基于PS-InSAR 技术的北海市地表沉降监测与分析

范晓燕，甘政政，刘永建

1.广西自然资源遥感院，广西 南宁 530201

2.湖南科技大学，湖南 长沙 411201

3.广西吉恩建设集团有限公司，广西 南宁 530021

近年来，随着我国城市化进程的不断加速，地表沉降已成为城市化进程中普遍存在的地质灾害问题。地表沉降不仅阻碍了社会经济的可持续化发展，还危害城市居民的生命财产安全。

传统的地表沉降监测手段，如水准测量、GNSS（Global Navigation Satellite System）技术等，存在监测成本高、监测效率低等缺点，而且易受到监测点密度的制约，往往无法直观地反映地表沉降的面状全貌。合成孔径雷达干涉技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一种空间对地观测技术，具有全天候、全天时、大范围及高精度的特点，目前已在地震、冰川、滑坡、火山及地表沉降等地质灾害监测方面得到广泛的应用[1]。研究小组基于DORIS 与StaMPS软件，对覆盖广西北海市2019年8月─2020 年1 月的Sentinel-1A 及Sentinel-1B 卫星影像数据进行PS-InSAR 处理，提取北海市地表沉降速率，并分析其时空分布特征，以期为北海市地质灾害防治提供参考。

1 研究区域概况

北海市位于广西南端，北部湾东北岸，处于泛北部湾经济合作区域结合部的中心位置。北海市属于亚热带海洋性季风气候，一年四季温差较小，既无严寒又无酷暑，温润舒适，适合居住，人口分布均匀且密度大。北海市不仅是古代“海上丝绸之路”的重要始发港，同时也是中国西南地区连接东盟的便捷出海口。在地质方面，北海市新近系和第四系松散地层厚度大[2]，在地表建（构）筑物的压实及工程施工的扰动下易发生地面沉降。在地下水资源方面，根据文献显示[3-10]，地下水为北海市市政主要供应源，其补给主要来自大气降水。地下水资源的不合理开采，不仅会导致地下水位的大幅下降、水资源枯竭及水资源恶化，还会引起地表沉降。在北海市地表沉降监测方面，曾有学者利用ALOS Palsar 影像数据并结合2001 年SRTM3 的DEM 数据，经过差分合成孔径雷达（Differential InSAR，D-InSAR）技术进行处理，提取了北海市地表形变信息，分析并明确了北海市地表沉降主要是由地下水资源开采所导致[11]。

2 北海市地面沉降监测

2.1 雷达影像数据源

研究小组对2019 年8 月3 日至2020 年1 月30 日覆盖北海市的28 景Sentinel-1A 及Sentinel-1B 卫星影像数据进行PS-InSAR 处理，获取北海市地表沉降监测结果。Sentinel-1A、Sentinel-1B 卫星影像干涉参数见表1。

表1 Sentinel-1A、Sentinel-1B 卫星影像干涉参数表

2.2 数据处理方法及原理

研究小组基于DORIS 及StaMPS 软件，对覆盖广西北海市的Sentinel-1A 及Sentinel-1B 卫星影像数据进行PS-InSAR 处理，其简要技术流如程图1 所示。

图1 PS-InSAR 简要技术流程图

（1）从覆盖研究区域的Sentinel-1 影像时间序列中，基于各影像间的时间基线、空间基线、多普勒基线最小及其他因素为准则，选取2019年10 月2 日的Sentinel-1 雷达影像作为参考主影像，其余为辅影像。

（2）利用DORIS 软件，对主影像及27 幅辅影像分别进行影像配准，经过影像重采样到同一影像空间，并生成27 幅干涉图，提取其干涉相位Ψ。

（3）基于SAR 卫星精密轨道数据及外部DEM 数据，对干涉图进行去平去地形处理。参考椭球面相位具有平滑的特性，研究小组通过多项式建模计算的方法来计算其在干涉相位的贡献，地形起伏引起的相位可通过式（2）计算。雷达图像的近斜距像素至远斜距像素所对应的侧视角不断增大，因此在计算地形相位前，需要对每个像素所对应的侧视角进行精确估计。

式（2）中，R为主影像像素所对应的雷达至地面点目标的斜距；θ为雷达侧视角；λ为雷达波长；h为地面点的大地高；B⊥为垂直基线。

经去除地平效应及地形效应后，差分干涉相位中除了形变相位的贡献，还包含了外部DEM 误差及大气延迟相位等不良影响。为了克服这些不良影响，PS-InSAR 技术从多幅时间序列差分干涉图中，提取出长时期保持相位稳定的像素作为PS 点（如人工建筑、大型岩石及人工角反射器等），这些像素基本不受时间失相关及空间失相关的影响。研究小组对所提取出的PS 点进行时序分析，分离出大气延迟相位及外部DEM 误差，从而实现高精度形变相位的提取。

（4）基于振幅离差DA是否大于0.4 为准则，在27 幅时序差分干涉图中初步筛选出PS 候选点（PSC），其中振幅离差DA可由式（3）计算。

式（3）中，σA为时间序列干涉图集中像素的振幅标准差；μA为时间序列干涉图集中像素的振幅均值。

（5）对初步筛选出来的PS 候选点，根据式（4）逐个计算其时间相关性γx，以γx来衡量像素x的相位稳定性，并结合振幅离差DA进行概率估计，估计PSC 属于PS 点的概率，最终筛选出PS 点。

（6）对筛选出来的PS 点构建Delaunay 三角网，并对其干涉相位进行3D 相位解缠及干涉图滤波处理，最终提取出各个PS 点的时间序列相位，进而转化成高精度形变信息。

2.3 北海市地面沉降空间分布及其成因分析

经DORIS 及StaMPS 软件对覆盖北海市的28 景Sentinel 影像数据进行PS-InSAR 处理后，研究小组共计提取出681 054 个PS 点。PS-InSAR 处理结果显示，主要沉降区域位于监测区域的东北部及西部。其中年平均最大沉降速率点位于监测区东北部，其沉降速率达到-62.8 mm/yr，最大沉降量约为-31.4 mm。

基于北海市2019 年8 月─2020 年1 月的PS-InSAR 地表沉降监测结果显示，研究区域部分地区势态略有抬升。PS-InSAR 地表沉降监测数据所呈现出的地面沉降或抬升是一个相对值，其沉降或抬升的数值是相对于解缠参考点的形变量。研究小组查阅相关资料发现[3-10]，北海市市政用水的主要来源是抽取地下水，历史上曾因地下水资源的过量开采而导致海水入侵，致使不少抽水井因地下水咸化而作废。此外，北海市管辖区内主要存在3 个工业园区，分别为北海工业园区、合浦工业园区、铁山港工业区。城市工业化进程的加速使北海市工业用水需求量不断扩大。地表供水量若不足以满足工业生产需求，工厂过度开发地下水资源可能会引发地表沉降。因此，研究小组针对监测区域内分布的3 个主要沉降区域，结合其区域特性分析其沉降成因。

沉降区1 位于合浦县及银海区交界处西部，根据北海市2019 年8 月─2020 年1 月的PS-InSAR 地表沉降监测结果显示，沉降区1地表年平均沉降速率最大约为-48 mm/yr，最大沉降量约为-24 mm。该地区内分布多家食品、肥业公司（工厂）及合浦县工业园中站工业集中区内的工厂。由此，研究小组推断该地区的地表沉降可能是由于工厂生产需水量大，正常的自来水供应不足导致其抽取地下水所引起。

沉降区2 位于合浦县境内，合浦水库、五一村、佛子冲村附近。该区域内植被茂密，因为植被的体散射特性及植被一直不断生长变化，所以该地区失相干效应严重，所能提取出的PS 点数量较少。因为地处山区PS 点位分布分散和未能获取该区域相关参考资料等因素，所以研究小组未能具体分析该区域的地表沉降成因。但值得注意的是，该区域内有一条博白站至伞塘站的铁路穿过，并且铁路沿线的PS点反映出有下沉的趋势，监测结果可为铁路养护部门提供一些参考。该区沉降速率最大达到-62.8 mm/yr，最大沉降量约为-31.4 mm。

沉降区3 位于北海市铁山港区境内，根据北海市2019 年8 月─2020 年1 月的PS-InSAR地表沉降监测结果显示，沉降区3 地表年平均沉降速率最大约为-49.4 mm/yr，最大沉降量约为-24.7 mm。该地区内分布多家钢铁厂、材料厂及各种资源开发公司。相较于沉降区1，铁山港工业区内多数区域较为稳定，沉降漏斗主要分布于诚德钢铁厂及北海市铁山港澳建材有限公司附近。研究小组认为，沉降区3 与沉降区1 类似，沉降区内多家工厂聚集，正常供水难以满足工业生产的需求，工厂过度使用地下水可能导致了地表沉降的发生。

3 结语

研究小组利用了Sentinel-1A 和Sentinel-1B 卫星所拍摄的28 景覆盖北海市的影像数据对广西北海市进行地表沉降监测，利用DORIS及StaMPS 软件分别对其进行差分干涉及PS-InSAR 时序处理，提取出北海市2019 年8月─2020 年1 月的累计地表沉降量及其沉降速率，并对合浦工业园区及铁山港工业区的地表沉降成因进行了分析，得出如下结论。

（1）PS-InSAR 监测结果 显示，2019 年8 月─2020 年1 月，北海市年平均最大沉降速率点位于监测区东北部，其沉降速率达到-62.8 mm/yr，最大沉降量约为-31.4 mm。

（2）沉降区1 地表年平均沉降速率最大约为-48 mm/yr，最大沉降量约为-24 mm，沉降区2 地表年平均沉降速率最大约为-62.8 mm/yr，最大沉降量约为-31.4 mm。沉降区3 地表年平均沉降速率最大约-49.4mm/yr，最大沉降量约为-24.7 mm。其中合浦工业园区（沉降区1）及铁山港工业区（沉降区3）地表沉降可能是由工厂过量抽取地下水所致。

（3）此次沉降监测结果有一定的警示意义，同时也为北海市扩大城市化进程中遇到的地表沉降问题提供一定的理论参考。随着工业生产需求的不断增长，北海市应合理布局工业园区，确保地表正常供水平衡，适量抽取地下水，减缓地表沉降速率。鉴于研究小组掌握的相关资料和数据有限，北海市部分地表更深层次的沉降起因以及对其周边建（构）物产生的影响还需做进一步的研究与探讨。