淺談雷達(dá)遙感衛(wèi)星影像技術(shù)（SBAS）對地表沉降分析

許猛 王運濤

摘? 要：近年來，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下水抽采、地鐵建設(shè)以及火山爆發(fā)等人為或自然因素使城市地面不可避免地的發(fā)生沉降和形變。常規(guī)的地面沉降方法GPS測量和精密水準(zhǔn)測量，難以應(yīng)對城市地面大面積微小沉降工作的需求。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（InSAR）具有可覆蓋面廣、范圍大、獲取數(shù)據(jù)速度快、監(jiān)測難以監(jiān)測的區(qū)域、監(jiān)測精度高等優(yōu)勢，這為城市地面沉降監(jiān)測提供了了新的手段。但研究發(fā)現(xiàn)其受時間、空間和大氣延遲的影響嚴(yán)重。PS-InSAR技術(shù)和SBAS技術(shù)突破了這一局限，因此其在城市地面沉降工作中發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：D-InSAR;SBAS;動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);地下水開采;地表沉降

中圖分類號：P227? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2021）01-0000-00

地表沉降是指在自然和人為因素影響下，地下巖（土）體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化失衡而導(dǎo)致地面高程下降的區(qū)域性微小沉降運動。導(dǎo)致地面沉降的自然因素主要是地震、火山活動等;人為因素主要是地下水抽取或者礦產(chǎn)資源的開采等。地面沉降災(zāi)害在近幾年來愈演愈烈，世界上大多數(shù)國家和城市都受到地面沉降的影響。我國的地面沉降區(qū)多分布在東北平原、長江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)、東南沿海區(qū)和內(nèi)陸盆地，地面沉降給我國帶來的經(jīng)濟損失每年超過6000億元。地面沉降災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了我國城市的可持續(xù)發(fā)展，對其進行全面的調(diào)查與監(jiān)測，能夠及時掌握第一手資料，可為我國城市的可持續(xù)發(fā)展提供重要參考[1]。

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的新型空間對地觀測技術(shù)，該技術(shù)可以探測地表的微小地形變化，其獨特的成像方式使得InSAR技術(shù)廣泛應(yīng)用于測繪、地質(zhì)、環(huán)境、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋等領(lǐng)域。

1雷達(dá)遙感衛(wèi)星影像技術(shù)（SBAS）對區(qū)域影響意義

河南省會鄭州市作為中原經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分，其位置極其重要，是中原經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的重中之重。隨著鄭州市市區(qū)的不斷建設(shè)，部分區(qū)域的自來水管網(wǎng)建設(shè)未能及時跟上，加上大量農(nóng)業(yè)科學(xué)規(guī)劃的需要，尤其是生產(chǎn)和灌溉用水，同時隨著農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展，加劇了地下水的開采，導(dǎo)致了地面的持續(xù)沉降，給社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展帶來諸多不利影響。因此如何科學(xué)規(guī)劃需要及時掌握地理空間環(huán)境及時空變化，尤其是地質(zhì)和環(huán)境災(zāi)害尤為重要。

鄭州市對地下水依賴程度低于上海、天津等城市，地面沉降問題相對較輕。尤其是2000年以來，鄭州市加大封停自備井的力度，地下水水位下降趨勢得到了有效控制。然而由于受限于技術(shù)、資金等種種原因，鄭州市區(qū)地面監(jiān)測工作一直沒有進行，這與大都市發(fā)展極不協(xié)調(diào)。探究鄭州市區(qū)地面沉降監(jiān)測沒有進行的深層次原因，主要是此現(xiàn)象難以探測，需要通過微觀尺度的高精度、多時段測量研究才能發(fā)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的水準(zhǔn)、GPS等監(jiān)測技術(shù)周期長、費用高，監(jiān)測點較為離散，更重要的是地面沉降過程是動態(tài)的，導(dǎo)致測量具有盲目性。

針對鄭州市區(qū)地面沉降監(jiān)測現(xiàn)狀的迫切需求，本文提出了利用該地區(qū)的高分辨率雷達(dá)遙感衛(wèi)星影像，采用差分干涉測量技術(shù)，永久散射體干涉技術(shù)，和短基線集技術(shù)提取毫米量級的大面積地面沉降數(shù)據(jù);并在此技術(shù)的基礎(chǔ)上改進PS點目標(biāo)識別模型，以擴大點目標(biāo)識別數(shù)量和應(yīng)用范圍，構(gòu)建有效的高精度地面沉降動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。并結(jié)合野外水準(zhǔn)和GPS RTK測量，對InSAR技術(shù)地表形變進行地面驗證、檢驗[2]。

本文研究成果有助于建立鄭州市區(qū)的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可對此區(qū)域地面沉降的范圍、發(fā)展趨勢做出精確劃分和判斷，從而為進一步完善地面沉降監(jiān)測與防治技術(shù)體系、管理體系，實施重點地區(qū)水資源配置與地下水禁采限采、含水層恢復(fù)修復(fù)工程，提供技術(shù)支撐。

2實驗數(shù)據(jù)整理與分析

本次研究收集了鄭州地區(qū)2012.08-2013.03共9幅德國3m分辨率衛(wèi)星影像、2006.06-2010.10共35幅4m×20m分辨率ENVISAT衛(wèi)星影像，對該研究區(qū)分別進行了D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技術(shù)處理和試驗。并在PS-InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上改進PS點目標(biāo)識別模型，以擴大點目標(biāo)識別數(shù)量和應(yīng)用范圍，構(gòu)建有效的高精度地面沉降動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);最后結(jié)合野外水準(zhǔn)和GPS RTK測量，對D-InSAR、PS-InSAR和短基線集（SBAS）地表形變進行地面驗證、檢驗。

本次實驗收集、購買了實驗區(qū)域的高分辨率SAR衛(wèi)星影像，和監(jiān)測井地下水位資料、野外水準(zhǔn)測量資料、野外GPS測量資料、地形圖等，完成了計劃任務(wù)。

對選定的SAR干涉對，進行了配準(zhǔn)、重采樣、干涉、去平地效應(yīng)、相關(guān)分析、基線分析、去地形相位、相位解纏、相位到形變轉(zhuǎn)換、地理編碼等測量措施。測量發(fā)現(xiàn)在鄭州東區(qū)的CBD和鄭州南郊存在非常明顯的沉降漏斗。部分相位解纏圖由雷達(dá)視線方向LOS轉(zhuǎn)換為垂直方向形變?？梢钥闯鲟嵵菔兄行男巫兓緸?，沉降大的區(qū)域主要出現(xiàn)在鄭州東區(qū)、南區(qū)和北區(qū) [3]。

根據(jù)2007～2010年InSAR監(jiān)測結(jié)果顯示，鄭州市區(qū)相對穩(wěn)定，郊區(qū)沉降較大，統(tǒng)計存在五個地面沉降漏斗，分布在市區(qū)北部、東北部、東部、南部及西部，最大沉降量100mm/a，位于鄭州西北部古滎陽、北部花園路三全路附近的柳林、鄭東新區(qū)龍子湖附近等10處，累積最大沉降量達(dá)300mm，這與地方的城市建設(shè)和地下空間、地下水開采有直接關(guān)聯(lián)，也符合實地情況。

通過分別采用平均誤差以及中誤差兩種指標(biāo)對InSAR監(jiān)測精度進行評價，中誤差為±6.0mm/a，誤差絕對值平均為6.1mm/a?？梢钥闯?，InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測精度較高，具有較高的垂向監(jiān)測精度，遠(yuǎn)高于水準(zhǔn)的采樣密度、采樣范圍以及監(jiān)測周期，因此更容易識別出沉降漏斗的分布以及沉降發(fā)展動態(tài)變化規(guī)律，能夠滿足區(qū)域性地面沉降監(jiān)測的大范圍、近實時、高精度的需要。

D-InSAR在地表形變監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)勢，但是由于失相干和大氣效應(yīng)的影響，在實際應(yīng)用中對SAR影像的要求較高，限制了該方法的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的PS-InSAR技術(shù)和SBAS技術(shù)較好的克服了這些影響因素，本文利用鄭鄭州市2012.08-2013.03共9幅德國3m分辨率TerraSAR-X衛(wèi)星影像;鄭州市2006.06-2010.10共35幅4m×20m分辨率ENVISAT/ASAR衛(wèi)星影像，探討了實現(xiàn)D-InSAR、PS-InSAR、SBAS技術(shù)的理論模型和相關(guān)算法，并利用該技術(shù)成功反演出了實驗區(qū)的地面沉降量。

3結(jié)論

通過研究主要結(jié)論有：（1）通過對研究區(qū)進行了D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技術(shù)地面沉降監(jiān)測處理。通過沉降監(jiān)測可以看出鄭州市中心沉降量基本為-1～0cm，沉降最大的區(qū)域主要出現(xiàn)在鄭州東區(qū)、南區(qū)和北區(qū)，而西南角、東南角也出現(xiàn)了較大的沉降，這是由于相位解纏錯誤或者誤差引起的，因為在山區(qū)相位解纏精度較差，容易存在“孤島”現(xiàn)象。（2）結(jié)合野外水準(zhǔn)和GPS RTK測量，對D-InSAR、PS-InSAR地表形變結(jié)果和短基線集（SBAS）地表形變進行地面驗證、檢驗。分析結(jié)果顯示InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測精度較高，具有較高的垂向監(jiān)測精度，遠(yuǎn)高于水準(zhǔn)的采樣密度、采樣范圍以及監(jiān)測周期，因此能夠滿足區(qū)域性地面沉降監(jiān)測的大范圍、近實時、高精度的需要。（3）從實驗結(jié)果分析，應(yīng)用SBAS技術(shù)存在的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1）該技術(shù)在一定程度上避免了時空失相關(guān)和大氣延遲的影響;自由組合干涉對多，大大增加了時間采樣率;實現(xiàn)了監(jiān)測周期長、實驗范圍大、結(jié)果精度高的地面沉降信息監(jiān)測;2）該技術(shù)提取的相干目標(biāo)點數(shù)目、范圍顯著大于傳統(tǒng)的GPS點監(jiān)測、水準(zhǔn)測量，能夠更詳細(xì)的描述研究區(qū)區(qū)域的沉降趨勢;3）相比于PS-InSAR技術(shù)，該技術(shù)能夠提取較短時間內(nèi)的高相干性點目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)研究較大尺度、低分辨率的地表形變監(jiān)測。

參考文獻

[1]陳肇元.要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度[J].建筑結(jié)構(gòu)，1997，29（1）：63-66.

[2]高作平，陳明樣.混凝土結(jié)構(gòu)粘貼加固技術(shù)新進展[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3]張立人主編.《建筑結(jié)構(gòu)檢測、鑒定與加固》[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

收稿日期：2020-12-05

作者簡介：許猛（1982—），男，河南永城人，本科，工程師，研究方向：水文測驗，水文與水資源工程。

通訊作者：王運濤（1980—），男，河南商丘人，本科，工程師，研究方向：工程質(zhì)量監(jiān)督，工程測量。

Elementary Introduction to the Analysis of Surface Subsidence by Radar Remote Sensing Satellite Image Technology （SBAS）

XU Meng1，WANG Yuntao2

（1. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Shangqiu， Henan Province， Shangqiu? Henan 476000;

（2. Shangqiu City Standard Rating Station， Shangqiu Henan? 476000）

Abstract：In recent years， with the continuous development of urban construction， man-made or natural factors such as underground water extraction， subway construction， and volcanic eruptions have inevitably caused the settlement and deformation of the urban ground. Conventional methods of GPS measurement and precision leveling of land subsidence are difficult to meet the needs of large-scale and small-scale settlement of the urban ground. Synthetic Aperture Radar （InSAR） technology has the advantages of wide coverage， large range， fast data acquisition speed， monitoring of difficult-to-monitoring areas， and high monitoring accuracy. This provides a new method for urban land subsidence monitoring. However， studies have found that it is severely affected by time， space and atmospheric delays. PS-InSAR technology and SBAS technology have broken through this limitation， so they have played an important role in the work of urban land subsidence.

Keywords： D-InSAR; SBAS; dynamic monitoring network; groundwater exploitation; surface subsidence