变特征[6]。尤其是永久散射体雷达干涉测量(permanent scatterer interferometry,PSI)技术[7,8]和短基线集技术[9,10](small baseline subsets,SBAS)等时序InSAR技术的提出，削弱了InSAR数据处理中大气延迟效应、各种失相干误差及DEM误差对监测精度的影响，在地面沉降监测中得到了广泛应用[11-14]。

因此，本文利用覆盖郑州市城区的34景Sentinel-1A的单视复数据(single looking complex,SLC)数据，分别采用PS-InSAR，SBAS-InSAR技术对郑州市城区2017年3月—2019年12月间的地表形变进行监测，对监测结果进行交叉验证，监测结果可为郑州市的地面沉降灾害防治工作提供参考依据。

1 研究区概况及实验数据

1.1 研究区概况

郑州市地处河南省中部，市区面积约993 km2，地形自西南向东北由高逐渐降低，地貌类型主要为西部黄土丘陵岗地和东部黄河冲积平原，冲积平原区广泛发育第四纪松散沉积层，地层岩性主要为粉土、粉质黏土、粉砂、细砂和中粗砂。

研究区降水量时空分布不均，2008年以来年平均降水量为635.6 mm，最大年降水量为763.4 mm(2011年)，最小年降水量为375.9 mm(2013年)；年内降水分配不均，主要集中在7月～9月。研究区水文地质条件复杂，浅层地下水补给主要来自大气降水，由于工农业及生活用水开采地下水，已经形成浅层、中深层、深层等多个地下水降落漏斗[15]。

1.2 实验数据

实验采用了欧空局(ESA)免费分发的Sentinel-1A的C波段SAR数据影像，选取轨道号为40的覆盖郑州市2017年3月～2019年12月的34景数据(见表1)，数据为IW模式VV极化的SLC数据，覆盖范围见图1。为了消除轨道误差和地形起伏带来的影响，使用欧空局提供的成像21 d后生成的高精度轨道数据，精度为5 cm，数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据采用日本宇宙航空研究开发机构JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提供的ALSO World 3D 30 m数据。

表1 SAR数据参数

2 数据处理

2.1 PS-InSAR技术干涉处理

PS-InSAR技术的数据处理流程如图2所示。选择2018-07-07获取的SAR影像作为公共主影像，其余33幅作为副影像，干涉对的空间基线长度和时间基线间隔见表2。将全部从影像配准重采样到主影像空间，进行干涉处理，共产生33个干涉对。

表2 影像获取时间及参数信息

对33个干涉相对分别计算干涉相位，生成干涉图，设置振幅离差指数和相干性系数，提取PS点，建立PS点网络，得到各个PS点目标的线性形变结果，去除大气相位后，得到每个点目标的非线性形变量；最后将线性形变结果和非线性形变结果叠加在一起，设置相干性阈值为0.85，振幅离差指数DA为3.2[16]，获得完整的PS点目标沉降速率结果。图3为采用PS-InSAR技术获取的研究区域雷达视线向(LOS)的年平均沉降速率。

2.2 SBAS-InSAR技术干涉处理

SBAS-InSAR技术的数据处理流程如图4所示。设置时间基线阈值和空间基线阈值分别为365 d和300 m，选取2018-03-09的影像作为主影像，其余影像作为副影像生成干涉相对进行差分干涉处理；采用Goldstein方法进行自适应滤波，基于Delaunay三角网和最小费用流法(minimum cost flow,MCF)开展相位解缠；采用最小二乘法(least square,LS)和SVD相结合的非线性处理模型，将残余相位中的大气相位成分和失相关噪声相位进行扣除，应用DEM和控制点(Ground Control Point,GCP)进行去平地效应，得到非线性形变速率；结合线性形变速率和非线性形变速率得到研究区准确的形变速率结果。图5为采用SBAS-InSAR技术获取的研究区域雷达视线向(LOS)的年平均沉降速率。

3 PS与SBAS形变结果对比分析

根据上述两种方法得到的郑州市城区地面沉降速率图，可以看出两种方法的沉降区域位置和沉降速率基本相一致。PS-InSAR和SBAS-InSAR结果显示，郑州市城区大部分区域形变速率为-10 mm/年～10 mm/年，最大沉降速率分别为-36 mm/年和-41 mm/年，出现差异的主要原因是两种方法选取参考点不同导致的[17]。

为了直观对比两种技术的结果，分别在沉降较严重的A区和B区选取相同位置的同名点，绘制其沉降历史曲线，见图6，图7。可以看出，两种技术的处理结果具有很好的一致性，且PS-InSAR技术得到的沉降值较大，A区域相差6 mm，B区域相差8 mm。

以PS-InSAR监测结果为例，研究区中部为较稳定区域，有逐渐抬升的趋势，存在2个较明显沉降区域，分别位于研究区北部和东部，其中A区域、B区域为沉降较严重区域，A区域位于郑州市惠济区西三环—北四环—花园北路—郑州绕城高速所包围的区域，最大沉降速率为22 mm/年，B区域位于郑州市东部G107国道—金水东路—前程大道—航海东路包含的区域，最大沉降速率为36 mm/年。

4 结语

本文采用PS-InSAR和SBAS-InSAR技术对郑州市城区2017年3月～2019年12月的Sentinel-1A卫星数据进行处理，获取了研究区2017年—2019年的地面沉降的分布特征。研究结果表明，两种技术得到的沉降趋势相吻合；郑州市城区大部分区域形变速率为-10 mm/年～10 mm/年，研究区中部为较稳定区域，有逐渐抬升的趋势，存在2个较明显沉降区域，分别位于研究区北部和东部。