基于PS-InSAR技术的天津地面沉降研究

雷坤超，陈蓓蓓，宫辉力，贾三满

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

超量开采地下水引发的地面沉降已成为全世界广泛关注的地质环境问题。由于传统监测手段的缺陷，在过去很难准确定义形变区域的范围、形变幅度以及季节性形变特征［1］。随着星载合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)技术的问世及发展，以其实时动态、大范围、高精度的特点已经在地面沉降、火山运动、地震、冰川漂移等领域表现出巨大的应用潜力［2～3］。2000 年，A Ferretti等［4～5］首次提出永久散射体干涉测量技术 (Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS-InSAR)，该方法通过选取那些自身散射特性较强并且相位信息较为稳定的地面目标点作为地表形变信息的表征，可以有效降低空间、时间失相关及大气延迟的影响，准确获取PS点形变信息，提高了地面沉降的监测能力。2004年，Hooper等人［6］提出了一种新的PS点识别及相位组分的分析方法—StaMPS，该方法利用SAR图像上像元幅度离散指数和相位空间相关性进行相干目标点选取，通过引入大气延迟校正模型减弱大气延迟的影响，进而获得地表形变信息。

本文采用改进后的永久散射体干涉测量算法(StaMPS)，利用覆盖天津地区的16幅 Envisat卫星ASAR数据进行永久散射体干涉处理，获取天津2004～2008年时间序列地面沉降演变特征，绘制沉降速率分布图。同时将宏观尺度地面沉降量与地下水、活动断裂进行耦合研究，分析不同含水层系统地下水开采、活动断裂对地面沉降的影响。

1 PS-InSAR方法

利用PS-InSAR技术提取地表形变之前，首先要对覆盖研究区的多幅SAR影像进行差分干涉处理，形成时间序列干涉影像对，再提取出不受空间、时间失相关和大气延迟影响的稳定地面目标点，通过分离出点目标上的地形相位来达到提取地表形变的目的［7］。

1.1 时间序列差分干涉处理

在所选取的N+1幅SAR影像中，选取一幅作为主图像，其余为辅图像。将N幅辅图像分别与主图像进行配准，并进行干涉处理，得到N个干涉对。对于N个干涉而言，通过引入外部DEM数据(二轨法)联合进行差分干涉处理，可以得到N幅干涉测量相位图。经过差分干涉处理后每个像元均包含如下组分［7］:

式中:φinsar——点目标干涉相位；

φdef——雷达视线方向形变相位，时间域相关，空间域也相关；

φtopo——地形相位，与垂直基线相关；

φatm——大气延迟相位，时间域不相关，空间域相关；

φorbit——轨道误差相位，时间域上不相关。

在后续数据处理过程中，去除这些误差组分，是准确获取地表形变值的关键。

1.2 PS点选取

PS点的选取就是在N+1幅影像中挑选出那些散射特性较强并且较为稳定的像素，可以是具有二面角且散射特性较强的建筑物体，如道路边沿、桥梁、房屋屋顶以及裸露的岩石等。由于PS点的选取会影响到监测结果的精度，因此在保证选取的PS点可靠的情况下，应尽可能的多选些PS点。目前，进行PS点选取的方法主要有四种:相关系数阈值法、振幅离差阈值法、相位离差阈值法、时序相关系数和振幅离差双阈值法。文中采用改进后的PS选取算法—StaMPS，即先采用振幅离差阈值法进行PS点初选，再根据PS点的相位空间相关性进行筛选，确定最终的PS点。

2 研究区概况

天津平原是华北平原的一部分，东南临渤海，北依燕山山脉，北部为山前冲洪积平原，中南部为冲积平原，东南部为滨海冲海积平原。在区域构造上位于天山—阴山纬向构造带和新华夏构造体系的交接部，构造十分复杂。区内主要断裂有宁河—宝坻断裂、沧东断裂、海河断裂、天津断裂等。天津地下水类型可分为:第四系松散岩类孔隙水、新近系松散岩类孔隙水和以碳酸岩岩溶裂隙水为主的基岩裂隙水［8］。由于地下水埋藏条件和开采程度不均衡，地下水动态变化在时空分布上存在明显的差异性。在宝坻断裂以北地区，地下水处于采补平衡状态，多年水位动态变化较小，但是以南地区，由于深层淡水严重超采，导致地下水水位持续下降，进而诱发地面沉降。研究区位置见图1。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

3 数据处理

3.1 数据选取

选取2004年1月～2008年12月的16景Envisat卫星ASAR影像作为差分干涉处理数据源(表1)。以2006年3月10日ASAR影像为公共主影像，利用荷兰Delft大学空间研究中心提供的卫星精密轨道文件进行SAR数据轨道信息读取和图像的精确配准，采用美国宇航局(NASA)航天飞机测图任务(SRTM)3″分辨率(90m)DEM进行地形相位的去除。所选数据最大时间基线为910d，最大空间基线为300m。

表1 研究区ASAR数据选取Table 1 Selection of ASAR data in the study area

3.2 PS点选取结果

研究区内共识别出的永久散射体点744645个，城区PS点密度达到300个/km2，在郊区(建筑物较少地区)PS点密度达到50个/km2，所选取的PS点保持着良好的相干性，比传统PS技术有了较大的进步。将选取的PS点与研究区高分辨率遥感影像进行叠加分析可知，研究区内的PS点大多分布在房屋的屋顶以及道路、桥梁的边沿上。

图2 PS点选取结果(白色点)Fig.2 Selection of PS points(white points)

4 结果分析

4.1 天津地面沉降分布特征

通过差分干涉处理及PS点提取，获得天津地区时间序列地面沉降速率分布图(图3)，结果发现天津地区地面沉降分布存在较大的差异性。沉降最严重的区域为西部和南部地区，其中市区、北辰区、西青区和静海区沉降速率大都在20.91～30.74mm/a，东丽区和塘沽区是地面沉降重灾区，最大年均沉降量达到38.9mm/a。天津地面沉降在分布态势上表现出不均匀的特征，宁河、宝坻和武清北部地区沉降较小，甚至出现地表回弹现象，主要是因为这几个区县地下水开采较少，大气降雨对地下水形成有效补给所致。而市区、北辰区、西青区、静海区、东丽区和塘沽区的地面沉降中心均已连成一片，并且有向外扩张的趋势，其沉降漏斗面积达1594.75km2。

图3 年平均沉降速率与水准等值线图Fig.3 Average annual velocity of land subsidence and leveling contour map

通过将水准测量获取的沉降速率等值线与2004～2008年PS-InSAR提取的地面沉降速率进行比较，发现它们的趋势具有较高的一致性，这也是对PS-InSAR结果的初步验证。随着时间的推移，天津地面沉降速率场在空间展布上也呈现出动态变化的特性，沉降速率场比水准测量得到的沉降等值线向东有所偏移，这可能与地下水开采不均衡有关。

4.2 地面沉降与地下水相关性分析

天津地下水降落漏斗主要分布在市区、北辰区、西青区、静海区、东丽区和塘沽区，随着地下水的持续开采，这些地区的地下水位仍处于下降的趋势。将InSAR监测到的时间序列地面沉降速率分布图与不同含水层系统等水位线进行耦合(图4～7)分析发现:(1)地面沉降漏斗多发生在地下水超采区内，沉降中心与地下水漏斗中心并非完全吻合，沉降漏斗有向东偏移的趋势。其主要原因可能是软土层固结速度滞后于地下水水头变化所致［9］，并且不同地区的软土层厚度对该区域地面沉降的发生、发展也有显著影响。(2)不同含水层系统水位变化对地面沉降贡献有所不同，中深部承压含水层(50～100m、100～180m)地下水开采对地面沉降影响较大，是地面沉降的主要贡献层。

图4 潜水层水位埋深等值线图Fig.4 Contour map of ground weter levels in the unconfined aquifer

图5 承压含水层Ⅰ等值线图Fig.5 Contour map of ground weter levels in theⅠconfined aquifer

图6 承压含水层Ⅱ等值线图Fig.6 Contour map of ground weter levels in theⅡconfined aquifer

图7 承压含水层Ⅲ等值线图Fig.7 Contour map of ground weter levels in theⅢconfined aquifer

4.3 地面沉降与基底构造相关性分析

地层岩性及结构特征是产生地面沉降的重要地质背景。以往研究成果表明，天津地区地面沉降灾害主要由于过量开采地下水造成，但区域地质构造是地面沉降发生、发展的第二位原因［10］。图 8中，对 PSInSAR提取的地面沉降进行风险分级，分为地面沉降严重区、地面沉降较大区、地面沉降较小区、地面上升较小区、地面上升较大区共5个级别。将时间序列地面沉降结果与构造断层空间分布进行耦合分析发现，天津地面沉降严重区主要受海河断裂、沧东断裂和天津断裂的控制，其中东丽—塘沽—津南区沉降漏斗分布在海河断裂与沧东断裂的交汇处，沉降速率较大地区主要分布在海河断裂以北，并沿着沧东断裂的方向发展；武清—北辰—西青—市区沉降漏斗主要以天津断裂为界，形成西北和东南两大沉降区；海河断裂与天津断裂和沧东断裂垂直，贯穿天津整个地面沉降区，对天津南北两大沉降区的形成和发展起着重要作用。

图8 地面沉降与断层相关性比较图Fig.8 Relationship between land subsidence and faults

图9 剖面线分布图Fig.9 Distribution of the profiles

为定量研究活动断裂两侧地面沉降变化特征，分别在沧东断裂、天津断裂和海河断裂垂直方向，各绘制两条剖面线(图9)。沧东断裂剖面A-A'和B-B'处，断裂带两侧沉降量较小，有些地区呈上升状态，但在断裂带中心位置地面沉降非常明显，断层两侧形变梯度呈漏斗状分布，最大沉降速率为35mm/a和25mm/a。天津断裂剖面C-C'处，沉降区分布在断裂两侧，沉降最严重的区域分别发生在距断裂带中心5km处，呈“W”状分布；而在D-D'处，沉降速率沿剖面线由西向东逐渐增加，最大沉降速率为32mm/a，断层两侧形变梯度达到47mm。海河断裂剖面E-E'处，断层两侧形变梯度较大，达到45mm，沉降最严重区域距断裂带中心6km，最大沉降速率为28mm/a；海河断裂剖面F-F'处，沉降中心与断裂带中心重合，形变梯度呈“V”状分布，最大沉降速率达到43mm/a(图10)。由此可知:天津地区地面沉降存在明显的构造控制特性，断层上下盘处地表形变梯度较大，推断其原因可能是断层两侧可压缩层厚度不同，同时受断层上下盘滑动作用的影响所致。

图10 断层两侧形变梯度图Fig.10 Deformation gradient map on both sides of the faults

5 结论与探讨

(1)天津地区地面沉降分布差异性较大，不均匀沉降特征明显，西南部地区为沉降重灾区，并有东移的趋势。

(2)地面沉降漏斗多发生在地下水超采区内，沉降中心与地下水漏斗中心并非完全吻合，向东偏移，可能由于软土层固结速度滞后于地下水水头变化所致，并且与软土层厚度有关。中深部承压含水层(50～100m、100～180m)地下水开采对地面沉降影响较大，是地面沉降的主要贡献层。

(3)天津地面沉降存在明显的构造控制特性，主要受海河断裂、沧东断裂和天津断裂影响，断层两侧形变梯度较大。

探讨:(1)PS-InSAR技术以其独特的优势和高精度，无疑将成为今后地面沉降监测的主要手段之一，但目前仍存在一些问题尚未很好解决，尤其在相位解缠算法方面仍需持续改进。(2)InSAR技术与水文地质学交叉研究有待进一步加强，InSAR的发展提高了对含水层系统压缩变形空间分布的刻画，促进了对水文地质单元和含水层系统的认识，给水文地质学研究带来新的视角。但在其它水文地质过程方面还未得到广泛应用，如识别地下水阻水边界及构造特性；确定形变含水层系统岩性及水力性质；提取水文地质参数；约束地下水流和地面沉降区域水文地质概念模型和数值模型等。因此，应加强InSAR技术在水文地质学中应用研究，为水文地质学提供技术支撑，促进水文地质学发展。

［1］宫辉力，张有全，李小娟，等.基于永久散射体雷达干涉测量技术的北京地区地面沉降研究［J］.自然科学进展，2009，19(11):1261 －1266.［GONG H L，ZHANG Y Q，LI X J，et al.Land Subsidence Research in Beijing Based on the Permanent Scatterers InSAR Technology［J］.Progress in Natural Science，2009，19(11):1261 －1266.(in Chinese)］

［2］陈强，刘国祥，丁晓利，等.永久散射体雷达差分干涉应用于区域地表沉降探测［J］.地球物理报，2007，50(3):737 － 743.［CHEN Q，LIU G X，DING X L，et al.Radar differential interferometry based on permanent scatterers and its application to detecting regional ground subsidence［J］.CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSIC，2007，50(3):737 －743.(in Chinese)］

［3］何秀凤，仲海蓓，何敏.基于PS-InSAR和GIS空间分析的南通市区地面沉降监测［J］.同济大学学报:自然科学版，2011，39(1):129 －134.［HE X F，ZHONG H B，HE M.Ground Subsidence Detection of Nantong City Based on PS-InSAR and GIS Spatial Analysis［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2011，39(1):129 －134.(in Chinese)］

［4］Ferretti A，Prati C，Rocca F.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in SAR interferometry［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2000，38(9):2202 －2212.

［5］Ferretti A，Prati C，Rocca F.Permanent scatterers in SAR interferometry［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39(1):8 －20.

［6］Hooper A，Zebker H，Segall P，et al.A new method for measuring information on volcanoes and other natural terrains using insar persistent scatterers［J］.Geophysical Research Letters，2004，31(23)，5，doi.10.1029/2004GL021737.

［7］廖明生，裴媛媛，王寒梅，等.永久散射体雷达干涉技术监测上海地面沉降［J］.上海国土资源，2012，33(3):5－10.［LIAO M S，PEI Y Y，WANG H M，et al.Subsidence Monitoring in Shanghai Using the PSInSAR Technique［J］. Shanghai Land ＆Resources，2012，33(3):5 －10.(in Chinese)］

［8］段永侯，王家兵，王亚斌，等.天津市地下水资源与可持续利用［J］.水文地质工程地质，2004，31(3):29－39.［DUAN Y H，WANG J B，WANG Y B，et al.Groundwater resources and its sustainable development in Tianjin［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2004，31(3):29 －39.(in Chinese)］

［9］陈崇希，裴顺平.地下水开采—地面沉降模型研究［J］.水文地质工程地质，2001，28(2):5 － 8.［CHEN C X，PEI S P.Research on groundwater exploitation-land subsidence model［J］.Hydrogeology＆ Engineering GEology，2001，28(2):5 － 8.(in Chinese)］

［10］王若柏，孙东平，耿世昌，等.天津地区地面沉降及其对地理环境的影响［J］.地理学报，1994，49(4):317－323.［WANG R B，SUN D P，GENG S C，et al.Dynamics of ground subsidence and its effects on geogeaphical environment in the tianjin area［J］.Acta G Eographica Sinica，1994，49(4):317 － 323.(in Chinese)］