基于双极化Sentinel-1影像的邯郸市地表沉降时序InSAR分析

周洪月，王文旭，张志全，闫世勇，汪云甲

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

1 引 言

当地上荷载不断增加时，地表常常伴随着地裂缝、局部塌陷及不均匀沉降等现象，目前我国大多数城市均发生过类似灾害，其中地面不均匀沉降会破坏地上构筑物，影响正常的生产生活，甚至会威胁周边居民的生命安全。InSAR技术在监测地表沉降方面发挥着巨大作用，相较于常规监测技术，可获取短重访周期、范围广及精度高的地表沉降信息，目前该技术在诸多监测实例中得到广泛应用[1～3]。邯郸市作为河北省主要沉降城市之一，在近几十年来区域性的地表沉降情况较严重，而地下水的超采是导致其东部区域沉降的主要因素[4]。自2012年起，河北省相继推出关于加强治理重点沉降区域的策略方针[5，6]，因此及时快速获取邯郸市近期地表沉降具有较高的研究意义和实际应用价值。

2 时序InSAR原理

PS-InSAR(Permanent Scatterers Interferometry Synthetic Aperture Radar)，主要通过选取所有SAR影像中保持相干性高的稳定点(PS点)，如裸露岩石、建筑物及人工角反射器等，通过设定初始幅度离差阈值，完成PS候选点网格化、相干系数定权、剔除相近的伪相干点，再利用时空滤波减弱了大气延迟及DEM误差的影像，最后提取所有PS点的累计形变量和年平均形变速率[7]。

PS-InSAR数据处理流程如图1所示，数据准备阶段，主要完成主辅影像对的主影像的选取、差分干涉工作；时序InSAR处理主要建立PS点筛选原则、去除DEM误差、空间视角相关误差及噪声残差，提取所有PS点的形变相位[8]。

图1 PS-InSAR数据处理流程图

3 研究区概况与数据源

本次以河北省邯郸市作为研究区域，该市依傍太行山脉，属温带大陆性季风气候，年平均降雨量为 500 mm左右，东部地区以地下水等资源为主，是河北省的南大门[5，6]。据相关资料表明[9，10]，随着几十年的城市建设的加快，地下水开采经历了加大、超采及限采等阶段，由此诱发区域性地表沉降也经历不断加剧到变缓的阶段。对该城市而言，迫切需要近期较大范围的地表沉降监测结果，该结果既用于反演研究区域内地面沉降现状，又能作为后续持续沉降治理的重要参考依据。

本文选用欧空局Sentinel-1(S1)系列卫星获取的影像数据，该系统目前由AB双星组成，单星重访周期为12天，其IW模式数据可免费获取，且具有多极化模式。由于该卫星采用了TOPS成像模式，在S1数据处理生成干涉对过程中，方位向配准精度须优于0.001像元。S1双极化干涉对集信息如表1所示。覆盖范围广、重访周期短、成本低及时效性强等特点，该数据在城市地表沉降监测方面具有较高的科研价值和应用潜力[11]。本文选用覆盖邯郸市主城区的双极化IW模式的SAR影像数据各44景对其地表沉降情况进行分析，影像的覆盖研究区范围示意图如图2所示。

图2 覆盖研究区范围示意图

S1双极化干涉对集信息表 表1

4 结果与分析

对44景S1 SAR双极化影像数据集，分别采用PS-InSAR技术进行数据处理，提取并分析了在2015年6月～2017年8月期间邯郸市的地表沉降情况。以2016年3月31号获取的SAR影像为主影像，分别按PS-InSAR数据处理方法进行处理，经统计最大时间基线为528天，最长的空间基线为 339.7 m，提取研究区的地表沉降速率如图3所示。

图3 邯郸市主要区域地表沉降速率图

从图3可知，在2015年6月～2017年8月期间，邯郸市主要沉降发生在邯郸市东部的肥乡县(区)、成安县、广平县及临漳县等区域，VH、VV两种极化数据集获取的地表沉降速率结果较为接近。另外，根据PS点分布情况(图3左侧矩形框)可知，相较于VH影像集，VV数据集在建筑物较为密集的主城区在识别PS点的能力方面相当，但在地形起伏较大或者建筑物分布较分散的区域内识别PS点的能力较强。

进一步分析可知，研究期内邯郸市主城区及西部区域地表沉降基本稳定，沉降速率在 10 mm/a以内，而位于邯郸市东部的区域整体沉降情况较为严重，尤其在建筑物较密集的主县城区内，其平均沉降速率超过了 -40 mm/a，下面对沉降较集中的肥乡县(区)、成安县、广平县及临漳县四县的沉降中心区进行重点分析，分别获取了一个区域的地表沉降分布信息(图4)。

对图4中落在选定区域内PS点的结果统计分析，分别得到表2和区域内平均累计沉降图如图5所示。

图4选定区域内PS点的平均沉降速率图

4个选定内所有PS点沉降结果统计表 表2

图5 选定区PS点平均累计沉降图

结合图4、图5及表2可知，VV极化的数据集提取四个选定区域内识别出的PS点数量方面能力相当，而且提取出两种PS点的平均地表沉降速率较接近；四个选定区域内，两时序沉降变化曲线的平均相关系数为0.97；同时，上述结果反映出在2015年7月～2017年8月期间，邯郸市重点沉降区发生在图4中的肥乡县(区)A区内，平均年沉降速率达到 -53 mm/a，在B、C、D三处的平均沉降速率介于 40 mm/a～50 mm/a之间，累计沉降量均超过 100 mm，该结果表明所选四个区域内的沉降趋势仍较大。

上述结果与2012年～2014年期间监测结果(其平均地表沉降速率均已超过 -80 mm/a)相比[12]，研究期间邯郸市地表沉降速率得到明显的控制，这间接反映了该市地表沉降治理效果较为显著。对比时序沉降图(图5)，可知肥乡县(区)、广平县及临漳县时序沉降变化一致性较好，主要沉降活跃期为每年的3月～10月份，而成安县出现夏季波动性较大、冬季稳定的沉降趋势。以肥乡县(区)为例分析地表沉降影响因素包括：该地区种植业较发达，以粮食作物和棉花为主，从夏季到秋季农业用水较多；西临京广铁路与107国道，309国道与邯济铁路横穿其东西方向，也加剧该地区地表沉降态势；位于华北平原，受地质构造活动的影响，但量级一般较小(不超过 1 mm/a)[13]；部分区域存在地热资源过度开采现象[14]。

结合相关政策进一步分析其沉降变缓的主导因素为河北省于2014年启动为期3年的地下水超采综合治理试点工作，以邯郸为代表的重点沉降区域引起相关单位的重视，并对所有试点采取地下水压采措施[15，16]，以至于在2015年～2016年期间研究区内浅层地下水位下降速度减小，深层地下水位呈回升态势，因此邯郸市重点沉降区域的地表沉降趋势有所放缓。

5 结 论

通过双极化S1 SAR数据时序分析，有效提高了地表沉降监测精度和可靠性。监测结果表明，在2015年～2017年期间，邯郸市主要沉降出现在其东部区域，其中以肥乡、成安、广平及临漳四县(区)的选定区域内沉降情况仍较为严重，重点区域的最大平均沉降速率均达 -53 mm/a。通过与历史沉降数据相比，研究时段内邯郸市整体沉降趋势变缓，位于上述四县重点区域的沉降趋势得到有效遏制；本文表明时序InSAR是一种有效的城市地表沉降快速普查方法，其沉降监测结果亦为相关部门后续持续加强邯郸市地面沉降区的治理工作提供了基础数据支撑。