PS-InSAR技术在兰州市地面形变中的监测应用

牛全福，陆 铭，马亚娜，傅键恺，张 曼

(1.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050；2.甘肃省应急测绘工程中心，兰州 730050)

地面沉降是社会经济发展中普遍存在的地质问题[1-2]，是在自然因素或人为因素作用下引起的局部下沉或区域性下沉现象，通常会引起建筑物倾斜、生产设施毁坏、地基失稳等，严重影响人们的正常生活和生产，是城市可持续发展的重要障碍之一[3]。为此，对城市地表进行长时空维度的沉降监测、掌握地表沉降监测资料具有十分重要的现实意义[4-5]。传统的地表沉降监测主要依赖重复精密水准测量、基岩标、分层标测量以及全球导航卫星定位监测网等，其特点是监测精度高，但监测成本高、范围较小、点位密度低等，难以揭示整体形变特点[6-7]。近年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量[8]及合成孔径雷达差分干涉(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)测量[9]，可获取大面积、全天候、高精度和高分辨率的地表三维空间微小变化，在地表形变监测方面显示出前所未有的优越性[10-11]，已成为城市地表形变监测的热点课题[12-14]。

随着DInSAR的应用研究及改进其在对地监测时存在着相位失相关和大气延迟等问题[15]，Ferretti等[16]提出了PS-InSAR(persistent scatterer InSAR)技术，并结合大气相位估算方法应用在加利福尼亚州的波莫纳地表形变监测中，因地表沉降监测的高精度和可信度而得到广泛应用。例如，任超等[17]利用20景Sentinel-1时间序列数据, 采用PS-InSAR技术提取了2017—2019年南宁市地铁沿线周边的沉降速率分布情况，为地铁运营的风险评估提供了重要的数据支撑。卢旺达等[18]基于24景Sentinel-1A数据分别利用PS-InSAR技术和小基线集(small baseline subset, SBAS)的方法对天津市进行了沉降监测，发现沉降产生的位置与地下水漏斗形成的位置具有很高的一致性，且两种InSAR监测方法具有较高的一致性，为天津市的防灾减灾提供了有力的数据支撑。位于黄土高原西部黄河两岸的兰州市，是中国地质灾害最为严重的省会城市之一[19]。近年来城市化进程的加快，高层、超高层建筑，尤其是2013—2019年城市地铁等大型工程的修建，已出现多处地表塌陷而引起政府各部门极大关注[20-21]。采用InSAR新技术对兰州市区地表沉降进行多时空维度监测，全面掌握兰州市区的地表沉降变形时空特征十分必要。

以兰州市城区为研究区，收集了地铁修建期间的2014年10月—2020年4月期间的68景Sentinel-1影像数据，结合PS-InSAR技术对研究区大型工程修建前后地表沉降规律进行监测，并对监测结果进行实地调研和分析，以为兰州城市化发展提供科技支撑。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

兰州(36°03′N，103°40′E)地处中国地形版图的几何中心、黄土高原西部和甘肃省中部，辖五区三县，是黄河自西向东唯一横贯全境的省会城市。主城区位于黄河南北两岸及山涧峡谷，东西狭长、南北较窄，是中国典型的带状河谷型城市，地层主要为第四纪松散沉积物和新近系泥岩，下垫层为新近系泥岩和砂岩。南北两山主要为晚更新世松散的风成黄土所覆盖，这些松散的物质极易形成崩滑流等地质灾害[22]。本次所选研究区主要为主城区及南北两山的山前斜坡，历来为地质灾害高发区(图1)。

图1 研究区域

1.2 PS-InSAR技术

PS-InSAR最早是由Ferretti等于2000年提出，主要目的是克服传统InSAR技术存在的时空失相干和大气延迟相位的局限性[23]。其基本思想是通过利用覆盖同一地区的多景雷达干涉图像(一般大于20景)构成图像时间序列、识别和提取散射特性稳定的永久散射体(如建筑物或者岩石等)，利用永久散射体的相位变化特征获得时间序列上的地表形变信息[24]。其基本原理如下。

对于研究区内选取的N幅SAR影像，基于时空基线和多普勒质心差分布最优的原则选取一景影像作为主影像，其余从影像与其进行精确配准，生成N-1幅干涉图。则对任意景干涉图上的任一像元，其相位组成[25]可表示为

φ=φatmo+φnoise+φflat+φtopo+φmove

(1)

式(1)中：φatmo为大气扰动引起的干涉相位；φnoise为各种噪声引起的干涉相位；φflat为平地效应引起的干涉相位；φtopo为地形起伏引起的干涉相位；φmove为两次观测目标沿视线方向移动引起的相位变化。

应用PS-InSAR技术进行SAR数据处理步骤主要包括：主影像选择与主从影像对配准，差分干涉图生成、PS选定、平均变形速率估计和地形误差消除，PS点变形时间序列分析与平均变形估算等[26-27]。

1.3 数据及预处理

实验数据为Sentinel-1A和Sentinel-1B的68幅SAR影像，其中，Sentinel-1A为63张，Sentinel-1B为5张。图像获取时间跨度为2014年10月—2020年4月，为干涉宽幅(interferometric wide swath，IW)模式、降轨、VV极化，其空间分辨率为5 m×20 m(距离向×方位向)，覆盖范围为20 km×25 km；同时，实验中还获取了对应成像日期的精密定轨星历数据，用于辐射定标；数字高程模型为30 m的SRTM DEM数据，用于配准、去平地效应和地理编码。

数据预处理包括数据格式转换、研究区裁剪，依据时空基线和多普勒质心频率参数选取2017年5月2日获取影像为主影像，其余67景为副影像，得到干涉像对时空基线分布图(图2)；经辐射定标、主副影像配准生成相干系数图后，使用SRTM DEM去地平效应；采用振幅离差指数法选取PS点、估算大气延迟相位并在干涉图中去除；最后获取PS点变形速率，并基于Google earth进行地理编码。

图2 时空基线分布

2 结果与分析

图3为Sentinel-1数据经PS-InSAR技术处理后，地理编码叠加于Google earth上的研究区PS点年均形变速率图。可以看出，在2014年10月—2020年5月期间，兰州市的部分地区出现了较为明显的地表形变，年形变速率变化范围为-39.97～9.63 mm，且绝大部分PS点的年形变速率为5～-10 mm[图3(b)]。其中，形变速率较大的区域主要位于南北两山的山前台地和坡脚处[图3(a)]。

为了探究兰州市城区2014—2020年间地面沉降时序变化，选择这4个具有代表性的沉降区域范围并进行分析。4个沉降区域分别位于西固区的柳泉乡和杏胡台村(A)，晏家坪村西侧(B)，榆中县和平镇(C)，城关区的白道坪村和上坪村(D)。

为了进一步分析图3中区域A、B、C和D在时间上的沉降细节和沉降趋势，将其细分成有明显沉降现象的数个小区域，并根据该区域的历史信息进行分析和验证。

图3 兰州市年均沉降速率及其分布统计

从图4(a)可以看出，A区域有两个较明显的沉降区域，即区域1柳泉乡中坪村和区域2杏胡台村。图4(d)为2个形变区域在时间序列上的累积变形曲线。可见，区域1和区域2的地表形变趋势较为接近，累计沉降量均超过了50 mm，均呈现出稳定且持续的沉降趋势。

为进一步分析地表沉降成因，收集了沉降区地质图进行叠加分析[图4(b)]。可以看出该范围地层主要以黄土，亚砂土砂岩为主，该地层在受围压增大时，极易产生不同程度的沉降现象。实地调查得知，中坪村及杏胡台村在2014—2020年间，在新修建住宅处发生多处明显的墙面裂缝和地表塌陷[图4(c)]，验证了PS-InSAR在A处监测结果的可靠性。

图4 A区域PS点沉降时空分布

B区域(区域3)位于晏家坪西侧虎林路[图5(a)]，该区域的地质主要以黄土、亚砂土、黏土和亚黏土为主[图5(b)]，地层结构较为脆弱，沉降区位于砂岩黄土地层交界处，易产生形变。PS-InSAR的监测显示，累计沉降量超过了50 mm[图5(d)]，PS点最大沉降速率达39.97 mm/a。实地调研发现[图5(c)]，该区域位于烈士墓园东门附近，大面积的地面裂缝和下陷十分明显。在华林山大片民(商)用建筑位于黄土和亚沙土的斜坡面上，由于特殊的地理及地质，该区域仍处于一个不断下沉的状态。

图5 B区域PS点沉降时空分布

C区域(和平镇)为兰州市城镇化的重点区位之一，近年来有多宗土地被出让用于工业园区以及各类楼盘的开发。该区域的岩层构造同区域A，为黄土和亚砂土为主[图6(b)]，且与A处沉降区域相似也处于地层交界处，沉降现象明显，沉降范围遍布整个镇区，除西南部较为稳定外，其他区域(区域4～6)均存在不均匀的沉降[图6(a)]。实地调研发现，徐家山庄(区域6)至猪嘴岭村及其沿线的累计沉降超过了60 mm[图6(d)]，徐家山庄西侧沉降速率达34.37 mm/a，沉降量和速率均较大，且呈现出逐年持续下沉的趋势。同时，区域4和区域5正在进行学校、老房区的改建和工业园区建设[图6(c)]，在工程影响下其地表累计沉降量均超过了50 mm。该区域的沉降现象也在一定程度上较好地反映了近年来兰州城市化扩张程度。

图6 C区域PS点沉降时空分布

D区位于兰州市城关区东北侧的城中村(图7)，地层结构主要以砂岩粉质岩为主，该区位于中川隐伏基底隆起带和皋兰褶皱带的结合部位，新构造运动较为强烈，以竖直变动为主，具有明显地继承性、差异性的特点[28][图7(b)]。其中白道坪村(区域7)和上坪村(区域8)存在比较明显的地表沉降[图7(a)]，且白道坪村的累计沉降量超过了60 mm，上坪村的累计沉降量也达到了40 mm，且呈现出持续的沉降趋势，PS点监测结果显示其下降趋势在近半年内趋于平缓[图7(d)]。调研发现，白道坪村与上坪村之间正在进行某大型地产开发[图7(c)]，大面积的填(挖)方和高层建筑 是地表沉降的主要诱发因素。

图7 D区域PS点沉降时空分布

3 结论

研究基于对地观测的PS-InSAR技术，利用68景降轨的IW模式的Sentinel-1A和Sentinel-1B影像对2014年10月—2020年4月期间的兰州市城区进行时间序列地表沉降监测，反演出了研究区地表沉降时空分布情况，绘制了地面沉降的时空分布图，并通过地层资料叠加和实地调分析。结果表明：

(1)研究区基于PS-InSAR技术监测具有较好的可靠性。监测期间，兰州市区绝大多数PS点的年均形变速率为10～-25 mm，尤其是兰州市老城区—黄河南北两岸的河谷盆地，PS点年均变形速率为5～-10 mm/a，表明该区域的地表相对较稳定。在城区周边，随着城市化进程的加快和城建用地拓展，部分区域出现了较为明显的地表沉降，较明显的区域位于西固区的柳泉乡及杏胡台村、七里河区的晏家坪村、城关区和平镇以及黄河北岸的白道坪村的部分区域，其累积沉降量范围为-40～-60 mm，最大的年均沉降速率达-24.61 mm/a，并经实地调查验证了PS-InSAR技术监测结果具有较好的可靠性。

(2)地面沉降主要受到地层岩性控制，并与人类工程活动密切相关。通过对四个明显沉降区域调查发现，所有监测到的沉降区域以及塌陷区域均为亚砂土、黄土状粉土和黄土为主，且除去城市化建设的要素，多数沉降区域位于岩层交界处。观察到沉降速率与岩层疏松程度之间的对应关系，在土层较为疏松的沉积物中，沉降速率明显更高。并且，在2014—2020年间，大面积的人类活动，如大面积的房屋改建和城市化的快速发展，造成了软沉积物地区明显的地面沉降。除此之外，经对历史水文资料的调查研究表明，近些年来，由于大量水利工程的进行，地下水位有所抬升，因此地下水位的变化并没有对城市地面沉降产生较大的影响。

(3)兰州城区的主要地质构造为湿陷性黄土，这种地层结构在干燥时质地较硬，且承载力较强，不易发生形变，但在水流侵蚀时，由于其自身土质结构荷载以及自身重力，土层会快速被破坏，产生不同程度的下沉。在地质结构主要以黄土为主的地区，城市的扩张多来源于对老旧区的改造以及对原始土地的改建，研究对黄土地区有效的城市布局规划和地表沉降研究具有重要参考价值。在兰州市，伴随着城市的加速发展，各种地下施工项目，大型基坑的开挖等对地质结构造成扰动，导致了一定的沉降。因此，将PS-InSAR技术与区域地层结构信息相结合，对于实施有效的土地利用规划和促进城市的健康和可持续发展是必要的。

尽管本次利用Sentinel-1数据和PS-InSAR技术获得兰州市区形变时间序列检测结果，由于缺乏实测数据，监测结果的验证仅采用了实地调研确定。今后研究需将InSAR与传统的监测技术相结合，进一步分析兰州地表变形的机理，提高地面监测的准确性和可靠性，为区域城市化进程和可持续的城市建设提供科技支持。