SBAS技術(shù)在南京河西地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

郭樂萍，岳建平，岳 順

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

SBAS技術(shù)在南京河西地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

郭樂萍，岳建平，岳 順

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

由于地質(zhì)條件的影響及城市化進(jìn)展的不斷加快，南京河西地區(qū)地面沉降日趨明顯。本文以2007—2011年16景日本ALOS PALSAR衛(wèi)星升軌數(shù)據(jù)為例，采用SBAS技術(shù)分析了河西地區(qū)的沉降趨勢，反演了研究區(qū)的地表形變場，并與水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗證了SBAS用于沉降監(jiān)測的準(zhǔn)確性和時效性。

小基線集(SBAS)；沉降監(jiān)測；干涉；形變場

地面沉降是許多國家面臨的地質(zhì)環(huán)境問題，是在自然和人為因素的共同作用下引起的地面高程不均勻下降的地質(zhì)現(xiàn)象，這是一種無法補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失[1]。地面沉降的監(jiān)測方法從最初的水準(zhǔn)測量為主，逐漸發(fā)展為采用GPS測量，進(jìn)而使用合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)為主要手段，在精度、時效性等方面都有了顯著提高。

差分干涉測量方法(DInSAR)具有覆蓋范圍大、成本低，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以全天時全天候作業(yè)。但常規(guī)DInSAR方法受時空去相干和大氣延時相位影響嚴(yán)重，很大程度上限制了DInSAR方法在地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用[2]。小基線集(small baseline subsets，SBAS)技術(shù)可有效解決DInSAR技術(shù)中時空基線過長的失相干問題，同時降低圖像對基線的依賴性[1]，在繼承常規(guī)DInSAR方法優(yōu)點(diǎn)的同時，能夠獲得長時間緩慢地表形變的發(fā)展規(guī)律，提高形變監(jiān)測的時間分辨率。本文以南京河西地區(qū)為例，探討SBAS技術(shù)在地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 小基線集(SBAS)技術(shù)原理

小基線集技術(shù)首先將所獲得的SAR影像按照空間基線大小組成若干個集合，然后根據(jù)最小二乘(LS)方法得到每個小集合的地表形變時間序列，最后利用奇異值分解(SVD)的方法，將多個小基線集聯(lián)合起來求解，從而得到整個觀測時間內(nèi)的形變時間序列[3- 4]。

(1)

假設(shè)由在tA、tB兩個時刻獲得的SAR影像進(jìn)行干涉得到第i幅干涉圖，并假設(shè)tB>tA，在去除地形相位后，則干涉圖在像元x處的干涉相位表達(dá)式為

(2)

式中，λ為雷達(dá)波長；d(tA,x)和d(tB,x)是像元在tA和tB時刻相對于初始時刻t0的LOS方向累計形變，有d(t0,x)=0。為了便于闡述基本原理，式(2)中未考慮去相關(guān)現(xiàn)象、大氣折射引起的相位改變及殘余地形相位。假設(shè)式(2)中δφ(x)為解纏之后的相位，并且所有干涉圖都已配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，則以下分析均以某一像元為例建立方程。

假設(shè)IE為主影像，IS為從影像，對應(yīng)的時間序列分別為

(3)

并且式(3)滿足IEj>ISj，?j=1,2,…,M。則任意干涉圖對應(yīng)的相位表達(dá)式為

δφk=φ(tIEk)-φ(tISk) k=1,2,…,M

(4)

式(4)是含有N個未知數(shù)的M個方程組，用矩陣形式表示為

Aφ=δφ

(5)

式中，A為M×N維系數(shù)矩陣。當(dāng)M≥N時，A的秩為N，此時根據(jù)最小二乘法求得

φ=(ATA)-1ATδφ

(6)

當(dāng)系數(shù)矩陣A的秩小于N時，法方程系數(shù)陣ATA是秩虧的，此時應(yīng)用最小二乘法無法得到唯一解，可考慮采用奇異值分解法[5- 7]對式(5)進(jìn)行求解。

SBAS技術(shù)應(yīng)用于干涉測量中，可明顯地減弱空間基線失相干的影響。利用奇異值分解(SVD)方法聯(lián)合多個小基線集進(jìn)行求解，可有效解決由于空間基線過長造成的時間不連續(xù)問題，從而提高監(jiān)測的時間分辨率[8]。

2 試驗研究

為了對SBAS技術(shù)應(yīng)用于沉降監(jiān)測中的有效性和實用性進(jìn)行驗證，以南京市河西地區(qū)作為研究對象，影像覆蓋范圍如圖1所示。南京市河西地區(qū)是指內(nèi)秦淮河以西與長江中間的區(qū)域，位于南京的西南地區(qū)，北起三汊河，南接秦淮新河，西臨長江夾江，東至外秦淮河、南河，總面積約94 km2，現(xiàn)有人口35萬人。河西地區(qū)以前是一片河漫灘地，地下土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

試驗采用2007—2011年間日本ALOS PALSAR雷達(dá)衛(wèi)星采集的16景升軌數(shù)據(jù)，觀測模式為FES/FBD，入射角34.3°。采用的DEM數(shù)據(jù)為SRTM3，經(jīng)度優(yōu)于16 m，滿足試驗所需。

圖1 影像覆蓋范圍

利用SARScape5.2軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9]，經(jīng)過對16景影像分析可知，其時間基線跨度近5年，空間基線的絕對值介于328.96～2 982.11m之間，比理論臨界空間基線(約為5505m)小得多。在操作時，選擇2009- 08- 23日采集的影像作為超級主影像，在干涉配對時對空間和時間基線作適當(dāng)?shù)募s束，由此得出的干涉相對及其組合情況如圖2所示。

圖2 SAR影像時間基線

經(jīng)過SBAS處理后，得到了南京河西地區(qū)的地面沉降速率圖(如圖3所示)，其中(a)為影像覆蓋整體區(qū)域的沉降速率，(b)為研究區(qū)河西的放大圖。從圖中可看出河西地區(qū)變形比較嚴(yán)重，大部分的位置都發(fā)生了或多或少的沉降，整體呈現(xiàn)出了自北向南的條帶狀分布特點(diǎn)，尤其是北部沉降更為顯著。圖4為水準(zhǔn)測量得到的河西地區(qū)沉降速率，從折線圖可以看出沉降速率多數(shù)集中在0～40mm/a，極少數(shù)達(dá)到了50～100mm/a，這與圖3的值基本一致。但由于SAR獲取的信息較為全面，可得到更多沉降細(xì)節(jié)，而實測值因數(shù)量有限，且分布較為稀疏，并不能完全與SAR測量成果一致。由此說明SBAS技術(shù)可以很好地獲取地面沉降速率，并且可以更全面地對整體趨勢進(jìn)行把握和分析。

圖3 南京河西地區(qū)沉降速率

圖4 河西地區(qū)實測沉降速率

普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為高精度水準(zhǔn)測量應(yīng)用于區(qū)域地面形變，所得到的成果精度相對較高，且所測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好[10]。因此，為了驗證SBAS監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性，在河西地區(qū)選取5個監(jiān)測點(diǎn)，將它們的水準(zhǔn)測量結(jié)果與SBAS監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比(如表1、圖5所示)。由于所用的InSAR數(shù)據(jù)與實測的水準(zhǔn)測量值并不是同周期的，因此結(jié)果可能不完全一致。但從圖表中可看出，SBAS監(jiān)測值與水準(zhǔn)測量值的吻合程度較高，精度可達(dá)到毫米級。若采取水準(zhǔn)測量值為真值，則SBAS的監(jiān)測精度基本能夠滿足區(qū)域地面沉降監(jiān)測要求。

表1 InSAR監(jiān)測與水準(zhǔn)測量值及誤差 mm/a

結(jié)合研究區(qū)域的地質(zhì)條件和城市化進(jìn)展可知，導(dǎo)致地面沉降的因素主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 自然因素。導(dǎo)致河西地面沉降的最主要自然因素是軟土層的自重壓密固結(jié)。河西地區(qū)位于我國長江河漫灘平原地帶，土質(zhì)為河漫灘相軟土。土層含水量高，在自重應(yīng)力的作用下，土體受到壓縮，伴有部分水從土中排出，產(chǎn)生釋水壓密固結(jié)，從而發(fā)生沉降。除此之外，導(dǎo)致沉降的其他自然因素還有地殼新構(gòu)造運(yùn)動及海平面上升。

圖5 InSAR監(jiān)測與水準(zhǔn)測量成果對比

(2) 人為因素。近年來隨著河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動日益頻繁，由此導(dǎo)致河西地區(qū)地面沉降日趨明顯。對沉降影響較大的原因有：地面荷載的增加、地下工程施工及地下水的開采。伴隨城市化建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的建筑物，導(dǎo)致地面荷載引起的沉降效應(yīng)逐漸明顯。同時一些地下工程的施工引起地表下沉，加之地下構(gòu)筑物對含水地層水體流通的影響，引起地面不均勻沉降。除此之外還有地下水的開采，使土體發(fā)生壓縮變形，且含水系統(tǒng)的平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生地面沉降。

3 結(jié) 語

本文利用小基線集技術(shù)對南京河西地區(qū)的地表沉降進(jìn)行了分析，通過與實測的高精度水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了SBAS技術(shù)能夠準(zhǔn)確有效、大面積地提取監(jiān)測區(qū)域的地表形變場，克服了SAR數(shù)據(jù)基線和時間去相干的影響，從而獲取有效的形變信息。但受數(shù)據(jù)獲取與技術(shù)方面的一些限制，監(jiān)測精度等還存在一些缺陷，若考慮與其他檢測方法結(jié)合使用，將會取得更為理想的效果。

總體而言，SBAS探測地表沉降監(jiān)測效果較為理想，可以在短時間內(nèi)得到大面積、高空間密度的地表形變場，成本較低且無需地面控制點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)對于獲取水準(zhǔn)測量難以進(jìn)行的地區(qū)的形變場非常有利。

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Application of SBAS Technique in Surface Subsidence Monitoring ofNanjing Hexi Area

GUO Leping，YUE Jianping，YUE Shun

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

Due to the influence of geological conditions and the accelerating of urbanization progress，land subsidence of Hexi area, Nanjing has become increasingly obvious. In this paper 16 views Japan ALOS PALSAR satellite ascending orbital data from 2007 to 2011 are taken as an example. By using SBAS technology to analyze subsidence trend of Hexi area, the surface deformation field of study area was inversed. Compared with measurement data, the accuracy and timeliness of the SBAS for subsidence monitoring are verified.

SBAS;subsidence monitoring; interference; deformation field

2016- 07- 11

國家自然科學(xué)基金(41174002)；湖南省重點(diǎn)實驗室開放研究基金(PKLHD201311) 作者簡介： 郭樂萍(1991—)，女，碩士生，研究方向為3S技術(shù)集成及應(yīng)用。E- mail：hhuguoleping@163.com

郭樂萍，岳建平，岳順.SBAS技術(shù)在南京河西地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017(3)：26- 28.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0077.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0026- 03