常州市时序In SAR地表沉降监测与危险性评价

2020-07-01杨少敏范雪婷李红慧

江苏科技信息 2020年13期

杨少敏，范雪婷，刘波，李红慧

（1.常州市基础地理勘测中心，江苏常州 213001；2.江苏省基础地理信息中心，江苏南京 210013；3.江苏煤炭地质局，江苏常州 213000）

0 引言

长江三角洲苏锡常地区因地下水开采导致的地面沉降属于一种缓慢地质灾害现象，可能会对当地社会生活、经济活动及生态环境带来不利影响，严重时甚至会加剧城市洪涝灾害，威胁生命安全。常州市地处长江三角洲经济带的核心区，二十世纪六七十年代已出现较为明显沉降现象，八十年代沉降主要集中位于城区范围［1］，随着经济快速发展，其范围也逐渐外扩偏移，出现了大面积不均匀沉降中心，因此地面沉降监测得到政府和相关研究者持续广泛的关注。如于军等［2］采用Envisat卫星ASAR数据对常州地区2003—2008年的地面沉降进行监测；刘波等［3］基于SBAS技术对武进地区2007—2011年地面进行沉降监测；董少春等［4］采用Sentinel-1A影像对常州地区2015—2018年地表沉降进行监测。以上研究都能够监测到该地区地表沉降时空分布特征，但仍存在不足：一是监测周期短；二是仅监测获取沉降信息，对于监测结果准确性及因沉降导致的危险性分析涉及较少。本文利用2007—2018年影像数据，基于多主影像相干目标小基线技术［5］（multiple images coherent targets small baselines InSAR，MCTSB-InSAR）进行时序地表沉降监测，利用传统水准测量数据进行精度分析评定，并最终对常州市地面沉降进行危险性评价，为常州地区地面沉降地质灾害防治与预警预报提供依靠数据。

1 数据

本次研究分别选取ALOSPALSAR、Radarsat-2、Sentinel-1 A作为常州市2007—2011年、2012—2015年、2016—2018年三阶段沉降监测的数据源，数据皆为单视复数据（SLC），不同SAR数据的覆盖情况如图1所示。PALSAR影像工作频率为L波段，波束模式分为精细波束双极化（Fine Beam Dualpolarization，FBD）模式及精细波束单极化（Fine Beam Single Polarization，FBS）模式，二者具有不同的方位向分辨率，时序InSAR处理时将FBS数据在距离上进行2倍降采样，使其与FBD数据有相同分辨率。单景影像覆盖范围约60 km×60 km，共需6个Frame覆盖常州全市，每个Frame获取16～21期，共114景影像。Radarsat-2影像工作频率为C波段，宽幅模式数据单景覆盖范围约150 km×150 km，覆盖常州需2个Frame，各获取25期共计50景影像。Sentinel-1 A影像工作频率为C波段，单景影像覆盖范围约250 km×180 km，仅1个Frame即可覆盖常州全市，获取47景（期）影像。SAR数据详细参数见表1所示。研究中采用分辨率为90 m的SRTMDEM数据来剔除地形相位的影响。

图1 常州市SAR影像覆盖范围

表1 SAR影像参数

2 方法

2.1 时间序列InSAR处理

采用MCTSB-InSAR方法对研究数据进行时间序列InSAR处理，具体处理流程如图2所示，主要处理步骤如下。

图2 MCTSB-InSAR数据处理流程

2.1.1 差分干涉处理

主要涵盖轨道加密、基线分析、影像配准、组合干涉像对、获取干涉图、去地形相位、相位滤波等处理，最终生成差分干涉图。其中，因Sentinel-1A数据采用新型的TOPS（Terrain Observation with Progressive Scans SAR）模式，InSAR处理在方位向上有很大的多普勒中心频率偏移，对配准提出了更高的要求［6］，本文采用基于精轨数据、强度互相关、增强谱分集的多级配准方法，避免了干涉图中出现相位跳跃现象，得到优于千分之一像素的方位向配准精度。

2.1.2 线性形变反演

依次进行稳定点目标提取、点目标三角网连接、建立差分相位模型、线性形变速率和高程误差求解等处理。精确的稳定点目标识别是高精度时序InSAR地面沉降信息提取的基础，稳定点目标指对雷达波的后向散射较强，并且在时序上较稳定的各种地物目标，如建筑物与构筑物、铁轨、桥梁、栏杆、路灯等人工目标及裸露的岩石等自然目标。本文综合使用基于相干系数、幅度离差、平均幅度的“三阈值二级探测法”［7］提取稳定点目标，分布示例如图3所示。然后，利用局部Delaunay三角网连接点目标，三角网的参数为格网中心间隔600 m，格网半径1 000 m，相邻点目标间的最大距离为2 000 m。借助三角网确定点目标之间关系，对相邻点目标的差分相位实施二次差分，构建点目标邻域差分相位模型，并根据文献［5］进行模型参数反演，最终求取各点目标的线性形变速率和高程误差。

图3 稳定点目标分布

2.1.3 非线性形变反演

从原始差分干涉图相位减去高程误差和线性形变速率分量，可获得残余相位，其主要包含非线性形变相位、大气相位及噪声相位。根据各分量不同的时空频谱特征，通过时间域低通滤波分离出非线性形变相位；对低通滤波后的残余相位进行空间域低通滤波，分离得到大气相位。将提取的线性形变和非线性形变进行叠加计算得出需要的全部形变信息，并基于雷达波入射角关系，将雷达视线向的形变值转换为垂直方向上的形变值。

2.1.4 多景InSAR地面沉降结果拼接

对于ALOSPAlSAR和RADARSAT-2数据，需多个Frame影像覆盖研究区，在分别获取每个Frame监测点结果后，通过提取影像间重叠区域的同名点结果，采用最小二乘平差方法对多个Frame点目标结果进行拼接，最终形成区域协调一致的沉降结果［8］。

2.2 精度评定方法

对于InSAR技术获取的地表沉降结果，通常采用高等级水准测量或GPS/CORS测量数据进行定点比较的方法评定其精度。因InSAR监测点与水准点的空间位置不一定完全一致，为了保证评定结果的客观和准确，约定邻近点原则对初始获得的水准点进行了筛选：以水准点为中心，如果在一定距离范围内（经验值为80 m）存在至少一个InSAR点目标，则选取该水准点参与精度评定，比较水准点与最邻近InSAR点目标的年平均沉降速率，计算二者的差值的均方根误差，作为InSAR地面沉降监测精度评定的指标。

2.3 危险性评价方法

地面沉降危险性是指在不同外界因素作用下地面发生沉降的概率及程度［9］。通常研究地面沉降危险性主要采用累计沉降量和平均沉降速率两种评价指标［10］，前者反映地面总沉降量值，后者反映该区域的沉降速率，这两个指标都可呈现研究区地面沉降的发展程度，在日常地质灾害危险性评估工作中最易被使用。

根据地面沉降危险性评价指标，综合衡量累计地面沉降量与地面沉降速率间关系及其对地面沉降危险性的影响后，确定彼此间权重各占0.5［11］。结合《江苏省地质灾害危险性评估技术要求》和《江苏省地面沉降控制区划分方案》以及数据的实际获取情况，基于监测期平均地面沉降速率和地面累计沉降量数据对研究区地面沉降进行评分分级，分级结果如表2所示。

表2 地表沉降危险性评价指标参数及赋值

表3 地表沉降危险性分区标准

利用综合指数法对两个评价指标按权重计算后叠加得到危险值，将最终危险性参照评分分级表进行分区（见表3），获取研究区地面沉降危险性评估分区结果。

3 结果分析与评价

3.1 结果分析

基于上述方法，分别提取了常州市2007—2011年、2012—2015年、2016—2018年的地表沉降速率（见图4—6）和累计沉降量等信息。采用克里金（Kriging）插值计算方法将稳定点上的沉降速率值和累计沉降量值进行内插，将三期差值后的沉降量进行叠加计算得到2007—2018年的总累计沉降量图（见图7）。

2007—2011年，常州市地表形变相对较为严重，插值后沉降速率超过10 mm/a的区域面积达84.8 km2。其中钟楼区邹区镇存在一处明显的沉降漏斗，最大沉降速率达57.7 mm/a；武进区存在一条纵贯南北的沉降带，涉及牛塘镇、湖塘镇、高新区、礼嘉镇、洛阳镇、前黄镇、雪堰镇、横山桥镇，最大沉降速率达56.5 mm/a，位于高新区；金坛区和溧阳市个别地区出现轻微的不均匀沉降，最大沉降速率分别为22.2和42.2 mm/a，分别位于西城街道和别桥镇；天宁区和新北区未发现明显的沉降中心。

2012—2015年，常州市地面沉降速率明显趋缓，超过10 mm/a的区域面积减少为5.6 km2。钟楼区，金坛区与溧阳市已无明显沉降迹象；武进区的沉降带依然存在，但范围减小，主要涉及牛塘镇、湖塘镇、高新区、礼嘉镇、洛阳镇、雪堰镇，最大沉降速率降为21.8 mm/a，位于高新区；天宁区和新北区仍较为稳定，无明显沉降。

图4 2007—2011年平均沉降速率

图6 2016—2018年平均沉降速率

图5 2012—2015年平均沉降速率

图7 2007—2018年累计沉降量

2016—2018年，常州市地面沉降范围扩大，沉降速率超过10 mm/a的区域面积增加至32.6 km2。钟楼区邹区镇出现沉降反弹，又有轻微沉降发生，最大沉降速率为15 mm/a；武进区礼嘉镇、高新区、前黄镇、洛阳镇沉降已连接成片，最大沉降速率仍位于高新区，达27.8 mm/a。金坛区、溧阳市有零星的沉降出现。

依据2007—2018年累计沉降量，统计得出沉降量超过100 mm的区域面积达60.2 km2，超过200 mm的区域面积达12.5 km2，可见对整个阶段的沉降发展趋势需时刻保持高度警惕。

3.2 精度评定

本次共收集到常州市47个水点准数据，2012—2015年每年观测一期，可用于RADARSAT-2监测结果的验证。根据上述精度评定方法，共筛选出33个水准点（位置分布如图8所示），计算得到的沉降速率的均方差为2.7 mm/a，满足规范（CH/T 6006—2018）中精度均优于5 mm/a的要求（见表4）。

选取位于武进区礼嘉镇的水准点ZY076，利用2012—2015年的时序实测数据与InSAR监测点的时序沉降量进行计算分析（见图9），可见二者也具有较高的符合性，进一步验证了采用MCTSB-InSAR技术获取地表形变的可靠性。

3.3 危险性评价

图8 水准点分布位置

本文基于2016—2018年平均地面沉降速率和地面累计沉降量数据结合评分分级表对常州市地面沉降进行评分分级；利用综合指数法对2个评价指标按权重计算后叠加得到危险值，将最终危险性参照危险性分区标准进行分区，得到常州市地面沉降危险性评估分区图（见图10）。

易发现，常州市无明显沉降高危险区；中危险区面积达15.85 km2，主要分布于钟楼区的邹区镇、武进区的牛塘镇、高新区、礼嘉镇、洛阳镇及雪堰镇，总体呈西北—东南走向，此外金坛区的直溪镇西部、金城镇与东城街道交界附近也出现中危险区；剩余地区地表基本处于稳定状态为低危险区。基于分区结果结合调查分析得知，常州市地面沉降主要因新增大量建筑工程、新区开发利用强度加大导致地面下沉（如邹区镇灯博广场、高新区全面开启特色园区建设等）。因常州市全面禁止开采地下水，地下水位得到明显回升，相较以往地表沉降速率已得到有效减缓甚至出现轻微抬升反弹，但因地下水开采导致含水层中出现的“失衡层”，其恢复是个蠕变过程，在沉降上呈现滞后效应。

4 结语

本文利用114景ALOSPALSAR影像、50景Radarsat-2影像和47景Sentinel-1 A影像，基于MCTSB-InSAR方法对常州市进行沉降监测，获取了2007—2011、2012—2015、2016—2018三阶段年平均沉降速率和2007—2018年累计沉降量信息。通过与水准测量结果比较，常州市地面沉降速率的精度评定达2.7 mm/a，验证了监测结果的客观性和可靠性。基于沉降监测结果系统分析了常州市沉降漏斗分布特征和时空变化规律，地表形变总体呈现先明显减缓后轻微反弹的趋势。为了全面分析地质灾害危险性，利用综合指数法分权叠加分析，实现常州市地面沉降灾害危险性评估分区，结果表明常州市无地质灾害高危险区，主要在钟楼和武进区存在西北东南走向中危险区，分区评价结果也可为今后地面沉降灾害防治工作提供基础数据和支撑依据。