作品编号：D9（三等奖）
作品名称：基于Sentinel-1A影像与InSAR技术的杭州青山湖区域沉降研究
作者单位：浙江农林大学环境与资源学院
小组成员：王琛，王建树，江豪杰
指导老师：陈永刚
1 应用背景
1.1 社会痛点
地面沉降是指在人类工程经济活动影响下的地壳表面标高缓慢降低的现象，是一种慢性的地质灾害。据相关数据统计，截至2015年底，全国已有21个省（直辖市）102个地级以上城市发生地面沉降，地面沉降严重区（地面沉降速率大于50mm/year）的面积1.24×104km2累计地面沉降量大于200mm的区域面积约9.20×104km2。
城市建设与地面沉降构成了一对矛盾。随着我国城市现代化水平的不断提高，高楼大厦拔地而起，地铁线路贯通全城。在城市居民生活质量不断提高的同时，地面超负荷建设与地下工程的过度凿挖也诱发了明显的地面沉降现象，威胁着人们的生产生活安全。
1.2 社会需求
城市地面沉降的监测与预警对保护大众的生命财产安全、保障社会生产生活有序进行有着重要的意义。本次项目的研究区域位于浙江省杭州市的青山湖区域（119° 35' 26"E~119° 58' 28"E，30° 11' 26"N~30° 23' 25"N），该区域以其优美的生态环境和旖旎的山水风光，成为近年来杭州西部开发的热点区域，环湖（青山湖）现代化城市建设与杭州地铁地铁16号线建设进程不断加快。现如今，地铁已经通车，环湖高楼不断建设，区域地面沉降现状也就成了我们需要关注的问题之一，产生了对城市地面沉降的监测与预警的需求。
2 应用目标
为满足杭州市青山湖区域地面沉降监测与预警的需求，项目团队利用2019年内的29景Sentinel-1A雷达卫星SAR影像，依托ENVI平台与SARscape，结合InSAR技术与空间分析技术对研究区域进行地面沉降监测与时序分析，进而得到杭州地铁16号线沿线的地面沉降状况并对监测区域2019年的地面沉降进行风险分级评估。
3 研究成果
3.1 成果概述
通过对研究区域InSAR面沉降监测结果的分析，团队成员有如下成果：
（1）研究区域地面沉降速率最大值可达49.2316mm/year（未排除农田耕作与工地土块挖方所造成的影响）。临安主城区四周、杭州青山湖科技城、余杭区南湖公园周边环湖建筑群均出现了大面积且空间连续的地面沉降现象，与研究区域内的城市高层建筑空间分布具有相关性。
（2）研究过程中，对部分在建与已建的不同类型建筑进行时序分析，发现高层建筑下方地面沉降速率要大于普通低矮建筑。同时，建筑密度（单位土地上的建筑数量）也会在一定程度上加快地面沉降速率。
（3）通过对杭州地铁16号线沿线SBAS-InSAR与PS-InSAR两种不同监测结果的比较分析，发现研究区域内的大部分站点均发生了不同程度的地面沉降现象，少部分站点出现的地面抬升现象认为是地面工程建设造成的影响。同时，利用杭州地铁16号线沿线50米范围内的PS点进行克里金空间插值分析，得到16号线周边50米范围内的地面沉降速率栅格，最快沉降速率可达22.8575mm/year，主要发生在农林大学站与青山湖科技城站之间。
（4）项目团队参考《浙江省地质灾害危险性评估规范（发布稿）DB33/T881-2012》，利用SBAS-InSAR监测结果进行2019年杭州市青山湖区域地面沉降风险评估，利用可视化的方式展现区域内的地面沉降低风险(velocity<10mm/year)、较低风险(10≤velocity<20 mm/year)、中风险(20≤velocity<30mm/year)、较高风险(30<≤velocity≤40mm/year)、高风险地区(velocity>40mm/year)，直观地展现不同风险的地面沉降空间分布，服务大众创造社会价值。统计结果显示，研究区域内沉降低风险地区面积为115.563km2，占沉降总面积的91.35%；较低风险地区面积为8.922km2，占沉降总面积的7.05%；中风险地区面积为0.383km2，占沉降总面积的1.11%；较高风险地区面积为0.383km2，占沉降总面积的0.30%；高风险地区面积为0.236km2，占沉降总面积的0.19%。总体来看，研究区域现存沉降现象突变成灾害的风险小，但对局部评级在中风险及以上地区需要查明造成或影响沉降监测结果的原因并加强管控。
3.2分析与制图
（详见《基于Sentinel-1A影像与InSAR技术的杭州青山湖区域沉降研究图册》文件）
4 关键技术
干涉雷达(InSAR)技术是本项目使用的关键技术。InSAR技术是传统的SAR遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物，是目前行业内成熟高效的空间对地观测技术。通常，获取的SAR影像包含了获取时探测物的强度信息以及在进行探测时的相位信息。InSAR技术在不同时间利用雷达向同一目标区域发射微波，然后接收目标反射的回波，得到同一目标区域成像的SAR复图像对，若复图像对之间存在相干条件，SAR复图像对共轭相乘可以得到干涉图，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化。常用的InSAR方法有D-InSAR、PS-InSAR与SBAS-InSAR，在本项目中均有体现。
4.1 D-InSAR
D-InSAR即差分干涉测量技术。它是利用同一地区两幅不同时相的SAR影像，通过差分干涉，获取该地区地表形变信息的技术手段。D-InSAR一般用于如地震等造成的明显的地表形变。
实验中，选取研究区域2019年1月5日与2019年12月31日的SAR影像进行D-InSAR处理获取地面形变的真实值，从而确定研究区域内由工程建设造成的土块堆积与挖方状况，用于后续处理结果的解释。
4.2 PS-InSAR
PS-InSAR即永久散射体干涉测量技术。PS（永久散射体）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，如建筑物与构筑物的顶角、桥梁、栏杆、裸露的岩石等。通常，PS-InSAR技术适用于城市乡镇等植被覆盖率低的地区，可以用于缓慢性质的地表形变监测，适合地铁等线性交通工程的沉降研究。
实验中，选取研究区域2019年内共计29幅SAR影像进行PS-InSAR处理得到大量PS点，利用这些PS点可对目标点进行时序分析。利用杭州地铁16号线沿线两侧50米的缓冲区提取PS点，对这些提取的PS点利用普通克里金算法进行空间插值得到地铁沿线周边50米范围内的2019年地面沉降速率状况。
4.3 SBAS-InSAR
SBAS-InSAR即小基线集干涉测量技术。该技术与PS-InSAR类似，都能用于缓慢性质的地表形变监测，虽然测量精度于PS-InSAR而言稍显逊色，但同时适用于城市区域和自然表面，并且能够得到更加连续的形变图而具有更好的适用性。
实验中，选取研究区域2019年内共计29幅SAR影像进行SBAS-InSAR处理，利用得到的沉降监测结果对部分建筑进行时序分析并对研究区域进行基于沉降速率的沉降风险评估。
5 主要技术流程
5.1 项目总体技术流程
5.2 D-InSAR技术流程
5.3 PS-InSAR技术流程
5.4 SBAS-InSAR技术流程
