基于DS-InSAR 技術的西寧市地表沉降監測

徐秀杰，陳 冬

（1.莆田學院土木工程學院，福建 莆田 351100；2.莆田市水利工程質量監督站，福建莆田351100）

隨著我國經濟社會的飛速發展和城鎮化進程的不斷加速， 越來越多的超高層建筑及大型工程建設項目不斷涌現，城市地面沉降災害頻頻發生，給人們的生命和財產安全構成嚴重威脅，對城市未來的經濟發展、工程建設、交通、生活等多方面都產生嚴重影響［1］。 地表沉降誘發因素較多，其中地表荷載是城市變形沉降的一個主要因素。 傳統的測量技術監測效率低、成本高、工作任務繁重，難以實現大范圍、高密度、長時間的動態地面變形監測。 而采用InSAR （Interfermetric Synthetic Aperture Radar） 空間對地觀測技術不僅能夠對大范圍地表進行形變監測， 而且具有較高的時間分辨率和觀測精度［2］，因此被廣泛應用在城市變形監測中［3］。

西寧市的巖土類型主要是黃土、泥巖、砂巖、石膏巖等松散的礫石土。該地區地質構造復雜，作為青藏高原向內陸擴張的前緣部分，構造活動劇烈，地質災害頻頻發生， 這些特點使西寧市成為我國地質災害隱患較嚴重的省會城市。 近年來， 有很多學者利用InSAR、GNSS 等地面沉降監測技術對西寧市地表進行沉降監測。王新玲等［4］采用DS-InSAR 技術對鄆城礦區地表進行沉降監測，確定了主要形變地區和形變程度。王星等［5］采用DS-InSAR 技術對曹妃甸沿海地區的地表進行沉降變形監測，得到了該區域地表形變情況。 曾學宏等［6］采用SBAS-InSAR 技術基于Sentinel-1A 影像數據對2017 年4 月至2021 年2 月的西寧市城市地表進行沉降監測，并分析其沉降驅動因素。本文基于西寧市2020 年9 月至2022 年8 月的58 景Sentinel-1A 影像數據， 采用DS-InSAR 技術對西寧市的地表沉降進行監測，并對重點沉降地區進行沉降成因分析。

1 研究區域及數據源

1.1 研究區域

西寧市地處青海省東北部，地理坐標為經度101°20′00″-102°00′00″E 和緯度36°20′00″-31°00′00″N。呈東西向條帶形狀，地勢呈現西南較高、東北較低的形態。 四周群山環繞，氣候較干旱，年平均降水量約為380 mm，巖土類型主要有黃土、泥巖、砂巖、石膏巖等。 本文研究區域主要以西寧市市區為主， 包含城北區、城東區、城西區、湟中區和城中區，研究區域分布如圖1 所示。

圖1 研究區域

1.2 數據源

本文采用2020 年9 月—2022 年8 月西寧市5 個城區共58 景的Sentinel-1A 數據進行西寧市地表沉降變形監測，Sentinel-1A 數據來源于歐空局（ESA）發布的衛星升軌數據，所采用的Sentinel-1A 影像的極化方式為VV+VH，數據的成像模式為IW，空間分辨率為方位向13.97 m 和距離向2.32 m，數據類型為SCL，影像入射角為33.7°，重訪周期為12 天，數字高程模型采用美國國家航空航天局提供的SRTM DEM 數據， 分辨率為30 m［7］。 影像具體參數如表1 所示。

表1 研究區域影像參數

2 研究方法

針對西寧市2020 年9 月—2022 年8 月的58 景影像數據采用DS-InSAR 技術進行數據處理， 其主要處理流程如下：

（1）將歐空局（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載的Sentinel-1A 58 景影像依據擬定的研究區域進行裁剪，并選取2021 年9 月7 日的影像為主影像，組成58 幅時間序列差分干涉像對。

（2）將時間基線閾值設置為36 d，空間基線閾值設置為200 m,對影像進行差分干涉處理，得到158 對小基線差分干涉集， 其基線分布如圖2所示。

圖2 DS-InSAR 基線分布

（3） 對強度影像采用FaSHPS 方法進行同質點的識別，選取DS 候選點，利用相干矩陣分解法做相位優化［8-9］，則分布式目標的相干性矩陣可表示為，即

式中：向量y是N 景SAR 影像的分布式目標同質點通過復數觀測向量振幅歸一化處理獲得的向量y=[y1,y2, …,y]；NSHPS為分布式目標同質點的數目；H 為厄密特共軛轉置［10］。 將式（1）進行特征值分解可得

（4）利用30 m 分辨率的DEM 數據去除平地相位，然后采用自適應干涉相位方法進行濾波， 并進行相位解纏和相干性計算。

（5）相位解纏處理，并對殘余的變形及殘余相位進行剔除處理。

（6）進行地理編碼，獲取研究區域的地表時序形變結果。

依據圖3 所示的處理流程， 將研究區域的影像數據采用DS-InSAR 技術進行數據處理，并提取西寧市地表沉降時序信息，共選取了1 904 163個相干點。將DSInSAR 技術獲取的西寧市地表年平均沉降量去除殘余地表形變和殘余變形信息， 分析地表的時序沉降序列的沉降規律。

圖3 DS-InSAR 處理流程

3 西寧市地表沉降結果及驅動因素分析

3.1 DS-InSAR 時序監測結果

西寧市沉降變形區域主要集中在高速、大型廠房附近，為了更直觀、準確分析研究區域內的地表沉降情況， 在該研究區域內選取A、B、C、D 4 個特征區域進行研究分析。 如圖4 所示，A 區域特征點位于西寧繞城高速附近，B 區域特征點位于京藏高速附近，C區域特征點位于西塔高速公路附近，D 區特征點位于西寧南繞城高速附近。

圖4 西寧市地表沉降速率與特征點分布

其主要沉降區域分布在市區周邊高速公路附近，城區沉降主要體現在國際街社區、大眾街社區及西寧市生產力促進中心附近，沉降速率大部分為10～19 mm/a，最大沉降速率為大眾街社區鳳凰山路附近， 達到30 mm/a。 市區周邊西寧南繞城高速附近沉降范圍較大，最大沉降速率達到62 mm/a，大部分區域沉降速率達到20～40 mm/a。 城北區地表沉降變形范圍較小，主要變形區域集中在京藏高速附近，最大沉降速率為52 mm/a。 城西區變形較多，主要變形區域為西寧市繞城高速與西塔高速交接區域，沉降速率最大值為47 mm/a，此外，該區域火燒溝附近整體形變速率為20～30 mm/a。 城中區有兩處明顯變形區域， 其中西塔高速附近最大沉降速率為41 mm/a。

3.2 西寧市地表沉降結果分析

根據上述監測數據， 繪制4 個特征區域沉降與高清影像疊加圖（圖5）。 由圖5 可知，A 區位于西寧南繞城高速沈家溝附近， 由于該區附近有磚廠及倉儲公司，導致地表荷載較大，加之特殊的濕陷性黃土地質條件，導致該區域產生沉降，地表沉降平均速率最大達47 mm/a，沉降區域正上方建有停車場， 該處沉降具有線性下降的趨勢。B 區位于京藏高速旁的崖溝處，崖溝附近為階梯田，且地質為濕陷性黃土，農田灌溉及特殊的地質條件導致該區域出現持續沉降的情況， 其沉降平均速率達到52 mm/a，存在滑坡的潛在危險；其地理位置位于京藏高速旁，其下方為馬坊鎮，正處于人口密集的住宅區。C 區位于西塔高速附近，該沉降區位于階梯田上。D區位于西寧南繞城高速附近， 該區域市區地面有明顯沉降，主要沉降位置位于鳳凰山路附近，主要因素為該路段道路工程施工建設產生的附加荷載及土體自重等導致濕陷性黃土結構穩定性遭到破壞；此外，該區域和盛園、和盛路段附近也有明顯沉降，其沉降可能是盛園三期134 號樓附近2021 年新增建筑項目，建筑荷載增加和相應工程基坑開挖及工程降水措施導致地表土體原始結構遭到破壞， 引起周圍建筑物產生不均勻沉降及相應的地表沉降效應。

圖5 形變區域與高清影像疊加圖

4 結論

本文采用DS-InSAR 技術對2020 年9 月至2022年8 月覆蓋青海省西寧市的58 景Sentinel-1A 數據進行形變監測處理， 獲取了西寧市研究時段內的地表沉降年平均變化率及其變化特征， 并對重點沉降區域進行成因分析，得出以下結論。

（1）西寧市地表沉降特征明顯，研究區域范圍內主要存在4 處變形較大的區域， 城東區西寧南繞城高速附近最大沉降速率為62 mm/a， 其他區域形變大部分沉降率為16～46 mm/a，且存在持續沉降變形趨勢。西寧市地表變形區域位于高速公路、火車站及居民區較近。

（2）結合地質信息及地表荷載分布變化可知，西寧市地表沉降主要與其地表濕陷性黃土土層遇水后土壤結構迅速遭到破壞有關，此外，西寧市地表沉降與西寧市各種土建工程也有很大的關系， 尤其是與高速公路建設、大型工業園及廠房等大型工程建設有關。