时序InSAR在南水北调中线形变监测中的应用

张永光，田 凡，李迎春，刘豪杰

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003； 2.西安科技大学 测绘科学与技术学院，西安 710054)

1 研究背景

南水北调中线工程作为我国华北平原水资源调动的战略性工程，是保障和改善民生的重大战略性基础设施，其正式通水优化了我国水资源配置的格局、促进了经济社会可持续发展[1]。由于总干渠所经过区域地形地质条件所具有的一般性和特殊性，以及自然人文环境的复杂性，干渠的渠堤及堤岸基础出现不稳定，因此对干渠及其周边进行形变监测对其安全运营和管理具有重要的意义。

图1 辉县段位置信息及干渠覆盖信息Fig.1 Location of Huixian segment and the main canal coverage

′传统的形变监测方法如水准测量、视准线法(利用全站仪、经纬仪进行测量)、分层竖向位移监测等虽然精度高[2]，但却有如下缺点：①耗费大量的人力、物力，而且需要长期维护监测点的完整性[3]；②只能获取离散点的形变量，监测范围受到限制，无法在宏观上把握形变的趋势。合成孔径雷达干涉测量(Synthetic Aperture Interferometry，InSAR)技术作为雷达遥感的重要分支，近年来迅速发展并取得了重大的突破，引起了遥感领域的广泛关注。由于其可以全天候、全天时地监测地表形变，同时监测面积大，成本低、精度高，被广泛应用于各个领域[4]。

20世纪末至21世纪初40余年间，时间序列InSAR技术包括永久性散射体干涉测量技术(Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)[5]和小基线集技术(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR)[6]提出后，国内外众多学者利用InSAR技术对大型线性工程沿线的地表沉降进行形变监测探讨。2013年蒋亚楠等[7]基于15景TerraSAR-X数据，采用时序InSAR技术，提取到上海磁悬浮列车专线上的微小形变。2014年马超等[8]利用9景ENVISAT ASAR数据获取了南水北调中线工程豫北段的形变信息，结果表明，豫北段干渠基础总体稳定性较差，地质构造活动和城市地表沉降是其主要原因。2017年郭山川等[9]利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技术，处理了2016-06-15至2016-09-11的TerraSAR-X数据，获得了徐州地铁1号线东部工程场地的形变信息，结合实验场地的水准数据，证明了时序InSAR技术在线性地铁工程形变监测应用的可行性。2018年王茹等[10]利用高分辨率PS-InSAR技术对上海市高架道路进行形变信息提取，进一步联合多种影响因素分析了高架路沉降的空间分布及时间演化行为，沉降结果与同期的水准数据基本保持一致。

本文综合考虑南水北调中线干渠跨度大、走向不一、数百公里同步测量以及所经区域的自然人文环境的复杂性等特点[11]，基于欧空局的Sentinel-1A影像，利用适合实际需求的时间序列InSAR技术获得2015年4月至2019年3月期间辉县段干渠的形变结果，探讨辉县段干渠膨胀土渠段的沉降规律，为干渠基础出现的不稳定性提供详查指导意见。

2 研究区域概况及SAR数据

南水北调中线干渠工程起于丹江口水岸东岸，终于北京市颐和园团城湖[12]。而辉县段处于河南省境内，开始于纸坊河倒虹吸出口，结束于孟坟河倒虹吸出口。辉县段干渠全长47.622 km，其中明渠长43.631 m，研究区域如图1所示。沿线地质情况复杂，以黏砾多层结构为主，其次为黏性土均一结构；其他有黏性多层和黏砾多层均一结构、泥砾均一结构；大官庄段为岩体双层结构挖深大，上部为黄土状土重粉质壤土、重粉质壤土、粉质黏土和卵石，下部为黏土岩、泥灰岩、砾岩和奥陶系灰岩，其中黏土岩、泥灰岩具有膨胀潜势；苏门山段(百泉镇)岩性主要是奥陶系灰岩、白云质灰岩，构造裂隙发育，为硬质岩，抗剪强度大，承载力高。其中土质渠段长40.888 km，石质渠段长1.993 km。

为了获取南水北调中线辉县段干渠膨胀土渠段的时序变化，选取欧空局Sentinel-1A卫星系统自2015-04-11至2019-03-19期间的90景SAR影像进行研究，该影像的距离向和方位向分辨率分别为2.33 m和13.91 m，设2017-12-21为主影像，卫星影像覆盖范围及研究区域如图2所示，由于研究时间较长，需多个轨道数据才能满足时间要求。

图2 研究区域地理位置示意图Fig.2 Geographical sketch map of the studied area

使用航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)30 m分辨率的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和精密轨道数据进行高精度配准、去除地形相位及地理编码的参考[13]，检查并挑选时间基线和空间基线分别在72 d、130 m的160个干涉质量好的差分干涉图进行后续数据处理，其时空基线分布如图3所示。

图3 时空基线分布Fig.3 Spatiotemporal baseline distribution

3 改进的时序InSAR方法

时序InSAR处理方法包括永久性散射体雷达干涉测量(PS-InSAR)技术、短基线(SBAS-InSAR)技术等等。PS技术需要大量的SAR影像(大约20景)，采取的是单一主影像的方法，而且只能生成时序上保持相位稳定的点目标的形变，所以像素密度不高。而SBAS技术采用多主影像短基线干涉组合的方法进行测量，有效减弱了空间基线引起的失相干问题；同时满足短基线条件的所有干涉图都参与解算，而且引入了奇异值分解方法(Singular Value Decomposition,SVD)，获得观测时间序列最小范数解，提高解的稳定性和可靠性[14]。本文融合PS-InSAR和SBAS-InSAR技术，在传统的SBAS技术方法的技术上，引入PS-InSAR选点方法，提高了相干点的密度。改进的数据处理流程如图4所示。

图4 改进时序InSAR数据处理流程Fig.4 Flowchart of data processing by improved time series InSAR

差分干涉图的相位构成为：

∇φj=φtA-φtB；

其次，提取研究区域相干性阈值>0.4、强度阈值>0.3的稳定的相干目标点，并选取辉县市苗圃场作为稳定的参考点，然后根据参考点对每一个干涉图进行相位解缠，对观测方程进行二元回归分析，回归分析的结果包括高程校正值、线性形变速率、残差相位以及用于质量评估的相位标准差。第一次回归分析迭代处理时，为兼顾DEM精度和处理效率，设置高程改正值和线性形变速率的初始范围分别为[-30，30]m、[-0.15，0.01] m/a，可获得每一个高程相干干涉点对的高程误差、形变速率以及残余相位。由于残余相位中仍包含大气延迟相位、非线性形变和噪声信息，这3种相位信息可根据在时空域的不同表现特性分离开来。大气延迟相位在大区域地表形变时序分析中具有较大的影响，在空间域表现为低通且高相关，空间域差分回归分析可以削弱大气对形变速率解算的影响；非线性形变相位在时空域一般是低通的；噪声信息在时空域均是随机高频的，因此可以通过空间域最小二乘滤波滤除噪声，在残余相位中分离出大气延迟相位和非线性形变相位，更新差分干涉相位并迭代回归分析。再通过时间域最小二乘滤波从残余相位中分离出非线性形变相位，将其和线性形变叠加获得最终沿视线向的形变时序结果。

图5 2015—2019年辉县段干渠及其周边的年平均形变速率Fig.5 Annual average rate of deformation of main canal in Huixian segment and its surroundings from 2015 to 2019

图6 2015—2019年膨胀土渠段年平均形变速率Fig.6 Annual average rate of deformation of expansive soil segment from 2015 to 2019

4 监测结果与分析

4.1 辉县段及其周边InSAR形变结果

应用改进的时序InSAR技术提取南水北调中线辉县段及其附近地面垂直方向的年平均形变速率，如图5所示。结果表明，2015—2019年辉县段干渠及其周边的沉降区域主要分布在辉县市市中心的西南区域和峪河镇的北部区域，在吴村镇、赵屯村、南王河村、赵固乡以及大梁冢村形变速率为-180～-40 mm/a，而南水北调中线干渠基础基本处于稳定状态，没有出现大尺度沉降，其他地方零星分布着一些小范围沉降。由于本文主要研究辉县段干渠膨胀土渠段的形变情况，所以对沉降漏斗的成因不作详细分析，仅对辉县段膨胀土渠段的沉降及其成因进行分析。

4.2 膨胀土渠段InSAR监测结果与分析

南水北调中线干渠是我国合理分配水资源的重要手段，干渠的正常运营是保障受水区人民的生活与经济发展水平的重要措施。然而在干渠运营过程中产生的地面沉降给周边建筑物和人民的安全带来了巨大的威胁，严重影响工程的安全。为了研究与膨胀土渠段相关的沉降，避免和预防由此引起的灾害，根据收集到的设计基本资料，获得干渠左右1 km范围的膨胀土渠段年平均形变速率,如图6所示，并分别结合降雨和土壤湿度数据进行对比分析。从图6可以看出，膨胀土渠段的形变速率范围为-10～6 mm/a，局部区域的沉降速率>14 mm/a，位于韭山路跨渠公路桥、三里庄以及路固村附近。从Google历史影像上看，较大速率沉降即图6中深黄色的部分,距离干渠最小直线距离为300 m，由新型农村发展和长期使用耕地导致；在干渠100 m范围内没有呈现大速率形变，所以对干渠的沉降没有直接的影响；距离干渠500 m范围之外，韭山路跨渠公路桥和路固村附近的不均匀沉降，与城市化发展、建筑设施的增加密不可分。对于三里庄附近而言，由于南水北调中线工程施工对其干渠沿线的农田和村庄等造成破坏，通水以后前2 a，对其周边进行生态环境修复，近几年，部分耕地被作为其他土地类型等因素，都给干渠的沉降带来一定的影响。

图8 2015—2019年的累积沉降量与降雨量和土壤湿度的关系Fig.8 Relations of cumulative settlement against rainfall and soil moisture in 2015-2019

4.2.1 膨胀土渠段沉降特征

监测结果中的膨胀土渠段区域位于辉县市城区及赵雷村、韭山路跨渠公路桥、杨庄西跨渠公路桥、路固村附近。图7为膨胀土渠段的时序形变，由图7可知，2015—2019年间，膨胀土渠段的累积形变量高达8 mm，并且膨胀土渠段累积形变量呈现周期性变化，在0附近波动。每年的11月份至翌年5月份的累积形变量趋于平稳，6—10月份之间累积形变量的波动比较大，呈现先骤增后骤减然后再骤增的趋势，存在一定程度的滞前或滞后现象。2016年的SAR影像存档数据的不连续性导致2016年5月的SAR影像直接获取到2016年10月，虽然沉降规律存在特殊性，但不失一般性。这主要是由于膨胀土内部含有大量的石英、黏土矿物成分以及絮状结构的蒙脱石等大量的强亲水性矿物成分，吸水后膨胀、脱水后收缩为该土质的特殊表现[15]。当雨水较为充沛时，裂缝发育密集处及其周边的岩土吸水膨胀，并且达到饱和状态，土体抗剪强度降低，从而在表层引起膨胀土渠段的浅层滑坡。

图7 2015—2019年膨胀土渠段累积形变Fig.7 Cumulative deformation in the expansive soil segment from 2015 to 2019

4.2.2 膨胀土渠段沉降与侵蚀力降雨和土壤湿度关系

由膨胀土渠段沉降特性可知，膨胀土渠段的沉降呈现周期性变化的特点。由于引起膨胀土渠段沉降因素众多，根据辉县段膨胀土矿物质的成分，降雨是引起膨胀土吸水膨胀、失水收缩的一个重要因素，将膨胀土渠段的累积沉降量与侵蚀力降雨进行对比。在华北平原，降水量不够充沛，但集中于生长旺季，地区、季节、年际间差异大。辉县市位于河南省的西北部，7月份降雨量最多，8—10月份其次，属于辉县市的梅雨季节。再加上华北平原地势平坦，是我国重要的粮食产地，夏季气温高，土壤蒸发量大，导致每年都会有农田灌溉期，大量的灌水也将直接影响膨胀土渠段。由于缺乏每年灌溉期灌水量的数据，本文采用土壤湿度这一间接的影响因素与累积沉降量进行对比。

图8为2015—2019年的累积沉降量与降雨量和土壤湿度的关系。由于数据观测时间间隔不相等，虽然沉降规律存在特殊性、但是不失一般性，9、10月份土壤湿度最高时，降雨量出现骤减的趋势，只是存在一定程度的滞前和滞后现象，前后在一个月的范围之内。而沉降量处于一年中最低的时候，降雨量反而处于最高的状态；当沉降量处于稳定的状态时，降雨量也处于一年中的平稳期。并且，土壤湿度和累积沉降量存在一定的周期性。由此可以看出来，土壤湿度和降雨量对膨胀土渠段的影响是非常重要的。

5 结 论

采用改进的SBAS-InSAR技术监测南水北调中线辉县段地面沉降，具有覆盖范围大、数万公里同步监测等特点，将该技术转为工程应用是十分的必要。本文利用Sentinel-1A卫星影像数据获得了南水北调中线辉县段2015—2019年地面沉降速率，主要的沉降分布在辉县市市中心的西南区域和峪河镇的北部区域。结合膨胀土的特性，对辉县段膨胀土渠段沉降进行详细分析，结果表明，膨胀土渠段沉降与降雨量、土壤湿度等因素存在高相关性。