基于PS-InSAR技术的新乡市地表沉降监测

花生攀 蔡来良 上官凯林 杜 庄

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454003）

地面沉降是在自然因素和人为因素共同作用下造成的面标高降低的缓慢性的地质灾害现象[1]。传统的水准测量、GPS测量等仅能获取若干监测点的形变信息，难以满足大时空尺度下的监测需求[2]。合成孔径雷达干涉差分测量技术（D-InSAR）是一种主动成像微波遥感手段[3]，具有全天时、全天候、高精度、覆盖范围广、穿透性强等特点，广泛应用于地震[4]、火山[5]、冰川[6]、地面沉降[7]等领域。D-InSAR技术易受时空失相干、DEM误差及大气相位的影响，在地表形变监测中具有局限性。研究人员对差分干涉测量技术进行改进，提出了永久散射体干涉测量[8]（PS-InSAR）、小基线集技术[9]（SBAS-InSAR）、分布式散射体[10]（DS-InSAR）等时序InSAR技术。众多学者应用该技术对北京市[11]、上海市[12]、昆明市[13]等开展地面沉降监测研究，为沉降灾害防治工作提供参考。利用24景Sentinel-1A数据，基于PS-InSAR技术获取新乡市主城区2017年11月～2019年10月地面沉降信息，结合人口、降雨等因素对沉降区域成因进行分析，为城市地表沉降监测普查提供依据。

1 研究区概况及试验数据

1.1 研究区概况

新乡市位于河南省北部，南临黄河，与省会郑州隔河相望，北依太行，与安阳、鹤壁毗邻，东接濮阳并与山东相连，西连焦作且与山西接壤，总面积8 249 km2。新乡市属于华北板块，地势北高南低，北部主要是太行山山地和丘陵岗地，南部为黄河冲积扇平原，平原占全市土地总面积的78%。新乡市是我国重要的商品粮基地和优质小麦生产基地，是中原经济区核心城市之一，也是豫北地区重要的交通枢纽。

1.2 试验数据

影像获取时间如表1所示。

表1 影像获取时间

本次试验从欧空局获取2017年11月～2019年10月的24景Sentinel-1A升轨卫星影像，分辨率为5 m×20 m，雷达波长为5.6 cm（C波段），采用VV极化方式。使用SRTM数字高程模型（DEM）消除地形相位，DEM分辨率为90 m。

2 理论与数据处理

2.1 PS-InSAR基本原理

利用覆盖同一地区的多景SAR影像，根据最优模型选择一景主影像，其余为辅影像，生成时间序列干涉像对。提取干涉像对中不受时空失相干和大气相位影响的永久散射体（PS）点，通过消除地形相位、时间与空间滤波等处理提取PS点的形变量，以此监测地表沉降。在城市中可以获得大量PS点，如道路、建筑物等。

2.2 数据处理流程

数据预处理：从24景原始SAR影像中裁剪出研究区域。差分干涉工作流：选取日期为2019年2月13日的影像作为主影像，将其他影像与主影像配准，并生成23组差分干涉像对，时空连接如图1所示。

图1 时空基线连接

最大空间基线为141.3 5m，最小空间基线为10.837 m；最大时间基线为468 d，最小时间基线为24 d。

选取PS点：通过振幅离差指数筛选出在时间序列中比较稳定的PS点，共计86 213个。点大多分布在道路、桥梁、建筑物上，河流、耕地区域基本无PS点。

PS第一次反演：通过不规则三角网建立PS点之间的连接关系，利用线性形变和DEM模型分析PS点在雷达视线向形变速率，由内插法得到整个试验区的形变速率。

PS第二次反演：通过时间域低通滤波和空间域高通滤波分离大气相位和非线性形变相位，得到最终形变速率。

地理编码：将雷达视线向形变速率转换到垂直向形变速率，将形变结果从雷达斜距坐标系投影到地理坐标系下。

3 监测结果分析

3.1 沉降区分布

新乡市主城区地表的年平均沉降速率如图2所示。

图2 年均沉降速率

新乡市沉降区域主要分布在牧野区，其他区域相对比较稳定，A、B、C三个区域沉降现象相对比较严重。

3.2 时序分析

分别从A、B、C三个沉降区域中各取一个典型点进行沉降时序分析，如图3所示。

图3 典型点沉降序列

A区域典型点P1位置在大朱庄附近，B区域典型点P2位置在前辛庄，C区域典型点P3位置在吕村内。三个典型点的累积下沉量整体呈增加的趋势，研究时间段内累计下沉约为24 mm。沉降原因为村庄人口密集，村民对地下水的过量开采，破坏了地下水收支平衡，地下水位持续下降，造成地面沉降。2018年8月、2019年8月，各典型点的下沉速率减缓，地面抬升，原因为新乡市降水量在季节分配上极不均匀，6～8月为降雨量丰富期，雨水补给使得地下水位有所上升，减缓了地面下沉，且抬升存在滞后性，8月中旬抬升效果明显。

4 结语

以新乡市主城区为例，利用PS-InSAR技术对覆盖研究区的24景Sentinel-1A影像进行处理，获得了平均沉降速率，PS-InSAR技术可以为城市沉降监测提供技术支持。