基于短基線集技術(shù)的城市地表沉降監(jiān)測研究

邱志偉，岳建平，汪學(xué)琴，岳　順，劉　斌

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211000；2.河南城建學(xué)院測繪學(xué)院，河南平頂山467036）

基于短基線集技術(shù)的城市地表沉降監(jiān)測研究

邱志偉1，2，岳建平1，汪學(xué)琴1，岳順1，劉斌1

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211000；2.河南城建學(xué)院測繪學(xué)院，河南平頂山467036）

通過對合成孔徑雷達(dá)干涉測量的去相干分析，提出了基于短基線集（SBAS）技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測的方法。該方法能夠克服DInSAR易受時間、基線去相干等因素的影響，通過對短時-空基線組合的影像對進(jìn)行干涉處理以提取高相干點，利用大氣延時相位與相位噪聲在頻域不同特性以達(dá)到二者分離的目的，最終獲取監(jiān)測區(qū)域長時間緩慢地表形變的演變規(guī)律。本文利用2007—2011年16景南京地區(qū)ALOS數(shù)據(jù)進(jìn)行了短基線差分干涉試驗，并通過實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明該技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地反演出地表的形變場及累積形變量。

短基線集（SBAS）；形變監(jiān)測；差分干涉；形變場

地表形變監(jiān)測是進(jìn)行地表形變分析研究并采取相應(yīng)防治對策的重要基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，地表形變監(jiān)測從以往的以光學(xué)水準(zhǔn)測量為主，逐步向采用GPS技術(shù)，并進(jìn)而以合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）為主要方式，從而使其在監(jiān)測范圍、監(jiān)測實效等方面都有了顯著的提高。

InSAR技術(shù)成功地融合了合成孔徑雷達(dá)成像原理和干涉測量技術(shù)，該技術(shù)能利用傳感器的系統(tǒng)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道之間的幾何關(guān)系等精確測量地表某一點的三維空間位置及微小變化。但常規(guī)差分干涉測量方法（DInSAR）受時間、空間去相干和大氣延時相位的影響，嚴(yán)重限制了DInSAR方法在地表形變監(jiān)測，尤其是長時間緩慢地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用［1-2］。短基線集（SBAS）技術(shù)充分利用短時空基線影像的相干信息，能有效地抑制相位噪聲對地形相位的影響，從而獲取長時間緩慢地表形變的演變規(guī)律。本文以南京市為例對該技術(shù)在城市沉降監(jiān)測方面進(jìn)行深入探討和研究。

一、基于短基線集技術(shù)的沉降監(jiān)測方法

短基線集（SBAS）技術(shù)繼承了常規(guī)DInSAR方法的優(yōu)點，利用較短時空基線的影像對產(chǎn)生干涉圖提高相干性，下面對基于SBAS的地表沉降監(jiān)測方法進(jìn)行簡要的論述［3-4］。

假設(shè)（t0，t1，…，tN）時刻獲取了覆蓋同一區(qū)域N+1幅SAR影像圖，并且假設(shè)所有SAR影像已配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下，從而可以得到M對時空基線均小于某一閾值的多視差分干涉對，且M滿足以下條件

假設(shè)從tA、tB兩個時間獲得的SAR圖像產(chǎn)生第j幅干涉圖，并假設(shè)tB〉tA，去除地形相位后，可建立未考慮大氣相位、地形誤差及失相關(guān)噪聲等的簡化模型，則干涉圖在像元x處的干涉相位可表示為

式中，λ為雷達(dá)波長；d（tB，x）、d（tA，x）分別為tA和tB時刻像元相對于初始時刻t0的LOS方向地表形變，即有d（t0，x）=0；假設(shè)相位δφ（x）為解纏后的相位，所有干涉圖經(jīng)過配準(zhǔn)，并選取相同的解纏起始點（穩(wěn)定點或形變已知點）。該方法對干涉圖進(jìn)行逐像元的時間序列分析，因此，以下討論均以某一像元為例來建立方程。

假設(shè)主影像時序集IE=｛IE1，IE2，…，IEM｝和從影像集IS=｛IS1，IS2，…，ISM｝，且滿足

則所有差分干涉圖相位可以組成如下觀測方程

對所有干涉圖，可將式（4）的線性模型表示為矩陣形式δφ=Aφ，其中A為M×N維矩陣。當(dāng)M≥N時，則該矩陣秩為N，可對式（4）進(jìn)行最小二乘法即可求解出φ的估計值 ^φ

通常為了減少基線去相干影響，會將干涉對進(jìn)行分組，這樣矩陣A的M常小于N時，相應(yīng)法方程系數(shù)陣秩虧，可采用奇異值分解法求解［5-7］。

采用較短基線（通常小于200 m）干涉紋圖集可以降低幾何去相干對它們的影響。此外，由于較大的高程模糊度也使得它們對DEM誤差的敏感性降低。通過累積差分干涉紋圖測量地殼形變，是該方法與永久散射體相干技術(shù)的共同點，但在去除大氣效應(yīng)時采用組合多景干涉紋圖平均去除仍然帶有一定的不確定性，因此增加了該方法的復(fù)雜度。該方法的優(yōu)點是可測量非線性形變，SBAS方法的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1　短基線集技術(shù)流程

二、應(yīng)用分析

圖2為試驗區(qū)對應(yīng)的SAR幅度影像，以南京市區(qū)為中心，北至八卦洲，南至將軍山，西至老山森林公園，東至仙林以西，試驗范圍幾乎覆蓋整個南京市轄各區(qū)，如圖3所示。選擇日本ALOS衛(wèi)星的PALSAR 16景升軌數(shù)據(jù)，時間跨度從2007—2011年。監(jiān)測區(qū)域植被覆蓋大，地形復(fù)雜，包括山區(qū)、長江漫灘平原及水體等，數(shù)據(jù)采集密度小，時間跨度大，易受大氣效應(yīng)影響。試驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)情況見表1。

圖2　試驗研究區(qū)域的SAR幅度

圖3　試驗研究區(qū)域的Google Earth影像

表1　ALOS SAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

經(jīng)過對各SAR影像進(jìn)行空間及時間基線的分析與比較，采用以2009年8月23日獲取的影像為主影像進(jìn)行配準(zhǔn)及干涉，從其余各數(shù)據(jù)以此景影像為參照得到的垂直基線數(shù)據(jù)可以看出，最短的垂直基線為328.96 m，最長則達(dá)到2 982.11 m。由于基線較長且時間跨度近5年，因此依據(jù)短基線集技術(shù)原理，在進(jìn)行差分干涉配對時進(jìn)行了空間與時間基線的約束，最終得到了94組干涉對，詳細(xì)的組合情況如圖4所示。為了充分考慮時序上相位變化信息，采用了三維解纏方法即加入時序維進(jìn)行空間時間三維解纏，SAR影像的Delaunay三維連接圖如圖5所示。

圖4　SAR影像時間空間分布圖

圖5　SAR影像Delaunay三維連接圖

考慮到空間及時間基線較大的數(shù)據(jù)特點，通過對數(shù)據(jù)集中最大空間基線的干涉對對應(yīng)的相干圖（如圖6所示）與最大時間基線的干涉對對應(yīng)的相干圖（如圖7所示）進(jìn)行相干分析，可以看出相干像元分布基本覆蓋南京市區(qū)，在兩種極限情況下城區(qū)依舊表現(xiàn)出較高的相干性，但是水體與有植被的山區(qū)相干性較差，均無法達(dá)到高相干點的提取要求。在數(shù)據(jù)處理過程中，為抑制相位噪聲與大氣相位帶來的影響，選擇相干閾值為0.35，小于該值的相干點認(rèn)為失相干嚴(yán)重，不予采用。這里采用的參考DEM為SRTM3，其精度優(yōu)于16 m，滿足去除地形相位的要求；解纏參考點依據(jù)以下原則進(jìn)行選取:①高相干且無形變點或已知形變點；②遠(yuǎn)離形變區(qū)，由于SAR數(shù)據(jù)覆蓋江北區(qū)域，為避免由于跨江造成的解纏誤差，此處分別選取兩處參考點:紫金山附近地質(zhì)穩(wěn)定點、老山附近地質(zhì)穩(wěn)定點。由配準(zhǔn)后的干涉處理、去平地效應(yīng)及解纏后查驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，存在嚴(yán)重的地形誤差及因時間失相干引起相位誤差，這些結(jié)果會影響線形形變信息的正確提取，因此需要從結(jié)果中予以去除。經(jīng)過篩查后，得到結(jié)果較為準(zhǔn)確的78組干涉對來進(jìn)行后續(xù)的大氣分離和形變反演。圖8為獲取的南京市及其周邊的形變速度場。

圖6　最長空間基線干涉對相干圖

圖7　最長時間基線干涉對相干圖

圖8　研究區(qū)域視線向形變速度場（mm/a）

從形變速度場圖中可以看出，存在4個較為明顯的沉降區(qū)域:C區(qū)為秦淮河以西的地區(qū)（簡稱河西），D區(qū)為月牙湖附近，E為南京長江二橋及南岸一帶，F(xiàn)為江北南京高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)附近。為驗證利用SBAS技術(shù)進(jìn)行研究區(qū)域地表沉降監(jiān)測的精度，本文重點結(jié)合河西區(qū)2007—2009年的地面監(jiān)測點的時序沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（如圖9所示），這里選擇集慶門西監(jiān)測點、濱江風(fēng)光帶監(jiān)測點以及鼓樓區(qū)匯賢居監(jiān)測點進(jìn)行累積沉降對比。從序列圖可以看出，3個監(jiān)測點的地面監(jiān)測結(jié)果與SAR累積沉降序列基本一致。由于監(jiān)測的時間與SAR數(shù)據(jù)獲取的觀測時間并不對應(yīng)，需要將地面水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，難免會出現(xiàn)插值誤差，且由于解纏參考點的選取及殘留大氣相位噪聲等誤差的存在，使SAR數(shù)據(jù)得到的累積沉降量無法與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)完全吻合，但經(jīng)時序?qū)Ρ瓤梢钥闯?，短基線集技術(shù)能夠準(zhǔn)確地獲得試驗區(qū)的沉降趨勢。

圖9　地面監(jiān)測結(jié)果與SAR累積沉降序列對比

進(jìn)行監(jiān)測點對比驗證后，通過對所有地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到河西地區(qū)地表沉降趨勢分布圖，與SAR獲取的地表沉降速度場進(jìn)行對比驗證，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，河西地區(qū)的沉降存在自北向南較明顯的條帶分布特點，從龍江經(jīng)莫愁湖到集慶門都有較為顯著的沉降趨勢，因此，地面監(jiān)測結(jié)果與SAR獲取的沉降趨勢基本一致，但由于SAR獲取的信息豐富，能夠得到更多的沉降細(xì)節(jié)，相對而言，地面監(jiān)測點由于點位分布稀少，通過插值獲取的分布圖會有較多的孤島區(qū)域，與實際情況不符。

圖10　地面監(jiān)測沉降趨勢與SAR地表形變場對比

結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以得到地面沉降有以下幾個主要原因:

1）C、E地區(qū)主要是長江漫灘，軟土層較厚，固結(jié)沉降仍然在進(jìn)行中，具有較小的地基承載力。C地區(qū)主要是由于城市不斷發(fā)展，地上建筑迅速增加，地面荷載對其影響明顯，且伴隨著地下空間的利用，致使該地區(qū)產(chǎn)生較大的沉降變形；E地區(qū)是南京市新生圩港，常有萬噸級貨輪在此進(jìn)行裝卸活動，并且臨近長江，易受江水水位變化影響。

2）D、F地區(qū)主要是由于城市建設(shè)較快，建筑荷載和工程施工中的抽取地下水可能引起地基不均勻的變形。需特別注意的是F區(qū)臨近山區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)理應(yīng)穩(wěn)定，但依然出現(xiàn)沉降，可能與當(dāng)?shù)厣襟w開挖活動有關(guān)。

3）從沉降速率圖中可以發(fā)現(xiàn)，盡管南京一橋與二橋兩座橋體上的高相干點較少，但不難發(fā)現(xiàn)均出現(xiàn)較明顯的沉降，有關(guān)單位應(yīng)引起重視加強監(jiān)測，以免出現(xiàn)安全隱患。

三、結(jié)束語

本文利用短基線集技術(shù)對南京地區(qū)進(jìn)行了地表沉降分析，通過地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，得到了較為準(zhǔn)確的該地區(qū)沉降速率分布圖和時序沉降累積量。試驗結(jié)果證明該技術(shù)能夠大面積、高密度地獲取地表形場，克服SAR數(shù)據(jù)基線及時間去相干的影響，提取出有效的形變信息。但由于技術(shù)理論方面的限制，監(jiān)測精度還有待進(jìn)一步提高。

［1］ 何秀鳳，何敏.InSAR對地觀測數(shù)據(jù)處理方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2012:20-30.

［2］ 岳建平，方露，黎昵.變形監(jiān)測理論與技術(shù)研究進(jìn)展［J］.測繪通報，2007（7）:26-31.

［3］ 盧麗君.基于時序SAR影像的地表形變檢測方法及其應(yīng)用［D］.武漢:武漢大學(xué)，2008.

［4］ STROZZI T，F(xiàn)ARINA P，CORSINI A，et al.Survey and Monitoring of Landslide Displacements by Means of L-

Research on Urban Surface Subsidence Monitoring Based on SBAS

QIU Zhiwei，YUE Jianping，WANG Xueqin，YUE Shun，LIU Bin

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0217.

P237

B

0494-0911（2016）07-0025-05

2015-07-17；

2015-12-11

河南城建學(xué)院科研基金（2013JZD008）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（2014B38314）；水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室開放研究基金（PKLHD201311）

邱志偉（1985—），男，博士生，講師，主要研究方向為雷達(dá)干涉測量等。E-mail:qiuzhiwei-2008@163.com

引文格式：邱志偉，岳建平，汪學(xué)琴，等.基于短基線集技術(shù)的城市地表沉降監(jiān)測研究［J］.測繪通報，2016（7）:25-29.