基于InSAR技術(shù)的珠三角地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用

張杏清

（1.廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800）

基于InSAR技術(shù)的珠三角地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用

張杏清1

（1.廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800）

運(yùn)用InSAR技術(shù)開展珠三角地面沉降監(jiān)測(cè)，研究其產(chǎn)生的機(jī)理、發(fā)展趨勢(shì)和防治措施,就該區(qū)運(yùn)用InSAR技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取地表沉降動(dòng)態(tài)結(jié)果，進(jìn)一步研究了在植被覆蓋密度大及水網(wǎng)密布區(qū)域開展InSAR監(jiān)測(cè)的規(guī)律和特性，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，分析了地表沉降的主要原因。

珠三角；地面沉降；InSAR；監(jiān)測(cè)

InSAR 是近年發(fā)展起來的一種先進(jìn)的遙感技術(shù)[1-5]，具有方便快捷、覆蓋范圍廣、空間分辨率高、不受云層干擾等特點(diǎn)。目前，InSAR主要應(yīng)用于DEM的生成（m 級(jí)精度）和高精度地表形變的監(jiān)測(cè)[6,7]（mm～cm 級(jí)精度）。近幾十年來，InSAR 技術(shù)一直是國(guó)際遙感研究的熱點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于大面積的地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。為準(zhǔn)確把握珠三角地區(qū)地面沉降動(dòng)態(tài)，為政府制定具體防治措施和保證重要大型工程項(xiàng)目的建設(shè)安全，更好地為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，運(yùn)用InSAR技術(shù)實(shí)施了該地區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

珠江三角洲平原位于廣東省中南部，是我國(guó)東南沿海河口區(qū)域最大的三角洲平原，是華南地區(qū)改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)，形成了以廣州、深圳、珠海為中心的城市群，包括中山、佛山、江門、肇慶、東莞、惠州等市，面積約10 000 km2。珠江三角洲呈倒置三角形，北江、東江、西江和珠江三角洲諸河構(gòu)成珠江水系，形成河網(wǎng)密布、水道縱橫交錯(cuò)的水網(wǎng)，水塘澤地星羅棋布。地貌類型以三角洲平原為主體，三角洲前緣及西北部有低山、丘陵分布，中部則綴有零星低丘及臺(tái)地，珠三角地處低緯南亞熱帶，屬亞熱帶典型的季風(fēng)氣候，溫暖潮濕，雨量充沛，植被茂盛，珠三角平原廣泛分布數(shù)米乃至數(shù)10 m的高壓縮淤泥及淤泥質(zhì)軟土。

2 InSAR技術(shù)原理

圖1顯示了InSAR技術(shù)測(cè)量地面沉降的基本原理[4,6,7]，隨著時(shí)間的變化，地面沉降為2次SAR成像中的斜距差δR（δR=R2- R1）。

圖1 InSAR技術(shù)測(cè)量地面沉降的基本原理示意圖

根據(jù)干涉測(cè)量原理，InSAR的干涉相位表示為:

式中，φfat、φtop、φdef、φatm和φnoi分別為平地相位、地形相位、形變相位、大氣延遲相位以及隨機(jī)相位噪聲；λ 為雷達(dá)波長(zhǎng)；R1和R2分別為主從影像斜距。

根據(jù)軌道信息結(jié)合外部DEM（如SRTM、ASTER GDEM等），可以計(jì)算出平地相位和地形相位，即

式中，B為干涉空間基線長(zhǎng)度；α為基線與水平方向的夾角；θ0為雷達(dá)視線的名義側(cè)視角（即相對(duì)于參考橢球面的側(cè)視角）；B‖0和B⊥

0分別為名義平行基線和垂直基線；h為地面點(diǎn)高程。

而對(duì)于大氣延遲相位φatm則通過外部水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，或者是通過空間維低頻濾波的方法進(jìn)行估計(jì)，得到其估計(jì)值φ^atm并去除。而隨機(jī)相位噪聲φnoi分別為平地相位、地形相位、形變相位、大氣延遲相位，采用空間維相位降噪的方法去除。最終，將φfat、φtop、φatm和φnoi從式（1）中減去，即得到形變相位的估計(jì)結(jié)果：

通過式（4）可以計(jì)算得到地表形變引起的斜距差。通常城市區(qū)域的地表形變以沉降為主，如果不考慮水平方向的移動(dòng)，則地面沉降Δ h為：

式中，θ為雷達(dá)入射角。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)

根據(jù)珠三角地區(qū)數(shù)據(jù)的存檔情況，選取了C波段的ENVISAT/ASAR影像，從2007～2014年不同時(shí)間段選取了不同的數(shù)據(jù)源。2007-04～2009-09之間選取Track 297 Frame 441和459的36景，2003-04～2009-12之間選取Track 175 Frame 441的33景ENVISAT/ ASAR影 像， 另 一 種 是TerraSAR影 像：2014-05～2014-07之間的11景TerraSAR影像，4個(gè)分幅覆蓋珠三角監(jiān)測(cè)區(qū)域。C波段（波長(zhǎng)5.6 cm）和X波段（波長(zhǎng)3.2 cm）的雷達(dá)影像具有波長(zhǎng)短監(jiān)測(cè)精度高的特點(diǎn)，比較適合城市區(qū)域的地表形變分析。數(shù)據(jù)情況如圖2所示。

圖2 ENVISAT/ASAR與TerraSAR影像覆蓋圖

圖2a是ENVISAT/ASAR影像在珠三角區(qū)域的覆蓋圖，其中紅色覆蓋區(qū)域?yàn)閷⒁O(jiān)測(cè)的區(qū)域，每個(gè)紅色矩形框（即每個(gè)Frame）覆蓋為100 km×100 km；圖2b是TerraSAR影像在珠三角區(qū)域的覆蓋圖，其中藍(lán)色矩形框?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)TerraSAR影像覆蓋，每個(gè)藍(lán)色矩形框（即每個(gè)Frame）覆蓋為30 km×50 km。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

雖然珠三角地區(qū)城市化程度高、建筑物密集、地物的散射特性好，但由于珠三角地區(qū)雨量充沛、氣候適宜、土質(zhì)肥沃，造就了植被覆蓋率相當(dāng)高，加之河網(wǎng)密布、魚塘多，形成了相對(duì)較為特殊的地表環(huán)境，因此在數(shù)據(jù)處理（尤其是對(duì)TerraSAR數(shù)據(jù)）時(shí)需要進(jìn)行精細(xì)的誤差去除。結(jié)合采用的數(shù)據(jù)情況，項(xiàng)目采用GAMMA軟件進(jìn)行SAR影像處理，包括影像拼接、影像配準(zhǔn)、影像重采樣、生成干涉圖、去除平地相位和地形相位、相位解纏以及生成形變圖等，同時(shí)采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件包去除大氣延遲誤差以及基準(zhǔn)統(tǒng)一處理，數(shù)據(jù)處理具體方法步驟如圖3所示。

圖3 InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)處理過程的關(guān)鍵是相位誤差處理：對(duì)于軌道誤差的處理，采用全局多項(xiàng)式擬合方法去除該誤差；對(duì)于大氣延遲誤差的處理，根據(jù)大氣誤差在空間維屬于低頻的這一特征，同時(shí)假定區(qū)域內(nèi)地面沉降的空間維尺度不超過一定的范圍，且假定大氣誤差的尺度大于地面沉降空間范圍的尺度。根據(jù)這些假定，采用局部濾波的方法去除大氣延遲誤差，從而得到形變信號(hào)占主導(dǎo)的解纏相位圖。

3.3 數(shù)據(jù)處理方案

由于珠三角區(qū)域影像覆蓋范圍大，直接用PS-InSAR的方法處理整個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)將極為耗時(shí)，另外一般而言地面沉降出現(xiàn)的區(qū)域也會(huì)因地域不同而有所差異。故采用兩級(jí)分辨率處理策略：首先運(yùn)用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行形變概略分析（空間分辨率在90 m左右，ASAR影像4×20多視），獲得大尺度全覆蓋的平均形變速率圖。通過該平均形變速率圖可以提取和識(shí)別重點(diǎn)形變區(qū)域的位置和形變速率，為下階段的PS-InSAR精細(xì)處理提供依據(jù)。另外，SBAS-InSAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以極大限度地克服時(shí)間和空間去相干的影響，同時(shí)由于空間分辨率的降低也減輕了數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量和復(fù)雜度。其次,根據(jù)SBAS-InSAR形變概查分析的結(jié)果，選取重點(diǎn)沉降區(qū)域，運(yùn)用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行局部高空間分辨率分析，獲取高空間分辨率（約20 m）的地表形變序列。對(duì)于城市區(qū)域，運(yùn)用傳統(tǒng)PS-InSAR技術(shù)獲取地表時(shí)間序列形變是容易實(shí)現(xiàn)的；對(duì)于非城市區(qū)域利用Delft大學(xué)Hooper教授公開的StaMPS軟件進(jìn)行處理，該軟件算法最初是運(yùn)用于火山區(qū)域的形變監(jiān)測(cè)，近年該軟件算法又結(jié)合了部分SBAS-InSAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使該軟件算法不僅適用于城市區(qū)域，而且對(duì)于非城市區(qū)域也有較好的適應(yīng)性。通過該種數(shù)據(jù)處理流程和策略，應(yīng)該完全可以滿足本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)果分析

本項(xiàng)目中運(yùn)用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)珠江三角洲地區(qū)2007～2014年將近7 a的年平均沉降量，獲得了監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表形變速率圖、局部形變區(qū)域的形變序列，同時(shí)運(yùn)用水準(zhǔn)測(cè)量、GPS觀測(cè)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)沉降區(qū)域（中山、珠海、南沙等地區(qū)）的沉降變化，本文選取2012-12～2013-06約半年的2種方法監(jiān)測(cè)的地面沉降量作對(duì)比分析。雖然3種地面沉降監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)時(shí)間上存在不一致性，但能在一定程度上反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體沉降趨勢(shì)。

圖4展示了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果。從沉降曲線圖可知，在大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)上GPS和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相差在15 mm內(nèi)。由于GPS測(cè)量受環(huán)境等因素影響，個(gè)別點(diǎn)沉降量相差較大，總體而言，GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符。

圖4 GPS監(jiān)測(cè)和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)沉降量曲線圖

對(duì)照重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)沉降等值線圖，由于InSAR適合城市環(huán)境的地面沉降監(jiān)測(cè)，在非城市區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物或其他植被覆蓋較多，影像相干性較差或者失相干，導(dǎo)致在這些區(qū)域內(nèi)無監(jiān)測(cè)結(jié)果。

對(duì)比圖5左右兩幅圖可見，南部多個(gè)沉降中心及其發(fā)育趨勢(shì)大致相同，年沉降量超過30 mm/a，其中個(gè)別地方累計(jì)沉降量超過1 m。總體而言，二者所測(cè)得的地表形變趨勢(shì)基本一致。

由于兩種方法監(jiān)測(cè)時(shí)間的不一致性，水準(zhǔn)觀測(cè)周期相對(duì)較短、密度不夠大、僅2次觀測(cè)結(jié)果，同時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)存在的工程活動(dòng)等原因影響，兩種方法在某些區(qū)域內(nèi)沉降趨勢(shì)不相符。如果能在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)建立更密的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，并采用同時(shí)期的SAR數(shù)據(jù)來分析InSAR監(jiān)測(cè)地表形變量，將更能在時(shí)間上和空間上體現(xiàn)兩種方法對(duì)比的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

圖5 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)等值線圖比較

通過實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，其InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量結(jié)果和現(xiàn)狀基本相符。紅旗鎮(zhèn)三板村及小林鎮(zhèn)東村同樣由于大量抽取地下水進(jìn)行養(yǎng)殖業(yè)，累計(jì)沉降超過1 m，房屋的窗臺(tái)基本與地面齊平。位于臨海的平沙鎮(zhèn)由于軟土自重固結(jié)沉降，加上抽取地下水和工程建設(shè)活動(dòng)造成軟土荷載的改變，均加劇了地面沉降，房屋與地面由于差異沉降造成騰空現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)地現(xiàn)狀調(diào)查比較

從水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析，可以得出珠三角區(qū)域沉降的規(guī)律和特性：①由于軟土自重固結(jié)而產(chǎn)生的自然地面沉降，一般年沉降量為10～30 mm；②在軟土地區(qū)抽取地下水加劇了地面沉降，年沉降量可達(dá)40～80 mm；③在軟土地區(qū)填土、進(jìn)行工程建設(shè)活動(dòng)，軟土荷載的改變加劇了地面沉降，年沉降量可達(dá)60～210 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

珠三角地區(qū)采用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地面沉降，成功地獲取了珠三角地區(qū)的平均沉降速率和形變序列。運(yùn)用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)城市區(qū)域的地表形變效果比較明顯，可以捕捉到小范圍的地表沉降，對(duì)于重點(diǎn)城市群、重大項(xiàng)目和高鐵、鐵路、公路等生命線的地面沉降監(jiān)測(cè)有很強(qiáng)的示范作用，其監(jiān)測(cè)成本低、效率高、精度可以滿足要求。但對(duì)于非城市區(qū)域，由于時(shí)間去相干和大氣等因素的影響，目前效果還不是很理想，技術(shù)和算法需要進(jìn)一步改進(jìn)。應(yīng)著重研究解決時(shí)間去相干和大氣效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響，可以利用精密水準(zhǔn)測(cè)量和高精度GPS觀測(cè)結(jié)合InSAR技術(shù)構(gòu)成綜合地面沉降監(jiān)測(cè)方法，能夠有效提高InSAR監(jiān)測(cè)的精度。建立利用精密水準(zhǔn)測(cè)量和高精度GPS觀測(cè)結(jié)合InSAR技術(shù)的跨時(shí)空綜合監(jiān)測(cè)體系，可以更快捷、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)時(shí)地獲取珠江三角洲地區(qū)地面沉降變化及發(fā)展趨勢(shì)，是今后的發(fā)展方向。

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P237.9

B

1672-4623（2015）04-0123-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.044

張杏清，碩士，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)管理和新技術(shù)應(yīng)用研究。

2015-05-27。

項(xiàng)目來源：廣東省財(cái)政產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)資金資助項(xiàng)目（2011-9）。