基于SBAS-InSAR技术的小区域沉降监测研究*

喜文飞, 杨正荣, 赵子龙, 钱堂慧, 周定义

(1.云南师范大学 地理学部,云南 昆明 650500；2.云南海钜地理信息技术有限公司,云南 昆明 650000；3.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093)

1 引言

地面沉降是由于天然因素或人类工程活动引起的地面下沉现象,它是一种地质灾害[1].传统水准测量技术、GPS测量技术和InSAR技术是目前应用于地表沉降监测的主要方法.

水准测量是对不同时期沉降点的高程值进行测量,利用实测数据获得沉降结果,该方法是目前使用范围最广的沉降监测手段.GPS沉降观测是利用GPS技术获取沉降点不同时期的相对高差,利用高差来监测地面沉降,文献[2]利用GPS技术进行郑汴新区地面沉降监测,取得了较好的效果.但水准测量技术和GPS测量技术布设的监测点都是离散数据,点位密度低,无法监测研究区整体的变形,且无法实现城市高重复性、全天候的监测需求[3-4].

InSAR技术可以全天候观测地表,获得的数据具有精度高且覆盖范围广等特点,被广泛应用于沉降监测[5-7].为了解决常规 InSAR技术受时空去相关和大气延迟限制的影响,研究人员提出了小基线集技术(SBAS-InSAR技术)[8-11].文献[12]基于 SBAS-InSAR技术原理,提出了一种基于高效率、低成本的地表非线性形变时序监测方法；另外,黄俊松等人利用 44 景 Sentinel-1A 卫星影像,采用SBAS-InSAR技术对嵩明县地表沉降进行监测取得了较好的效果[13].以往的研究都是利用SBAS-InSAR技术进行较大范围的沉降监测,小区域范围的沉降监测能否取得较好的效果,还有待验证.本文利用SBAS-InSAR技术,以 Sentinel-1A 卫星影像为数据源,提取小区域沉降形变信息,并与同期水准监测数据进行对比验证,检验小区域范围内利用SBAS-InSAR技术进行沉降监测的效果.

2 SBAS-InSAR技术

小基线集(SBAS-InSAR)是在差分InSAR基础上发展起来的,能够降低相位噪声和误差[14].假定在时间t1至ts内获取同一地区的S幅SAR影像,利用干涉组合条件,在短基线距的条件下形成N幅干涉条纹图,且满足

(1)

对tA和tB(tA

(2)

(3)

对N幅干涉条纹图进行相位解缠可以求出形变速率.

3 研究区数据处理及分析

以云南师范大学呈贡校区为研究对象,校区分为东区和西区两个部分,地势整体较为平缓,如图1.

图1 云南师范大学校区

使用来自欧洲航天局(European Space Agency,ESA)2018年7月20日到2020年11月18日共计69景升轨Sentinel-1A(SLC)影像进行处理分析,极化方式为VV极化和VH极化[16]，最大空间基线阈值和时间基线阈值为15%和90 d,生成437个干涉对.时空基线分布如图2所示,采用 Minimum Cost Flow 解缠方法和 Goldstein 滤波方法做干涉工作流[17],最终生成干涉图(如图3).

图2 干涉处理时空基线分布

图3 干涉图(20180720-20180813)

经过轨道精炼和去平,估算和去除残余的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道,然后进行两次反演,最后对序列信息进行地理编码获得研究区域LOS方向(雷达视线方向)上的形变速率[18].从图4中可以看出整个研究区有沉降变化,为了更好地研究沉降变化,将LOS方向的沉降转换为垂直方向的沉降,如图5所示,垂直方向的沉降变化速率在-7.27～0.56 mm/a,在研究区域的东北角地区,变形较大,变形速率在-7.27～-4.48 mm/a.

图4 研究区LOS方向形变速率

4 SBAS-INSAR沉降监测精度验证

为了更好地验证该利用SBAS-InSAR技术进行小区域沉降监测的准确性,分别在研究区域均匀选择了19个沉降点进行二等水准测量[19],点位分布如图6所示,从而得到云南师范大学呈贡校区沉降情况(如表1).

图6 沉降点位分布

表1 沉降值表

通过对表1进行分析，沉降值最大的是GP04、GP05、GP11、GP12这四个点，其他点沉降值较小，主要原因是点位埋设在硬质路面，形变速率较小.GP04的沉降速率为-3.1 mm/a，GP05的沉降速率为-2.7 mm/a， GP11的沉降速率为-1.4 mm/a，GP12的沉降速率为-0.7 mm/a，这四个点的沉降速率都在-7.27～0.56 mm/a范围之内，最大形变点GP04的沉降速率接近-7.27 mm/a，但是离形变速率最大值还存在一定的误差，主要原因是GP04号点虽然靠近最大变形区域，但不在最大的形变区域内.另外，利用SBAS-InSAR技术获取的地面沉降速率，由于受到大气效应等外界因素的影响，也会存在误差，这些因素造成了水准测量的实测值与利用SBAS-InSAR技术获取的数值存在误差，但是，利用SBAS-InSAR技术获取的小区域沉降趋势和实测数据沉降趋势基本吻合，因此该技术可以在小范围内进行沉降趋势监测.

5 结语

采用SBAS-InSAR 技术进行小区域沉降监测研究,利用69幅升轨Sentinel-1A SAR影像进行VV极化和VH极化处理,通过SBAS-InSAR技术获得研究区地表垂直方向形变速率,选取若干变形点进行沉降分析,通过与实测数据进行比较分析,利用SBAS-InSAR获取的沉降情况可以反映出实际的变形情况,该方法可以应用于小区域沉降监测.