基于IPTA-InSAR技术的太原市地面形变监测★

张力彪，闫若鹏

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

随着城市化进程的发展，地面形变逐渐成为我国城市地区主要地质灾害之一[1-2]。地面形变容易造成建筑物裂缝、道路塌陷等危害，严重影响人们的生产生活[3]。

传统的地面沉降监测主要依据水准测量、全站仪测量等方式，都是基于离散点进行监测，监测点密度小，很难在短时间内快速获得大范围的地面形变[4-5]。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)相对于传统地面形变监测手段具有全天候、全天时、覆盖范围广等优势[6]，相干点目标分析合成孔径雷达干涉测量技术(IPTA-InSAR)是GAMMA软件中融合PS-InSAR技术[7]和SBAS-InSAR技术[8]的处理模块，可以获取地面形变信息。

本文选取覆盖太原市城区2018年6月～2021年9月的83景Sentinel-1A影像，采用IPTA-InSAR技术提取太原市城区的地面形变速率，结合光学遥感影像，分析明显形变区域，绘制相干点时序形变图，为太原市的地面形变灾害防治工作提供参考依据[9]。

1 研究区域及SAR数据介绍

1.1 研究区域概况

太原市是山西省省会，位于山西省中部、晋中盆地北部，地理坐标为北纬37°27′～ 38°25′，东经111°30′～ 113°09′。整体呈现北部高、中南部低的特征，西、北、东三面环山，中南部为河谷平原，呈“簸箕形”。

1.2 SAR数据介绍

本文采用的影像覆盖太原市城区，选取2018年6月～2021年9月期间83景C波段Sentinel-1A升轨影像，SAR影像基本参数如表1所示。

表1 SAR数据基本参数

2 数据处理与结果分析

2.1 数据处理

在本次数据处理过程中，选取2019年10月11日影像作为主影像，空间基线设置为-150 m～150 m，时间基线设置为36 d～150 d，生成640个干涉对进行处理。

采用线性模型的最小二乘法反演年平均形变速率。得到形变速率图，如图1所示。其中，形变速率为负代表地面形变远离卫星方向，为下沉，相反，形变速率为正代表地面形变沿着卫星方向，为抬升。

由图1可知，太原市城区在2018年6月～2021年9月期间，大部分区域呈现沉降趋势，年平均沉降速率为-2 mm/a～-25.5 mm/a；在中部万柏林区、迎泽区存在抬升区，抬升速率为2 mm/a～10 mm/a；在南部的小店区存在较大沉降区，沉降速率为-35 mm/a～-60 mm/a，有少数区域下沉速率超过-60 mm/a。

2.2 形变分析

根据IPTA-InSAR技术监测的结果，针对万柏林区的抬升区域和小店区的沉降区域进行剖面分析。并选取形变区域内的相干点，绘制时序形变图。

2.2.1 抬升区域分析

图1结果表明，2018年6月～2021年9月期间在万柏林区呈现抬升趋势，其中存在三处明显的抬升区，自南向北分为a,b,c三个区域，根据形变区域范围、主要建筑道路等绘制剖面线进行剖面分析，如图2所示。

抬升区域a包含阳光丽景小区、小米国际、普国装饰城等。对区域a沿东西方向和南北方向做剖面线，如图2a1，抬升区域a东西向长超过1 km，南北向长约2 km。在东西方向和南北方向的剖面线上提取相应的相干点绘制成剖面线，如图2中a2,a3所示，抬升区域a最大形变速率将近为18 mm/a。

抬升区域b包含太原理工大学虎峪校区、煤气化大王小区、千泓花苑等。对区域b沿着千峰南路做南北方向剖面线，与之对应做东西方向剖面线，如图2 b1，抬升区b东西向长约1.5 km，南北向长超过1 km。在东西方向和南北方向的剖面线上提取相应的相干点，绘制成剖面线，如图2中b2,b3所示，抬升区b最大形变速率约为15 mm/a。

抬升区域c包含太原技师学院、义井商贸小区、都市e线等。对区域c沿着千峰南路做南北方向剖面线，与之对应做东西方向剖面线，如图2 c1，抬升区c东西向长约1 km，南北向约为1.3 km。在东西方向和南北方向的剖面线上提取相应的相干点绘制成剖面线，如图2中c2,c3所示,抬升区c最大形变速率将近14 mm/a。

在抬升区域内选取5个相干点，绘制时序形变图，如图3所示。

由图3可知，抬升区域内选的相干点时序抬升呈现线性规律。在2019年6月～2019年12月期间形变加快，在2020年1月～2020年9月期间形变有所减缓。

2.2.2 下沉区域分析

图1结果表明，2018年6月～2021年9月期间在小店区存在较大值的沉降区域，选取明显沉降区域，记为A，B，根据沉降区域范围、主要建筑道路等绘制剖面线，如图4所示。

下沉区域A位于太原市武宿机场西南方向，包含太重煤机工业园、富士康(太原)科技工业园区等，属于太原市工业区。东西向长约3 km，南北向超过6 km。在东西方向和南北方向的剖面线上提取相应的相干点绘制成剖面线，如图5中a1,a2所示，沉降区A最大形变速率接近-50 mm/a。

下沉区域B位于下沉区域A的西南方向，包含山西国际物联网产业园区、太原警官职业学院等。东西向约2 km，南北向超过为1.5 km。在东西方向和南北方向的剖面线上提取相应的相干点绘制成剖面线，如图5中b1,b2所示沉降区B最大形变速率超过-60 mm/a。

在沉降区域内选取5个相干点，绘制时序形变图，如图6所示。

由图6可知，沉降区域内选的相干点时序沉降呈现线性规律。在2018年10月～2019年5月期间形变较缓，在2020年1月之后形变有所加快。

造成城市地面沉降的主要因素包括三个方面：1)过量开采地下水；2)城市建筑荷载；3)构造活动控制。对于太原市而言，水资源严重短缺，且分布差异较大，地下水开采导致太原市绝大部分区域呈现下沉趋势。对于下沉区域A，B，均位于小店区，其主要原因是城市建筑荷载，小店高新区的不断扩建，使小店区地面沉降明显。

3 可靠性分析

对采用 IPTA-InSAR技术获取的太原市形变结果进行可靠性分析是非常必要的，本文将从以下两个方面对IPTA-InSAR技术监测结果进行验证:

1)IPTA-InSAR技术监测结果与前人所得结果进行比较：刘媛媛、张勤等基于多源SAR数据获取太原市2004年—2005年的InSAR技术监测结果与水准测量数据的相关系数达到0.96[10-11]。张蓓、任洪瑞等基于PS-InSAR技术研究太原市地面形变监测，获取了太原市2016年2月～2017年2月的年平均沉降速率 -40 mm/a～-80 mm/a[12]。本文所监测到的沉降区域分布与前人所得结果的形变在地理位置与数值量具有很强的一致性。

2)对同期太原市城区RADARSAT-2影像形变速率结果与Sentinel-1A影像太原市城区形变速率结果进行对比发现，两种卫星影像结果在形变分布与数值上具有高度一致性，证明了结果的可靠性。

4 结论

本文利用 IPTA-InSAR技术对太原市城区进行地面形变监测，获取了太原市城区2018年6月～2021年9月年地面形变信息，对典型形变区域剖面线进行分析。发现太原市城区在2018年6月～2021年9月期间，大部分区域呈现下沉趋势，下沉速率为-2 mm/a～-25 mm/a；在万柏林区、迎泽区存在抬升区，抬升速率为2 mm/a～10 mm/a；在小店区存在明显沉降区，下沉速率为-23 mm/a～-60 mm/a，小范围内下沉速率超过-60 mm/a，为太原市的地面形变灾害防治工作提供参考依据。