利用雙極化Sentinel-1數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)城市地面沉降
——以上海市為例

熊佳誠(chéng)，聶運(yùn)菊，羅 躍，李永飛

(東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

地面沉降是由人類活動(dòng)和自然因素導(dǎo)致地面高程降低的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境問題，主要發(fā)生在城市、礦區(qū)等人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域。國(guó)內(nèi)很多城市和地區(qū)都發(fā)生過不同程度的地面沉降，如北京、西安、成都等[1-3]。位于長(zhǎng)江入?？诘纳虾＃捎谔厥獾牡刭|(zhì)環(huán)境與頻繁的人類活動(dòng)，極易發(fā)生地面沉降。文獻(xiàn)[4—7]基于合成孔徑雷達(dá)干涉(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)對(duì)上海市地面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示上海市內(nèi)多個(gè)地區(qū)出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。

在InSAR中，雷達(dá)天線通過向地面發(fā)射電磁波并接收由地面反射的回波得到地面信息。極化作為矢量波共有的一種性質(zhì)，反映了電磁波的矢量特性[8]，在獲取地面信息中占有重要地位。同一地區(qū)，不同極化方式得到的遙感影像包含的地面信息會(huì)有差異；不同極化信號(hào)對(duì)不同土地類型的敏感度也會(huì)有差異，這些差異在一定程度上將影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性。多數(shù)學(xué)者在監(jiān)測(cè)地面沉降時(shí)只利用單極化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并未考慮不同極化方式對(duì)所得研究區(qū)地面信息差異的影響。

針對(duì)以上問題，本文利用Sentinel-1雙極化數(shù)據(jù)對(duì)上海市城區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到2017—2018年間上海市城區(qū)地面沉降速率與分布，分析兩種極化方式在監(jiān)測(cè)城市地面沉降中的差異，并與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到適合城市地面沉降監(jiān)測(cè)的極化方式，為今后監(jiān)測(cè)城市地面沉降的極化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備提供選擇依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究方法

1.1.1 短基線集技術(shù)

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力，且工作量大，速度慢，難以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)效性。InSAR技術(shù)憑借低成本、效率高、范圍大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地面沉降。基于InSAR技術(shù)的短基線集(small baseline subset,SBAS)技術(shù)[9]克服了基線失相干[10]的影響，在提高精度的同時(shí)延長(zhǎng)了監(jiān)測(cè)的時(shí)間范圍是目前監(jiān)測(cè)城市、礦區(qū)等地面沉降的主要方法。

短基線集技術(shù)通過結(jié)合已有影像數(shù)據(jù)，對(duì)所有干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉，通過查看每組相干系數(shù)圖的相干性移除低相干對(duì)，使用GCP控制點(diǎn)去除相位坡道；并根據(jù)SVD法反演估算形變速率[11]，去除殘余地形；最終將所有生成結(jié)果進(jìn)行地理編碼，得到研究區(qū)的形變速率與分布。

1.1.2 極化方式

衛(wèi)星雷達(dá)天線在發(fā)射與接收電磁波信號(hào)的過程中，若其電磁波在水平方向上振動(dòng)，稱為水平極化(H)；若在垂直方向上振動(dòng)，稱為垂直極化(V)(如圖1所示)。因此，雷達(dá)遙感系統(tǒng)通常包含4種極化方式[12]：信號(hào)水平發(fā)射水平接收(HH)、信號(hào)垂直發(fā)射垂直接收(VV)、信號(hào)水平發(fā)射垂直接收(HV)、信號(hào)垂直發(fā)射水平接收(VH)。前兩者為同向極化，后兩者為異向極化。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文以Sentinel-1A寬幅干涉模式(interferometric wide swath,IW)雙極化(VV,VH)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。Sentinel-1A衛(wèi)星搭載C波段合成孔徑雷達(dá)[13]，有4種成像模式：寬幅干涉模式、條帶模式(strip map mode,SM)、超寬幅模式(extra wide swath,EW)和波模式(wave mode,WV)。4種成像模式的具體參數(shù)見表1。IW與EW模式采用步進(jìn)的條帶掃描方式(terrain observation with progressive scans SAR,TOPSAR)[14]將3個(gè)子條帶合并成一景影像，能夠在保證分辨率的前提下提高對(duì)地面的覆蓋范圍，解決了傳統(tǒng)ScanSAR的圖像不均勻問題[15]，是陸地覆蓋區(qū)域的主要成像模式。除影像數(shù)據(jù)外，還包括精密定軌星歷數(shù)據(jù)和SRTM4DEM數(shù)據(jù)，分辨率為5 m×5 m。

表1 4種成像模式基本參數(shù)

研究區(qū)影像覆蓋范圍與區(qū)域放大圖如圖2所示，中心經(jīng)緯度分別為31°14′N和121°27′E，時(shí)間跨度為2017年8月—2018年8月。區(qū)域放大圖中疊加有用于驗(yàn)證的10個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的分布情況。表2為兩種極化數(shù)據(jù)的基本參數(shù)，從表2可以發(fā)現(xiàn)時(shí)間基線與空間基線不受極化方式的影響，存在差異的原因與數(shù)據(jù)包含的地面信息有關(guān)。

表2 影像數(shù)據(jù)基本參數(shù)

2 雙極化數(shù)據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 地面沉降現(xiàn)狀分析

對(duì)兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行短基線集處理，獲得上海市城區(qū)2017年8月—2018年8月地面沉降速率圖(如圖3、圖4所示)。從圖中可以看出，研究區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)VV極化數(shù)據(jù)年平均沉降速率主要集中在-5.68～5.45 mm/a，最大年平均沉降速率為-31.67 mm/a；VH極化數(shù)據(jù)年平均沉降速率集中在-6.73～7.32 mm/a，最大年平均沉降速率為-31.32 mm/a。兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果均顯示，研究區(qū)地面在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)整體呈現(xiàn)小幅沉降，部分區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的地面沉降及小幅度的地面抬升。

從發(fā)生地面沉降與抬升的區(qū)域可以看出，兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的范圍大致相同(如圖5所示)。在沉降區(qū)中，虹橋機(jī)場(chǎng)周邊沉降區(qū)面積最大，約為52.9 km2； 北郊站周邊沉降區(qū)面積約為22.8 km2； 白楊路周邊居民區(qū)沉降面積約為6.9 km2。在抬升區(qū)中，上海南站周邊抬升區(qū)面積最大，約為48.6 km2；靜安區(qū)政府周邊抬升區(qū)面積約為6.30 km2；浦東新區(qū)政府東北方向抬升區(qū)面積約為9.52 km2。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果差異分析

盡管兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果在沉降趨勢(shì)與形變區(qū)范圍上大致相同，但整體沉降速率仍有偏差。圖6為4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果中各自的沉降量時(shí)間序列變化情況。從圖中可以看出，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沉降變化趨勢(shì)大致相同，但在各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻上的沉降量不同。同時(shí)，從圖7中可以看出，與VV極化數(shù)據(jù)相比，VH極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在大量空值，在圖中表現(xiàn)出監(jiān)測(cè)結(jié)果的區(qū)域整體性不如VV極化數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)除黃浦江和部分植被覆蓋區(qū)外，主要為高相干性的人工建筑物，監(jiān)測(cè)結(jié)果不應(yīng)出現(xiàn)大范圍空值。在短基線集技術(shù)中，每組干涉對(duì)分別進(jìn)行差分干涉處理，生成的相干系數(shù)圖、解纏圖作為下一步移除相位坡道并得到最終結(jié)果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，對(duì)兩種極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異分析主要集中在對(duì)相干系數(shù)圖和解纏圖的差異分析。

通過提取兩種極化數(shù)據(jù)各78對(duì)干涉對(duì)相干系數(shù)，從圖中的相干值分布(如圖8所示)可以發(fā)現(xiàn)，VV干涉對(duì)相干性總體優(yōu)于VH干涉對(duì)。查看每幅干涉圖的相干值，VV干涉對(duì)均高于VH干涉對(duì)，平均每幅相干值高出0.059。在相干性較高的城市區(qū)域內(nèi)VH極化數(shù)據(jù)相干性整體偏低，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

監(jiān)測(cè)結(jié)果中點(diǎn)值是否為空取決于解纏后該點(diǎn)像素是否有效。將78對(duì)干涉對(duì)按照主影像序號(hào)分為12組，從提取12組干涉對(duì)兩次解纏后的有效像素?cái)?shù)平均值(如圖9所示)可以發(fā)現(xiàn)，VH極化數(shù)據(jù)干涉處理后的有效像素?cái)?shù)明顯少于VV極化數(shù)據(jù)。在一次解纏與二次解纏后，VV解纏圖有效像素?cái)?shù)比VH解纏圖平均每幅高出337 071、338 887個(gè)。VH極化數(shù)據(jù)有效像素?cái)?shù)過少是導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)大量空值的主要原因。

2.3 精度分析

為了評(píng)價(jià)兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，將2007—2012年上海市水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與本次研究結(jié)果進(jìn)行分析。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與水準(zhǔn)點(diǎn)位置通常不一樣， 為了與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，基于最鄰近監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果估計(jì)垂直向形變速率并與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。表3為兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，從表3可以發(fā)現(xiàn)，與VH極化數(shù)據(jù)相比，VV極化數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏差值更穩(wěn)定。計(jì)算兩種極化數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的均方根誤差，得到VV極化數(shù)據(jù)均方根誤差為5.85，VH極化數(shù)據(jù)均方根誤差為7.60，說明了VV極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果比VH極化數(shù)據(jù)更可靠。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)雙極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)城市地面沉降，采用13幅2017年8月—2018年8月Sentinel-1A VV、VH極化數(shù)據(jù)對(duì)上海市城區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到基于兩種極化數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。通過分析兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果在研究區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的沉降速率、沉降分布、時(shí)序變化，以及在差分干涉過程中生成的相干系數(shù)圖與解纏圖，得出兩種極化數(shù)據(jù)在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中的區(qū)別。結(jié)果表明，雖然兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果均顯示研究區(qū)地面存在部分沉降與抬升的形變區(qū)，且形變區(qū)范圍大致相同，但具體的沉降速率存在偏差，同時(shí)，VH極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在大范圍空值。在相干系數(shù)圖的相干性與解纏圖的有效像素?cái)?shù)方面，VV極化數(shù)據(jù)干涉對(duì)均高于VH極化數(shù)據(jù)，VH干涉對(duì)有效像素?cái)?shù)過少是導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)大范圍空值的主要原因。將兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，VV極化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏差更小。以上分析結(jié)果表明，VV極化數(shù)據(jù)相較于VH極化數(shù)據(jù)更適合應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測(cè)。

表3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)沉降速率比較 mm/a