常规合成孔径雷达(InSAR)因其主动式微波成像方式，受时间、气候影响小，精度高，已经在火山、冰川、地表、地震、滑坡等多个领域得到卓有成效的应用^[1-2]。目前，多个传感器的成功运行提供了多极化、多分辨率、多波段数据源，进一步促进了InSAR在地学研究的技术创新与应用创新^[3-4]。

继ERS-1、ERS-2、Envisat卫星之后，为满足地球环境及安全的要求，欧空局启动了哥白尼对地观测项目，其中包括欧洲雷达观测系统，即Sentinel-1^[5-6]。Sentinel-1基于C波段，由两个卫星星座组成：Sentinel-1A与Sentinel-1B，重访周期缩短至6 d，多极化、多分辨率的特点为海洋、陆地观测及应急服务方面提供丰富的数据源。

临汾盆地位于山西断陷带南部，属于华北强震区的重点监测范围^[7]。临汾盆地以北为灵石隆起和太原盆地，以南为峨眉台地并相邻于运城盆地，盆地与隆起间有一系列NNE走向和EW走向的正断层，盆地内部还有次一级的断裂。因地下水过度抽取及人类城市化发展，造成地层应力失衡，易引发地面沉降、地震、地裂缝等地质灾害。为掌握此区域的变化信息，有学者^[8-11]根据电磁测深、小震等资料通过沉积物厚度与断陷带沉降之间相关性研究盆地内地震特征。研究地表的形变特征更易获取地质灾害的前兆。常规的大地测量手段，如水准、GPS、测深仪，仅可获取稀疏的地表信息，而临汾盆地属于黄土台地，复杂的地质结构变化并不能够完全反映出来。InSAR技术中，Sentinel-1数据的出现不仅解决了常规InSAR技术时间分辨率较低的缺点，还发挥了监测范围大的优势。有学者^[12-13]利用InSAR技术对此区域进行过很多研究，但都是基于2010年之前数据得到的结果。因此，有必要对临汾盆地的最新形变特征展开研究。

1 数据处理

本文使用升轨Sentinel-1A的Interferometric Wilde(IW)模式，分辨率为5 m×20 m，每个影像由3个子带(sub-swath)组成，每个子带由多个burst组成。从图 1(红色框为path11的Sentinel数据范围，两个边框分别为frame113和frame114)可以看出，研究区位于两个影像的边界，每个宽幅影像幅宽为250 km。为提高处理效率，选择研究区内的sub-swath及burst进行拼接并裁剪。配准时采用基于强度的初配准和谱分解的精配准方法，配准后的SLC影像交叉相乘并去除地形相位解缠获取干涉图φ^{k, l}，在方位向采用去斜改正消除多普勒中心变化大的影响；以方位向6、距离向30的多视操作减弱斑点噪声影响，得到分辨率约150 m的像素大小。

12景影像时间跨度为2015-06-15~2016-06-09，为减弱时空失相干的影响，将时间基线和空间基线分别限制在500 d和200 m，共获取67张干涉图，数据组成及组成的时间和空间基线如图 2所示。

$ {\varphi ^{k, l}} = \varphi _{{\rm{disp}}}^{k, l} + \varphi _{{\rm{atm}}}^{k, l} + \varphi _{{\rm{res, orb}}}^{k, l} + \varphi _{{\rm{lres, top}}}^{k, l} + \varphi _{{\rm{noise}}}^{k, l} $

(1)

式中，k、l为干涉对中的坐标，φ^{k, l}为解缠后的干涉图相位，φ_disp^{k, l}为地表形变相位，φ_atm^{k, l}为大气相位，φ_{res, orb}^{k, l}为残余的轨道误差，φ_{res, top}^{k, l}为残余的高程误差，φ_noise^{k, l}为热噪声及失相干噪声。

式(1)表达了干涉相位的各项组成部分。为得到φ_disp^{k, l}，采用SRTM3的数字高程模型地理编码到SAR坐标系下，改正高程相位和平地相位。由于Sentinel-1卫星运行的轨道控制在半径50 m的管道内，SRTM DEM的绝对误差δh小于16 m^[14]，垂直基线B_⊥误差均小于200 m，考虑到高程误差对相位的影响2B_⊥δh/(Rsinθ)代入传感器获取数据的参数，φ_{res, top}^{k, l}影响项小于1 cm，因此DEM误差可忽略。使用欧空局提供的精确轨道，轨道精度高于5 cm^[15]，φ_{res, orb}^{k, l}影响较小，可忽略。使用goldstein滤波去除噪声，最小费用流方法解缠干涉相位。采用干涉图堆叠技术(stacking)方法来消除在时间上表现随机性的大气误差φ_atm^{k, l}。选择远离形变区域的临汾市参考点，最后得到2015~2016年的年形变速率结果(图 3)，并地理编码到分辨率为90 m×90 m的WGS84地理坐标系。

2 结果分析

图 3中负值代表地表沿着目标与传感器连线向远离卫星的方向运动，整个临汾盆地没有表现出上升的迹象，新绛县西北部存在明显的沉降，并呈现出漏斗形，年形变速率超过40 mm/a，漏斗中心沉降速率超过60 mm/a，而且地表形变与地下水等深线^{[11, 16]}具有一致性，间接反映了地表形变与地下水分布具有较高的相关性，与2009~2010年间的形变^[11]相比范围有所缩小，强度相当。襄汾县没有形变，由于哨兵数据在山区易受大气的影响，还是含有少量的误差。Yang等^[11]使用18景Envisat ASAR影像及小基线技术研究了2003~2006年和2009~2010年两个时间段的临汾盆地和运城盆地形变时间序列，河津北部首先下降后出现上升形变，而本文获取的2015~2016年形变速率解已经没有明显的地表变化信号。

新绛西北部沉降区位于峨眉-紫金山断层和罗云山断层之间。峨眉台地南缘-紫金山断层为正断层，总长130 km，介于运城盆地和临汾盆地之间，属于盆地界线性断层，其地层为砂砾岩。罗云山断裂为临汾盆地平原和山区的分界线，总长145 km，为正断层兼右旋走滑断层，横跨范围较广，各段之间的活动性有较大的差异^[17]，位于研究区域的此段为罗云山山前断裂带中段龙祠-峪口，断层两侧活动性存在有明显的差异、透水性差^[18]。

为了分析形变与断层分布的相关性，分析图 3中沿细长的P-PP剖面上的形变。如图 4所示，断层两侧的形变量出现跳变，断层在地层中阻挡了地下水的水平流通^[16]，使背离形变区域的一侧不再由于地下水的影响使土层收缩。

据2013年统计数据，临汾盆地形变区的尧都区人口达96万^[15]，总数超过全市总人口的1/4，较大的人口密度产生大量的用水需求，结合地下水资源较少并占总用水量的比例超过1/3，使该区域常年处于地下水过度消耗并无序开采的状态，从而改变了地下水资源的正常循环条件，虽已经采取关闭抽水井、减少工业用水等措施，抽水量仍大于注入量，地下水抽取破坏地层的稳定性，土壤的空隙压力变大使透水性降低，地层压缩使地表呈现出漏斗状沉降现象。

尽管地表形变仍在持续，但是范围有所缩小，这主要得益于市政府对水资源的管理，主要措施包括关停用水量大的企业、重视地表水利用、及时监测地下水资源变化并设置警戒线、封闭部分地下井、设置水库储水等，以保证地下水的持续利用。结果显示，2010~2014年地下水开采量持续降低^[17]。

3 结语

1) 欧空局免费提供的哨兵数据为山区形变监测又提供了一个有力的工具，其较短的重访周期及大范围覆盖的优势可发挥重要作用。

2) 临汾盆地的地面沉降主要在新绛县西南部，呈漏斗状分布，沉降中心的沉降速率在视线向超过60 mm/a，与2010年观测结果的沉降强度类似，但是范围有所缩小。

3) 新绛县西南部的地面沉降模式与地下水分布极为相似，并伴有断层作用，可推测引发地面沉降主要由地下水抽取和断层的综合影响导致。

4) 此结果为年形变速率，反映了2015~2016年的整体结果，并不能反映出季节性的形变特征，还需要进一步求解时间序列来详细探讨地表形变与季节性降水和抽水之间关系。

致谢 感谢欧空局免费提供哨兵数据！