鄧立峰，朱海玉

(新疆地礦局第九地質大隊，新疆 烏魯木齊市 830000)

1 引 言

傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測方法(水準測量，GPS測量等)精度高，但空間采樣率低，對整體沉降趨勢和不均勻沉降分析能力較弱，合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)技術具有高分辨率和高時空采樣率的優(yōu)勢，能為長時間緩慢累積地表沉降監(jiān)測提供一定周期內空間連續(xù)的沉降信息，但實際數(shù)據(jù)處理和分析過程中仍受大氣延遲等因素的制約[1]。針對此問題，21世紀初Ferretti 和Berardino等人根據(jù)地物在時間序列上的散射特性引入了時序DInSAR方法[2，3]，削弱了大氣延遲與時空失相關的影響。近年來，隨著時序DInSAR理論模型與解算方法的改進與擴展[4，5，6]，該技術在不同類型區(qū)域探測地表形變的精度、可靠性等方面都得到了提高。其中，Hooper等提出基于后驗估計的PSI方法[7]充分地考慮到地物的穩(wěn)定性并有效消除干涉相位模糊度。該方法提取無先驗信息的穩(wěn)定地物點后，根據(jù)后驗估計分析了地物點的相位穩(wěn)定性，并利用分步三維相位解纏方法[23]提取具有較高可靠性的形變信息[8，9]，在城市沉降監(jiān)測中得到了廣泛應用[10，11]。

前述關于地表沉降研究中，已有諸多相關研究基于時序DInSAR方法，使用不同衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)探測了上海市沉降災害并對整體沉降趨勢進行了分析，探討了地鐵沿線的地表沉降特點。如羅等[12]利用1992年～2002年C波段的ERS 1/2 SAR影像，探討了上海虹口與楊浦區(qū)之間的沉降區(qū)域，其最大累積形變量達 18 cm；Perissin、Li等[5，13]分別通過2008年～2010年的CSK和TSX衛(wèi)星影像探討了上海市地鐵沿線的地表沉降；聶、Chen等[14，15]分別使用TSX、CSK和ENVISAT衛(wèi)星影像獲取了上海市的沉降信息，且與水準數(shù)據(jù)進行了對比，并簡要分析了上海市的沉降量級。其缺少結合地下水開采信息和沉降控制措施執(zhí)行力度的沉降時空演變的探討。

針對上述問題，本文以上海中心城區(qū)和周邊郊區(qū)為研究對象，以2009年1月～2010年6月所獲取的31幅新型高重訪率和空間分辨率COSMO-SkyMed(CSK)雷達衛(wèi)星星座影像為數(shù)據(jù)源。其中，該星座由4顆擁有X波段合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星組成，最高分辨率可達 1 m，各衛(wèi)星重訪周期為16天，星座重訪周期最快可達1天，與C波段和L波段傳感器相比對地表的短周期形變的識別能力更強、更敏感[16]。因此，本文選取基于后驗估計的PSI方法識別穩(wěn)定地物點提取沉降信息，并與已有的PSI資料進行比較驗證。結合研究區(qū)域的地下水抽取強度和回灌政策實施的力度深入分析上海城市中心城區(qū)和城郊區(qū)域在地面沉降控制措施的影響下的沉降趨勢特點以及沉降成因。

2 沉降信息提取模型

該算法在差分干涉階段與常規(guī)的PSI方法相同[2～7]，使用N+1幅SAR影像以單一主影像的方式生成N個干涉對，結合精密軌道和外部數(shù)字高程模型(DEM)進行差分后獲得N幅形變干涉圖，本文中首先利用振幅離差指數(shù)(ADI=0.5)作為PS初選點的探測閾值[2]，探測的初選點上的干涉相位均由軌道殘差、地形誤差、形變相位、大氣延遲等失相關噪聲相位構成，如式(1)。

φint，x，i=W{φdef，x，i+φatm，x，i+△φorb，x，i+△φh，x，i+φn，x，i}

(1)

式中φdef，x，i為形變相位；φatm，x，i為大氣延遲造成的相位誤差；△φorb，x，i為軌道誤差引起的相位誤差；△φh，x，i為與地形相關的相位誤差；φn，x，i則包含了熱噪聲與失相關噪聲等。

在式(1)的基礎上假設空間一定范圍內，各初選點的形變具有高度的相關性[17]，根據(jù)此假設結合形變空間相關窗口，利用自適應濾波依次求出并剔除前四項空間相關部分與空間非相關的入射角誤差[22]。上述過程不斷迭代且收斂后，利用殘差分量估計PS候選點的相關系數(shù)，如式(2)。

(2)

以上述標準探測出無先驗信息的PS候選點后，根據(jù)ADI對候選點進行分組，在不同組中根據(jù)后驗概率估計的方式[17]，結合相關系數(shù)進行解算。利用最小二乘方法獲取整體相位穩(wěn)定性閾值，從而提取穩(wěn)定的PS點，如式(3)。

(3)

利用分步三維相位解纏技術(stepwise 3-D)[18]對精化后穩(wěn)定點上的差分相位進行時空相位解纏，最終獲得所有穩(wěn)定PS點上的解纏相位，其中分步三維相位解纏過程通過三步實現(xiàn)[18]。首先結合形變空間相關特性，將所有PS點按格網化窗口統(tǒng)計并通過Delaunay法則構建三角網，獲取每個PS點與鄰近點相位差的時間序列并通過低通濾波抑制噪聲[18]；第二，在時間域依據(jù)奈奎斯特采樣定理進行相位解纏；最后，以最小費用流方法進行空間二維相位解纏(具體參見文獻[18])，從而得到PS點的真實解纏相位φuw，x，i，如式(4)。

(4)

3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文實驗選取上海建筑物密集的中心城區(qū)和耕地較多的周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域為研究區(qū)域(詳情如圖1所示)。已有資料[14，19]表明，中心城區(qū)由于地下水開采與回灌、大型構筑物工程和地下交通產生負荷等因素的影響，產生多個非均勻性沉降且沉降趨勢逐漸增加；地下水的開采量遠大于回灌量，進而引發(fā)郊區(qū)地面沉降顯著增加。

本研究使用2009年1月～2010年6月所獲取的31景X波段COSMO-SkyMed衛(wèi)星星座SAR影像，入射角為40°，距離向和方位向分辨率分別為 1.25 m和 2.25 m。該組影像重訪率高(如表1所示)，影像跨越時間范圍中有31景影像，其中重訪時間間隔為8天的影像占總體的43%，16天占總體的27%，整體觀測的時間頻率較高，有利于分析上海市在沉降控制政策下短時間地表沉降趨勢特征。

圖1(a)顯示了實驗使用影像的具體地理位置信息，底圖為Google Earth光學影像，其中圖1(b)、圖1(c)為本次研究選取的兩個研究區(qū)域，分別為上海市中心城區(qū)和周浦鎮(zhèn)等城郊研究區(qū)域覆蓋范圍，面積分別為 122.1 km2和 100.8 km2，兩實驗區(qū)域中心相距約 20 km。圖1(b)、圖1(c)為圖1(a)中兩個研究區(qū)域的平均強度圖，圖1(b)、圖1(c)中矩形框為實驗區(qū)中顯著的沉降中心，分別在8個顯著沉降區(qū)中選取特征沉降點(字母A-H)用于后續(xù)分析。選取2009年11月3日所獲取的影像為主影像，以美國國家航空航天局(NASA)提供的3弧秒精度的DEM作為地形相位信息，利用基于后驗估計的PSI方法進行穩(wěn)定點探測和時序建模計算，影像獲取日期及時空基線分布如表1所示。

圖1 研究區(qū)域地理位置及SAR強圖影像 COSMO-SkyMed影像的時間空間基線和重訪時間間隔 表1

4 實驗及結果分析

4.1 沉降空間分布與分析

本文根據(jù)第2節(jié)所述PSI方法分別探測了上海市中心城區(qū) 463 787個穩(wěn)定地物點(4 649 個/km2)和周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域 208 534個穩(wěn)定地物點(2 205 個/km2)，獲取了兩局部地區(qū)的年平均沉降速率。中心城市的沉降趨勢與平均速率如圖2所示，底圖為SAR影像平均強度圖，圖中五角星地區(qū)為解算的參考點，A、B、C為沉降中心沉降量較大的點。圖2直觀地展示了中心城區(qū)的地表沉降速率范圍在 0 mm/a與 -29.3 mm/a之間，與已有同類型研究具有相同的沉降分布趨勢與沉降量級范圍[6，15]，表明結果具有可靠性。從監(jiān)測結果來看，該區(qū)中存在一個較大的沉降漏斗，沉降中心位于虹口區(qū)中部，呈南北向喇叭狀，其周邊區(qū)域如閘北區(qū)、楊浦區(qū)、普陀區(qū)和浦東新區(qū)的陸家嘴等地呈現(xiàn)不均勻沉降趨勢，但沉降速率較小，平均小于 13 mm/a。已有的研究資料表明[14，19]，虹口區(qū)近年來受經濟快速發(fā)展、地鐵的修建以及密集的高層建筑、交通與工業(yè)生產產生了極大荷載的影響，造成虹口區(qū)產生沉降顯著。本文結合上海地下水開采與回灌力度(如圖3所示)進一步分析表明，近年來該區(qū)地下水回灌力度較小，也是形成虹口區(qū)顯著沉降現(xiàn)象的因素之一。而楊浦、閘北、普陀等行政區(qū)域在2009年～2010年間地下水回灌力度較大且遠超過開采量，因此沉降速率較小。

圖2 上海市中心城區(qū)形變速率圖

圖3 2009-2010年上海各行政區(qū)地下水開采與回灌量[19]

圖4 上海城郊地區(qū)形變速率圖

圖4展示了周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域的詳細沉降分布情況，五角星區(qū)域為解算參考點，整個區(qū)域的地表沉降速率范圍在 0 mm/a～-25.9 mm/a之間，與已有研究資料相吻合[19]。如圖4所示，空間分布多個沉降區(qū)域，整體呈現(xiàn)顯著的不均勻沉降特性，其中周浦鎮(zhèn)各沉降中心沉降速率較大的點D、E、F、G、H，最大沉降量超過 25 mm/a。從已有的PSI研究資料可知，自2008年以來，上海主要沉降區(qū)域從中心城市向四周移動，形成南以滬昆高速以南的閔行經濟技術開發(fā)區(qū)為中心，西到滬松公路，東到川楊河以南向東延伸到滬南公路[14]。該區(qū)位于滬南公路的周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)，長久以來該地所在的行政區(qū)為上海市地下水開采的主要地區(qū)。結合圖3可知，浦東新區(qū)在2009年和2010年間地下水開采量明顯大于其他各行政區(qū)且遠大于該區(qū)的回灌量，導致沉積層松散土層有效壓力增大而被壓縮變形，引起地面沉降。同時，該區(qū)工業(yè)化發(fā)展和農田灌溉用水增加，多個區(qū)域出現(xiàn)沉降。

4.2 沉降趨勢分析與解釋

本研究區(qū)域分別位于上海市中心城區(qū)與周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)。受地表沉降控制措施的力度不同，其沉降趨勢可能存在明顯的差別。SAR影像波長一定的前提下，地表最大形變監(jiān)測能力為波長的一半，時間采樣頻率越高，則反演的沉降信號中原始信號保留的越完整(具體請參見文獻[20])，所以高重訪率的X波段CSK衛(wèi)星星座影像相比其他C波段和L波段的SAR影像對地表形變的時間采樣率較高，對短時間和規(guī)律性沉降更敏感，因此我們通過高重訪率SAR影像可更好地分析研究區(qū)內的時序沉降演變過程。我們結合Google高分辨率光學影像分析兩地的顯著沉降中心，如圖5和圖6分別為中心城區(qū)虹口區(qū)的沉降漏斗和周浦鎮(zhèn)等郊區(qū)非均勻沉降中心。

圖5 虹口區(qū)沉降中心速率圖

圖6 周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)各沉降中心速率圖

我們分別獲取了位于圖1(b)和圖1(c)中虹口區(qū)沉降漏斗中沉降較大的3個點(A、B、C，如圖5所示)和周浦鎮(zhèn)城郊地區(qū)中5個沉降漏斗中心點(如圖6中所示)的非線性沉降時間序列(方框內的所有點的平均沉降量)。從局部時序監(jiān)測結果來看(如圖7、圖8所示)，虹口沉降中心沉降量顯著，3點具有相同的沉降趨勢。如圖7中顯示，2009年1月～2009年6月各個地區(qū)沉降緩和；2009年7月～2009年12月沉降加速；2010年1月～2010年06月沉降又趨于緩和，即每年上半年沉降趨勢較為緩和，下半年則沉降加劇。為進一步討論這種規(guī)律性沉降趨勢，我們分別以6個月為時間間隔計算了各點的累積形變量，如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)A、B、C三點在2009年7月～12月沉降十分顯著，最大可達 23 mm。而周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)各點在每個時間段內累積沉降量近似相同，沉降趨勢相同。

我們獲取了2009年～2010年上海地下水開采與回灌量信息(如圖3所示)。針對虹口區(qū)這種春冬季節(jié)沉降緩慢，夏秋季節(jié)加速下沉的規(guī)律性現(xiàn)象，產生的原因可能與地下水回灌政策有關。虹口區(qū)中心經濟加速發(fā)展和地表負荷是導致沉降的主要因素，已知資料顯示[14，19]，為了緩和沉降現(xiàn)象，該區(qū)嚴格限制地下水開采，并加大了地下水回灌量；據(jù)歷年上海市水文數(shù)據(jù)顯示[21]，上海市地下水回灌量在1月～5月份較大，沉降趨勢受此政策的影響可能有所緩和[15，22]，據(jù)此推測上海市虹口區(qū)地表形變趨勢呈規(guī)律性變化與地下水回灌政策有強相關性。對于周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域，隨著工業(yè)發(fā)展與農田灌溉的汲取，其地下水開采量遠大于回灌量(如圖3所示)，導致部分地區(qū)呈持續(xù)下沉趨勢。兩研究區(qū)域由于沉降控制措施的力度不同導致不同類型的沉降趨勢，由圖7看出每年1月～5月份回灌量較大時沉降速率趨于平緩，證明沉降控制措施的實施能有效預防及治理地表沉降。值得指出的是，城郊研究區(qū)域的地表沉降可能對該地的地下管線、建筑物安全和交通設施造成破壞(如圖6所示)。

圖7 虹口區(qū)特征區(qū)域沉降時間序列圖

圖8 周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域沉降時間序列圖

各特征點分段累積沉降量 表2

5 結 論

(1)本文選取上海市中心城區(qū)和周浦鎮(zhèn)等城郊地區(qū)為實驗區(qū)，以覆蓋該區(qū)的COSMO-SkyMed影像為數(shù)據(jù)源，使用基于后驗估計的PSI方法分別提取了實驗區(qū)地表沉降信息，與已有PSI資料進行對比，上海中心城區(qū)中虹口區(qū)沉降比較嚴重，最大LOS向沉降速率可達 29.3 mm/a，沉降中心的時序沉降趨勢隨著時間呈現(xiàn)規(guī)律性變化。城郊區(qū)域多地出現(xiàn)不均勻沉降，最大LOS向沉降速率為 25.9 mm/a，據(jù)沉降中心時序沉降量顯示，各沉降中心呈持續(xù)下沉趨勢。

(2)利用高重訪率CSK影像的特性，探討了在沉降控制措施實施力度不同的情況下兩個實驗區(qū)的時序沉降特點，分析上海虹口區(qū)沉降受地表大型建筑物負荷導致顯著沉降，其規(guī)律性沉降受地下水回灌影響。周浦鎮(zhèn)等城郊區(qū)域為上海市主要地下水開采區(qū)，因工業(yè)化發(fā)展和農田灌溉用水增加，致使該地地下水回灌總量遠小于開采量，導致局部呈持續(xù)下沉趨勢。對不同地區(qū)的沉降趨勢進行監(jiān)測可為沉降控制政策的調整與實施提供有效的輔助信息。