D-InSAR在盤錦濕地地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

田 輝，孫岐發(fā)，王福剛，馬詩敏，都基眾

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110026；

2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春130026

D-InSAR在盤錦濕地地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

田 輝1，2，孫岐發(fā)1，王福剛2，馬詩敏1，都基眾1

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110026；

2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春130026

采用二軌差分的方法，對濕地區(qū)的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、濾波、去平地效應(yīng)、相位解纏、差分處理等處理，最后得到垂直形變圖，實(shí)現(xiàn)了地表形變的監(jiān)測.通過計(jì)算，得到東郭葦廠、歡喜嶺和西八千鄉(xiāng)3個(gè)沉降中心.3處沉降量分別為-169、-78和-105 mm.沉降面積方面，東郭葦廠（A）沉降面積為5.14 km2，橢圓形沉降區(qū)的長軸方向?yàn)楸睎|-南西向.歡喜嶺（B）沉降區(qū)面積為0.42 km2，平面形態(tài)近似圓形.西八千鄉(xiāng)（C）沉降區(qū)面積為5.28 km2，橢圓形沉降區(qū)長軸方向?yàn)楸睎|-南西向.

GAMMA軟件；二軌差分；合成孔徑雷達(dá)干涉測量；盤錦濕地；遼寧省

0 引言

盤錦濕地區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，沉降造成葦場泵站報(bào)廢，給蘆葦種植、河蟹養(yǎng)殖造成了嚴(yán)重的影響，損失過億.利用D-InSAR技術(shù)，快速、準(zhǔn)確的獲取沉降信息，從而為防災(zāi)、減災(zāi)工作提供依據(jù)，對濕地的利用與保護(hù)服務(wù).

1 盤錦濕地概況

盤錦濕地位于下遼河平原最南端遼河入?？谔?，占地面積1000 hm2.盤錦濕地是我國最美的六大濕地之一，同時(shí)也是世界上植被類型保護(hù)最好的蘆葦沼澤地.保護(hù)區(qū)內(nèi)有丹頂鶴、黑嘴鷗等國家一、二類保護(hù)動(dòng)物43種，棲息的珍稀鳥類多達(dá)263種.因此，盤錦又有“鶴鄉(xiāng)”和“黑嘴鷗之鄉(xiāng)”之稱.每年9月，紅海灘美麗壯觀的景色吸引著大量國內(nèi)外游客來此觀光［5-7］.

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北臺地的東北部，在區(qū)域構(gòu)造上位于遼河斷陷地帶.人類活動(dòng)主要影響第四系、新近系地層，詳細(xì)論述如下.

第四系（Q）：第四系地層平行不整合于新近系，并于裂谷兩側(cè)超覆角度不整合于前古近系巖層之上.其內(nèi)部沉積連續(xù)，地層一般厚65～400 m，水平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由層次簡單向復(fù)雜過渡至層次不明顯，巖性由砂礫石層向細(xì)砂、粉細(xì)砂過渡.

新近系（N）：研究區(qū)新近系平行不整合或微角度沉積不整合于古近系及前古近系裂谷基底地層之上，可分為明化鎮(zhèn)組、館陶組2個(gè)巖石地層單位.明化鎮(zhèn)組（Nm）：下段為灰綠、黃褐、雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰白色砂巖、砂礫巖.半成巖，層理較發(fā)育、含植物殘屑.上段為灰白色，中粗?！屑?xì)粒砂巖、砂礫巖、含礫砂巖夾黃綠、灰綠色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖薄層或透鏡體.顆粒分選好，礫徑一般0.5～20 mm，大者可為70～100 mm，由北向南顆粒變細(xì).頂部分布泥巖，厚度4～8 m，橫向變化不大，局部地段如高升、紅旗等地缺失.該組地層埋深一般在100～400 m之間，總體趨勢由東西兩側(cè)向中間，由北東向南西埋藏由淺至深，埋藏最深處位于趙圈河葦場以南.明化鎮(zhèn)組地層厚度一般為100～800 m，地層厚度變化趨勢與埋深一致.館陶組（Ng）：巖性為灰、灰白色厚層狀含漂礫砂礫巖、細(xì)砂巖、薄層含礫砂巖及灰綠色、淺灰綠色、黃綠色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，偶夾紫紅色泥巖.黏土質(zhì)半膠結(jié)，礫石成分主要為石英、石英砂巖、火山巖、變質(zhì)巖及少量花崗巖.礫石分選較差，北部、西部曙光、歡喜嶺地區(qū)礫徑較大，一般3～50 mm，大者可達(dá)150 mm以上，東部礫徑變細(xì)，一般3～10 mm.田莊臺、太平房地層中夾有玄武巖和玄武質(zhì)凝灰?guī)r.該組地層在研究區(qū)西部部分缺失.缺失線南起艾家，經(jīng)石新鎮(zhèn)、胡家延伸到北部的后王回窩堡.在缺失線附近，館陶組地層覆于花崗片麻巖、片麻巖、砂礫巖之上.地層由東西兩側(cè)向中間，由北東向南西厚度加大（50～370 m）、埋藏變深（350～1200 m）.厚度最厚位于雙臺河口一帶可達(dá)370 m，埋藏最深處位于大洼縣西南海外河一帶，可達(dá)1200 m.

2 數(shù)據(jù)處理流程

本文利用GAMMA軟件的MSP、ISP、DIFF&GEO模塊，采用的數(shù)據(jù)為ALOS PALSAR衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù)，DEM分辨率為90 m.

二軌差分?jǐn)?shù)據(jù)處理如圖1所示.利用主、從兩幅SAR影像，經(jīng)過配準(zhǔn)、干涉圖生成、濾波、去平地效應(yīng)、相位解纏等步驟，得到干涉圖，再與DEM模擬的干涉圖進(jìn)行差分處理，得到差分干涉干涉圖，最終得到地表形變圖［8-14］.

(2) 巖棉復(fù)合型保溫模板體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)K0為0.355 W/(m2·K)，其高效的保溫性能，可滿足我國現(xiàn)行建筑墻體最高節(jié)能率要求。

圖1 兩軌差分干涉數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Two-pass differential interferometric data processing flowchart

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 影像的配準(zhǔn)

在配準(zhǔn)過程中查看配準(zhǔn)誤差，按照經(jīng)驗(yàn)，只有小于0.2個(gè)象元才能繼續(xù)生成干涉圖.如果配準(zhǔn)誤差過大，就需要繼續(xù)改進(jìn)偏移多項(xiàng)式.通過改變影像塊的大小、影像塊的數(shù)目、閾值大小、配準(zhǔn)多項(xiàng)式系數(shù)等來減小配準(zhǔn)誤差.

3.2 干涉圖的生成

利用配準(zhǔn)后的SLC影像，外加SLC的參數(shù)文件和偏移量的參數(shù)文件，生成研究區(qū)干涉圖.圖2a為2009年12月24日影像與2010年12月27日影像生成的研究區(qū)干涉圖.

3.3 干涉圖去平地效應(yīng)

干涉成像時(shí)，平坦的地面產(chǎn)生干涉條紋，這些條紋的存在增加了解纏的難度.因此，應(yīng)將平地相位從干涉圖中去除.

如圖2b所示，在生成的原始干涉圖（圖2a）中，最直觀的看只有細(xì)的彩色條紋.通過去平地效應(yīng)處理，即能看出地形變化的趨勢.圖中存在顆粒狀斑點(diǎn)，即雷達(dá)噪聲斑點(diǎn)，需要進(jìn)一步處理.

3.4 干涉圖濾波

干涉圖濾波可以提高解纏精度，有效地減少雷達(dá)噪聲帶來的誤差.具體計(jì)算過程如下：首先，利用復(fù)數(shù)干涉圖計(jì)算局部坡度，沿著斜坡通過計(jì)算得到干涉相位的平均值.然后，局部計(jì)算干涉圖像的功率譜，依據(jù)功率譜設(shè)計(jì)濾波器，對干涉圖進(jìn)行濾波.圖2b、c是干涉圖濾波前、后對比圖.濾波前（圖2b）干涉圖面昏暗，有許多麻點(diǎn)；濾波后（圖2c）干涉圖面鮮艷，相位清晰，此時(shí)表明噪聲相位已經(jīng)被有效去除.

圖2 2009-12-24—2010-12-27時(shí)段計(jì)算結(jié)果圖Fig.2 Calculation during 2009-12-24—2010-12-27a—干涉圖（interferogram）；b—去平地相位（flat-earth phase removal）；c—濾波（filtering）；d—差分干涉圖（differential interferogram）；e—相干圖（coherence map）；f—垂直形變圖（vertical deformation map）

3.5 差分干涉圖的生成

具體步驟如下：先利用外部DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位，然后采用最小二乘擬合方法優(yōu)化模擬地形相位和真實(shí)解纏相位影像之間的相位縮放因子，最后生成差分相位圖，即為去地形相位圖.圖2d為去地形相位的干涉圖.

3.6 相干圖的生成

相干圖的質(zhì)量，直接決定了InSAR測量結(jié)果的質(zhì)量.整個(gè)區(qū)域的相干系數(shù)越高，相干性越好，相干圖質(zhì)量也就越高.圖2e為研究區(qū)的相干圖.其中黃色、紅色的區(qū)域?yàn)楦吡羺^(qū)，相干系數(shù)較高，能達(dá)到0.8左右，表明相干性較好.

3.7 形變圖生成

圖2f為2009-12-24～2010-12-27時(shí)段研究區(qū)垂直形變圖，該圖顯示出3個(gè)明顯的沉降區(qū)，分別為東郭葦廠（A）、歡喜嶺（B）和西八千鄉(xiāng)（C）.圖中一個(gè)顏色周期表示200 mm垂直形變量，A、B、C三處沉降量分別為-169、-78和-105 mm，平均沉降速率分別為167.6、77.3和104.1 mm/a.經(jīng)過計(jì)算，東郭葦廠（A）沉降面積為5.14 km2，橢圓形沉降區(qū)的長軸方向?yàn)楸睎|-南西向；歡喜嶺（B）沉降區(qū)面積為0.42 km2，平面形態(tài)近似圓形；西八千鄉(xiāng)（C）沉降區(qū)面積為5.28 km2，橢圓形沉降區(qū)長軸方向?yàn)楸睎|-南西向.

3.8 形變產(chǎn)生的危害

1）對于泵站的危害：現(xiàn)有泵站持續(xù)下沉，完全淹沒在水中，已無法正常使用.

2）對于灌渠的危害：灌渠橫穿沉降中心區(qū)，沉降導(dǎo)致灌渠局部下沉，靠天然的水力梯度，河水已無法輸入到蘆葦生長區(qū)，必須要加高護(hù)堤，并利用大功率水泵，將河水輸送到地勢高的地方.

3）對于蘆葦生產(chǎn)的影響：蘆葦生長區(qū)大部分區(qū)域靠人工灌溉，河水到不了地勢高（相對于沉降區(qū)）的地方，對于蘆葦生長極為不利，直接導(dǎo)致蘆葦減產(chǎn)，葦廠收入降低.

綜上所述，在沉降區(qū)必須投入更多的人力、物力、財(cái)力，才能維持葦廠生產(chǎn)及局部的生態(tài)平衡.

4 結(jié)語

基于二軌法模型，對盤錦濕地地區(qū)ALOS PALSAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉測量數(shù)據(jù)處理，并從差分干涉圖中提取了地面沉降信息.得到東郭葦廠（A）、歡喜嶺（B）、西八千鄉(xiāng)（C）3個(gè)沉降中心的沉降速率及沉降面積信息.在濕地中，人類生產(chǎn)、建筑、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，應(yīng)遠(yuǎn)離沉降區(qū)，減少沉降對人類的損失.

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APPLICATION OF D-InSAR IN THE LAND SUBSIDENCE MONITORING FOR PANJIN WETLAND

TIAN Hui1,2,SUN Qi-fa1,WANG Fu-gang2,MA Shi-min1,DU Ji-zhong1

1.ShenyangInstitute ofGeology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China;
2.College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130026,China

The two-pass D-InSAR method is adopted for the registration,filtering,flat-earth phase removal,phase unwrapping,differential processing of the SAR data in Panjin wetland,to obtain the vertical deformation map and realize the land subsidence monitoring.By calculation,the subsidence amounts of three subsidence centers,namely Dongguoweichang, Huanxiling and Xibaqianxiang,are-169,-78 and-105 mm,respectively.In respect of subsidence areas,Dongguoweichang（A）is 5.14 km2,in oval settlement area with NE-SW trending long axis;Huanxiling（B）is 0.42 km2,nearly circular plane shape;Xibaqianxiang（C）is 5.28 km2,in oval settlement area with NE-SW trending long axis.

GAMMA software;two-pass differential;interferometric synthetic aperture radar（InSAR）;Panjin wetland; LiaoningProvince

1671-1947（2015）05-0507-04

P642.26

A

2014－06－25；

2015-01-04.編輯：李蘭英．

中國地質(zhì)調(diào)查局“東北平原地面沉降調(diào)查”項(xiàng)目（編號：12120113011500）資助.

田輝（1984—），男，碩士,主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街280號，E-mail// 359585977@qq.com