基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术的地面沉降监测

范军，陈筠力，李相东，路瑞峰，侯雨生，刘艳阳

（1.上海卫星工程研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院，上海 201109）

0 引言

地面沉降是较常见的地质灾害，具有形成缓慢、持续时间长、影响范围广等特点，长期持续作用会给城市生产生活带来严重的影响。因此，开展对城市地面沉降监测的研究具有十分重要的现实意义。传统地面沉降监测主要采用水准仪、全站仪及全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）监测，这些方法虽然精度高，但成本高、工作量大，且难以满足对地面沉降的大范围区域监测和城市预警［1］。

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天时、大范围、高分辨率、不受天气及环境因素影响等优点，被运用与自然资源监测、海洋监测、军事高分观测等领域，并发挥了重要作用［2］。星载合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）以SAR图像提取地表的干涉相位为信息源，通过一系列的干涉数据处理，反演获取高精度的地形信息。目前，InSAR 技术已成为空间对地观测技术中最有效的监测手段之一［3］。合成孔径雷达差分干涉测量（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）是InSAR 技术的发展，主要以SAR 图像提取的干涉相位为信息源，通过一系列的干涉数据处理，反演出高精度地表形变信息。DInSAR 技术为地表形变监测领域提供了空间对地观测的新途径，可大范围、高分辨率、短周期、不受环境限制地连续观测，其精度可达厘米级［4-5］。

虽然DInSAR 技术提取的地表形变量精度较高，但形变精度受时间失相干、空间失相干、大气延迟等因素的制约，难以确保形变结果的准确性［6-8］。为解决这个问题，学者们提出采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术（Persistent Scatterer Synthetic Aperture Radar Interferometry，PSInSAR）监测高精度的地表形变监测［9-10］。与DInSAR 技术相比，PSInSAR技术有效地解决了DInSAR 方法存在的时间、空间基线失相干及大气延迟的问题，明显提高了地表形变监测的精度。目前，PSInSAR 技术已被广泛应用于上海、北京、天津、南京、昆明等城市的沉降监测研究，并取得与实际沉降趋势相符的结果［11-15］。

上海西南区域自建成以来，随着周边地区基础设施建设的发展，面临着地表安全问题，亟须开展相应的研究工作［16］。廖明生等［11］采用永久散射体雷达干涉技术监测上海地区，获取其不同时期大范围、高精度、不同时期的沉降速率图，但由于受到限制，数据未覆盖上海西南区域；罗小军［17］基于PSInSAR 改进算法监测上海陆家嘴地区的地表形变，获得上海陆家嘴地区最大累计形变量，但该算法未针对上海西南区域展开分析。截至目前，暂无学者研究上海西南区域的地表沉降监测。针对该问题，本文采用2017—2019 年35 景和2018—2021 年37 景，共2 期星载合成孔径雷达哨兵（Sentinel-1A）数据，利用PSIn-SAR 技术，首次监测上海西南某区域的地表沉降，获取长时间序列的上海西南某区域地表形变变化趋势，并提出沉降预警，研究成果可为上海西南区域地面沉降的科学防治提供重要的参考价值。

1 PSInSAR 方法概述

2001 年，FERRETTI等［9-10］提出PSInSAR 方法，该方法首先要累积覆盖同一地区的多景SAR 影像，形成基于时间序列的干涉图像对，再提取不受时间、空间基线及大气效应影响的稳定点目标，最后提取上述稳定点目标上的地形相位，并反演形变信息，监测地面沉降［5］。具体包括SAR图像配准［19］、干涉相位计算、去除平地效应、差分干涉图生成、永久散射体（Persistent Scatterer，PS）点选取、线性形变、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）误差估计、去除大气相位误差、形变量计算等主要步骤，流程如图1 所示。

图1 PSInSAR 技术处理流程Fig.1 Flow chart of the PSInSAR technology

2 研究区概况及试验数据

2.1 研究区概况

本文选取的上海西南区域地形起伏平坦，海拔多在4 m 以下，属于典型的软土地基地区，地下水开采及大型建筑施工都可能诱发地面沉降［11］。

2.2 试验数据

本文选取了覆盖研究区域49 景C 波段同轨多时相Sentinel-1A 数据，时 间跨度为2017 年1 月22 日—2021 年1 月1 日，重访周期12 d，轨道方向为升轨，极化方式选为垂直极化（VV）。Sentinel-1A 卫星导航事后定轨测量精度为5 cm、基线测量精度为7 cm，可支持本文形变监测研究。选用Sentinel-1A 卫星中文滑动扫描模式（Terrain Observation by Progressive Scan SAR，TOPSAR），其宽幅干涉（Interferometric Wide-swath，IW）产品包含3 个子条带，幅宽长达250 km，可实现广域区域地表形变监测。研究区域的SAR 强度图像如图2（a）所示，图2（b）中的蓝色方框为成像幅宽，红色方框为本文的研究区域。

图2 研究区域覆盖范围Fig.2 Coverage of the studied area

本文采用2017—2019 年的数据，选取35 景Sentinel-1A 数据对试验区域进行PSInSAR 处理。本试验以2018-07-16 为主影像，其余34 幅作为辅影像，从影像配准重采样到主影像空间，全部进行干涉处理，采用外部DEM 数据去除地形相位误差，最终生成34 个差分干涉对。采用振幅离差指数法提取高质量的PS 点，为了保持相位稳定的散射体，将振幅离差阈值设置为0.35，最终共选取54 142 个PS 点。通过建立PS 点差分干涉相位函数模型，反演出每一个PS 点上的线性形变和DEM 误差，并在初始的差分干涉相位中将其减掉，得到残余相位。残余相位误差主要由非线性形变相位、大气相位及去相干噪声组成。通过滤波算法，将非线性形变与大气相位分离，然后将线性形变和非线性形变相位累加，得到各PS 点时间序列的累积地面沉降结果［7］。

3 结果与分析

3.1 第1 期2017—2019 年上海西南某区域地表沉降监测结果

2017—2019 年时间序列的上海西南某区域地表沉降速率分布如图3 所示。由图3 可知，大部分PS 点分布在人工地物上，与实际情况相符。图中绿色的点表示无明显变化或小幅度波动区域，沉降速率为-5～6 mm/a，黄色的点沉降速率为-9～-5 mm/a，可见该区域沉降速率明显大于周围地区，确定该区域发生了沉降。

为进一步分析沉降区域，把上海西南某区域监测的PS 点叠加到Google Earth 上，如图3 所示。可明显看出该沉降区域位于上海西南某区域内西侧一栋楼，该栋楼身的右半部分无明显沉降变化，说明该区域发生了不均匀的沉降现象，最大沉降速率约达为-5.82 mm/a，最大累计沉降量约为14.46 mm。

图3 2017—2019 年上海西南某区域PSInSAR 沉降速率分布Fig.3 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

3.2 第2 期2018—2021 年上海西南某区域地表沉降监测结果

为了进一步验证研究区域地表沉降情况，本文另外采用了2018 年1 月—2021 年1 月，共37 景的星载合成孔径雷达Sentienl-1A 数据，基于同样的技术监测对该区域第2 期沉降，监测结果如图4 所示。

图4 2018—2021 年上海西南某区域PSInSAR 沉降速率分布Fig.4 PSInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2018 to 2021

由图可知，上海西南某研究区域地面沉降整体呈平稳态势，位于研究区域西侧的一栋楼发生了沉降现象。该区域PS 点颜色呈黄色，为沉降最为集中的区域，年平均沉降速率约达-7.10 mm/a，超过1期沉降速率。由此可知，2019年12月14日 后，该区域沉降速率呈明显加速趋势，最大累计沉降量约为25.43 mm。

3.3 PSInSAR 技术监测结果时间序列分析

上海西南某研究区域为典型的软土地基区域，经现场实地踏勘分析，推测沉降原因可能与周边施工建设及地下开采相关，由于周边重大的工程建筑物对地基施加荷载，导致地基土体发生变形。另外，该楼左侧靠近高架桥，受车辆载荷持续作用的影响，土体蠕变也可引起地基的缓慢变形。

在第1 期上海西南某区域地表沉降监测中，本文以2017 年1 月22 日时间为基准（沉降变化量为0 mm），统计了2017—2019 年时间序列的PS 累计沉降量，其中2019 年12 月14 日的相对沉降变化量约为-14.463 36 mm。在第2 期上海西南某区域地表沉降监测中，本文以2018 年1 月17 日时间为基准（沉降变化量为0 mm），统计了2018—2021 年时间序列的PS 累计沉降量，其中2019 年12 月14 的相对沉降变化量约为-13.657 63 mm。2019 年12 月14日，2 期的沉降变化量仅相差0.80 mm，可见其沉降监测结果基本保持一致。

2017—2019年和2018—2021 年2 期PSInSAR技术监测的PS 沉降时间序列曲线如图5 所示。由图5（b）可知，2019 年12 月14 日—2021 年1 月1 日，该区域沉降趋势明显扩大。统计结果见表1。

表1 基于时间序列的PS 沉降量统计结果Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

图5 PS 沉降时间序列曲线Fig.5 Time series curves of PS subsidence

续表1 基于时间序列的PS 沉降量统计结果Contiued Tab.1 Statistical results of the PS settlement based on time series

由图5 可知，虽然存在一些轻微的上下震荡，但整体表现出近似线性的下沉变化，前期加速下降，中期略微平缓甚至抬升，后期又呈加速下沉的趋势。由于建筑物多采用钢筋混凝土架构，温度对混凝土的强度和变形性能有较大影响［18］。例如，前期2017 年1 月22 日—2017 年3 月11 日（图5（a））、2018 年1 月17 日—2018 年3 月18 日（图5（b）），以及后期2019 年2 月17 日—2019 年4 月30 日（图5（a））、2020 年2 月12 日—2020 年4 月24 日（图5（b））。时段为冬季或春季，该时段气温较低，建筑材料随温度的降低可能发生收缩，导致下降速率较快。中期2017 年6 月27 日—2017 年8 月2 日（图5（a））、2018 年9 月14 日—2018 年11 月25 日、2019 年5 月12 日—2019 年7 月23日及2020 年6 月11 日—2020 年8 月22 日（图5（b））时间段内，部分PS 点沉降量出现相对抬升，最大抬升量约5 mm。5—8 月处于夏季，当温度升高时，钢筋混凝土结构的强度与刚度随温度升高显著下降，易发生膨胀，导致下沉速率减缓，甚至出现微量抬升。另外，该时段内也可能由于地下水回填，导致出现地面反弹现象。从获取的地面抬升时间分析，这期间正值上海雨季，可能因大量降雨及人工回填补充了地下水，使该地区出现了轻微反弹［19］。

通过对上海西南某研究区域2 期PSInSAR监测发现，2017 年1 月—2021 年1 月，上海西南某研究区域内除一栋楼发生沉降外，其他居民楼均未发现地面沉降现象，充分证明其地基结构稳定、地面基础设施健康。

3.4 与SBASInSAR 监测结果对比分析

为了验证PSInSAR 技术对上海西南某区域监测结果的准确性，基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A 数据利用短基线集（Small Baseline Subset Interferometry SAR，SBASInSAR）技术，监测上海西南某区域地区时序形变。与PSInSAR 技术不同，SBAS-InSAR 方法利用多幅主影像为参考，与其他辅影像任意自由组合，形成多对短基线差分干涉图，通过奇异值分解法解算地表形变速率［20］。2017—2019 年上海西南某区域SBASInSAR 沉降结果如图6 所示。

图6 2017—2019 年上海西南某区域SBASInSAR 沉降速率分布Fig.6 SBASInSAR settlement rate distribution of a certain area in the southwest of Shanghai from 2017 to 2019

由图6 可知，采用SBASInSAR 技术，同样监测出上海西南某区域内西侧一栋楼出现了明显的沉降现象，最大沉降速率为-5.09 mm/a，最大累计沉降量约为13.877 mm。在沉降范围和形变量级方面，该区域沉降结果与第1 期采用PSInSAR 技术监测的沉降结果具有高度的一致性。由此可得，本文采用PSInSAR 技术监测的上海西南某区域沉降结果，具有一定的可靠性和准确性。

4 结束语

由于缺少上海西南地区水准测量数据的支持，本文基于PSInSAR 技术，分别采用2 期星载SAR Sentinel-1A 数据监测上海西南某研究区域的地表沉降。2 次监测结果均表明，上海西南某研究区域内存在一处沉降区域，位于研究区域内西侧的一栋楼，该区域最大沉降速率约为-7.10 mm/a，最大沉降量约25.43 mm，而其他区域无明显沉降变化。为了验证该监测结果的可靠性和准确性。本文基于第1 期2017—2019 年Sentinel-1A数据，采 用SBASInSAR 技术监测该研究区域的地面沉降，获取的沉降范围及沉降量级，与同期PSInSAR 技术监测结果一致。经分析可得，该处沉降区域主要为典型的软土地基地区，地下水开采及周边大型建筑施工诱发地面沉降现象。后续将持续收集Sentinel-1A 数据，不定期开展基于PSInSAR 技术的上海西南区域地表形变监测研究，并对现阶段的沉降结果开展实时分析。另外，将采用其他卫星SAR 数据源，监测上海西南区域的地面沉降，获得更多的样本数据，为本文结果提供更有利的支撑。