结合PS特征点的SBAS-InSAR技术监测淮南市区地表沉降

纪东阳，聂运菊，王菲

(东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013)

1 引 言

InSAR技术由Graham等[1]在1974年提出，具有覆盖范围广、监测精度高、作业效率高、时空连续性等优势，多用于预测沉降区域并且连续动态的监测目标区域沉降趋势和沉降量。城市地表沉降监测是一个连续缓慢的过程，需要长时间基线影像对，使得时空去相干和大气传播误差带来的影响增大，D-InSAR处理数据的方法已经不能满足现代化的需求。经过科研前辈的探索，永久散射体雷达干涉测量[2](PS-InSAR)和小基线集时序分析技术(SBAS-InSAR)已发展为相对成熟的技术，在地表沉降监测领域得到应用。

张晓博等[3]采用Stacking技术处理了9景Sentinel TOPS成像模式SAR影像，分析了淮南矿区地面沉降特征。聂运菊等[4]以PS-InSAR结果选取的PS特征点为控制点，结合SBAS-InSAR技术对南昌市地表形变进行了研究并分析了造成形变的原因。由于煤矿开采，淮南市潘集区和凤台县的很多村庄和农业用地地面沉陷严重，地下水涌出，采煤沉陷区变成大面积的湖泊[5]，对国家和人民的财产造成了巨大的损害。淮南东西部城区结合处原本是老煤矿区，周边区域发生了地面塌陷。为了获取淮南城区地表沉降区域范围和沉降速率，本文以淮南市区为研究区域，采用以PS特征点为控制点的SBAS-InSAR技术处理37景哨兵影像，得到了城区形变信息，并进行形变时空特征分析，为淮南市区内的生态修复提供待修复范围和建议。

2 研究方法

2.1 控制点的选取

将PS-InSAR处理得到的PS点的矢量结果加载到ArcMap中，利用数据提取中的筛选功能，使用SQL表达式进行PS点的提取。设置筛选命令为："Vel[mm/y]">=-0.01AND"Vel[mm/y]"<=0.01AND"Coherence" >=0.85最终筛选获得35个稳定PS点作为SBAS-InSAR实验过程中的控制点。地理坐标系中的PS点不能直接用作SBA-InSAR过程中的控制点，需要将筛选的PS点转换到SAR坐标系中，才能在SBAS实验过程中进行使用。

2.2 以PS特征点为控制点的SBAS技术

SBAS技术由Berardino和Lanari等[6]人在2001年提出。SBAS技术[7]中不仅主影像和其他影像配准，其他影像之间也会配准。连接由长基线造成的相互独立的影像数据，形成短基线影像集合，对影像集合进行差分干涉处理得到相干系数图、滤波后的干涉图和相位解缠图。再利用控制点去除轨道相位和残余的相位跃变。影像集合之间采用奇异值分解法联合求解去除残余地形相位，获得地表形变信息。实验过程中用PS特征点来代替人工选择的点作为控制点，数据处理流程如图1所示。

图1 以PS特征点为控制点的SBAS技术处理数据流程图

3 研究区域概况与数据准备

淮南市作为煤矿能源开采城市，是国家的重要能源城市。地处华东地区，长江三角洲腹地，淮河沿岸，是沿淮城市群的重要节点，总面积为 5 533 km2。淮南市区的沿矿路和淮河大堤之间的区域原本是煤炭开采区，该区域近年来发生了较为严重的地面塌陷状况。由于经济的快速发展，近年来淮南市获批多个经济开发区，工程建设和下水开采导致了部分区域的地面形变。研究区域如图2所示。

图2 研究区域和地理坐标下的控制点

实验数据为37幅Sentinel-1A的VV极化方式SAR影像，时间跨度为2017年2月～2020年2月，每月一景SAR影像。DEM数据是 90 m分辨率的SRTM-3 Version4的数据。精密轨道数据为来源于PDGS的AUX_POEORB精密定轨星历数据。光学遥感影像为 2 m分辨率的谷歌地球影像。

4 数据处理结果与分析

实验结果得到了淮南市主城区形变信息，由于研究区域内有大面积的植被和水体导致部分区域相干性过低，所以SBAS实验结果无法完全覆盖整个区域，将成果转换成矢量后如图3所示。

图3 淮南市区形变速率图

4.1 形变速率分析

(1)从图3中可以看出，2017年2月～2020年2月淮南市区年平均形变速率主要集中在[-10～3] mm/a。研究范围内年平均沉降速率最大为 -25.6 mm/a，位于图4中A区域。研究区域内大部分地区在监测时段内地表形变保持平稳，部分区域出现了地表沉降的现象。

(2)研究范围内有8个主要的沉降区域在图3中标记为A、B、C、D、E、F、G、H，分别对应：东风井小区东边的塌陷塘周边形变速率为[-25.6～-5]mm/a；新庄孜矿办公楼周边形变速率为[-25～-4]mm/a；下郢村形变速率为[-24～-3]mm/a；陶圩村形变速率为[-17～-3]mm/a；平圩经济开发区形变速率为[-16～-4]mm/a；山南国宾府周边形变速率为[-12～-4]mm/a；淮南农场周边区域形变速率为[-20～-3]mm/a；山王承周边地区形变速率为[-19～-3]mm/a。淮南城区形变速率区间分布如图4所示。

图4 淮南市城区年平均形变速率分布

(3)研究区域内，东风井小区东边地表沉降最严重，最大沉降速率达到了 -25.6 mm/a。A、B、C、D四个区域的沉降速率均特别大，这4个区域相距不远且都在沿矿路和淮河南岸之间的区域内。E、G、H三个沉降区面积都比较大，F区域呈现沉降漏斗状。

4.2 重要研究区域的时间序列分析与原因分析

(1)在A、B、C、D四个研究区域内各选择一个特征点分别为P1、P2、P3、P4，代表各区域的形变趋势如图5所示。

图5 A、B、C、D四区特征点时间序列形变

区域A、B、C、D分别为：东风井小区东边塌陷塘的堤坝，新庄孜矿办公楼附近的钱家塘塌陷区，下郢村，陶圩村。由图5可见，这四个区域在研究时段内整体沉降趋势相似，沉降量非常大。2017年12月～2018年2月沉降速率最大，2019年8月～2020年2月由沉降转为抬升。采煤塌陷区范围如图6所示。

图6 塌陷区范围

经查阅资料发现，沿矿路与淮河南岸之间早年间有多处煤矿，包括孔集煤矿、李嘴孜煤矿、毕家岗矿、新庄孜矿、谢一矿、李郢孜矿[8]。煤矿深处已被掏空，使原本处于应力平衡的地质结构发生变化，导致地表连年沉陷，形成多个塌陷区，地下水[9]涌出后形成了塌陷塘和湿地。淮南市政府于2018年10月开始对辖区内进行生态修复，将这一区域列为重点对象。从图5中看出2019年8月地表开始缓慢抬升，生态修复的成效可见一斑。

(2)在E区域中选择3个特征点P5、P6、P7代表该区域的形变趋势如图7所示。

图7 E区域特征点时间序列形变

E区域为平圩镇居民区，2017年2月～2017年7月该区域工程建筑范围内发生地表沉降，平圩经济开发区与淮河北岸之间的平圩镇居民区地表沉降明显。2017年7～2017年12月和2018年9月～2018年10月有两次快速抬升，在2019年8月后地表开始缓慢抬升，其余时间段地表均缓慢沉降。

2010年3月安徽省人民政府同意筹建省级淮南平圩经济开发区，形成以煤化工产业、机械制造业为龙头，以新型建材、现代物流业为主体，以农副产品加工业为特色，以综合服务业为支撑的联动发展新格局。规划区域总面积为 8 km2，总体规划时间为2016年～2030年[10]。平圩镇居民区临近淮河北岸，地质条件为河间浅洼平原，土质较为松软。在2016年6月份～2017年2月工程建设时期，平圩镇居民区地表应力平衡受开发区内深基坑挖掘、工程建筑抽取地下水以及地理和地质条件的影响而遭到破坏，地表沉降状况较为明显。在工程建设后期，建筑物地下基础已经建成，地表应力平衡状态趋于稳定，从而该区域地表沉降由快变缓[11]。平圩经济开发区属于地下水富水区[12]，单井涌水量为每小时 75 m3，2019年8月后由于地下水位回升，使得居民区地表抬升。该区域地表沉降现象伴随着工程建筑的竣工会慢慢趋于平稳。

(3)F区域选择两个特征点P8、P9代表该区域的形变趋势如图8所示。

图8 F区域特征点时序形变

F区域为山南国宾府楼盘周边地区，P8、P9两个特征点沉降趋势相似，沉降量有所差异，结合图3说明该区域形成了沉降漏斗。2017年4月～2017年6月周边地表快速沉降，2017年7月～2017年8月地表抬升，之后缓慢沉降，直到2019年10月地表开始缓慢抬升。

该研究区域总体表现为沉降趋势，在研究区域和研究时间段内，山南国宾府楼盘正在施工建设过程中，地基不牢固，建筑物重量增大以及施工建设抽取地下水导致地表沉降，期间地表抬升是因为地基的钢筋混凝土浇筑结构硬化后回弹[11]。2019年10月该楼盘竣工，由于地下水位回升，地表开始缓慢地抬升。

(4)G区域内选择3个PS特征点P10、P11、P12代表该区域的形变趋势如图9所示。

图9 G区域特征点时序形变

G区域为淮南农场周边区域。从图9中可知在研究时段内该区域总体表现为沉降趋势，期间沉降与抬升交替出现。

造成地表波动式形变的原因是淮南农场季节性抽取地下水进行农业灌溉[13]。开采地下水会抽取含水砂层空隙中的水，空隙中的气体很难承受岩层和土层的重量，导致岩层和土层下沉，地表也随之下沉。若地下水得到补给，水压增加，造成含水砂层回弹，含水砂层向上的水头压力增大，使得上部黏土层大量充水，空隙水压力增大，黏性土发生膨胀。砂层回弹和黏性土膨胀的叠加会使地面不发生沉降或者地面回弹[14]。

(5)H区域中选择3个PS特征点P13、P14、P15代表该区域的形变趋势如图10所示。

图10 H区域特征点时序形变

H区域是山王承周边，从图10中可知在实验时段内该区域地表呈现沉降状态，2018年5月～2019年4月地表缓慢抬升，2020年2月仍然保持沉降趋势。

实验期间山王承西侧正在修建大型变电厂和变电装置以及工程建设抽取地下水，导致周边地表发生沉降，期间缓慢抬升现象是地下水位上升所致[15]。鉴于周边地区仍保持沉降趋势，需对该区域进行持续监测。

5 结 语

本文采用结合PS特征点的SBAS-InSAR技术，以覆盖淮南市主城区的37景Sentinel-1A的SAR影像为数据源，反演了研究区域内的地表形变状况。沿矿路与淮河南岸之间由于煤矿开采导致的塌陷区沉降最为严重，沉降速率范围为[-25.6～-3]mm/a，2019年8月后塌陷区地表缓慢抬升说明淮南市生态修复工作有所成效，在此建议淮南市政府继续进行生态修复或者因地制宜建设湿地公园。多个开发区工程建筑和抽取地下水导致了区域性地表沉降，沉降速率范围为[-19～-3]mm/a，对周边的道路、建筑物以及地下管线造成影响，需要进行持续监测以保护周边地区公共设施安全和居民的财产安全。淮南农场季节性抽取地下水灌溉农作物导致波动式地表形变，沉降速率范围为[-20～-3]mm/a，该区域地表形变总体趋势仍然表现为沉降，如果不加以控制，地表弹性形变有很大的可能发展为刚性形变，难以恢复。建议淮南工矿农企业积极响应政府出台的水资源保护相关制度，合理开采和利用地下水资源。