基于PS-InSAR技術(shù)的常州市地面沉降監(jiān)測(cè)與分析

韓 帥，陳媛媛，高業(yè)何敏

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，地面沉降已對(duì)城市發(fā)展造成了不容忽視的影響。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法多采用大地水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量技術(shù)，這兩種手段發(fā)展成熟且單點(diǎn)精度高，但也具有不可忽視的缺點(diǎn)，如：監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，野外作業(yè)環(huán)境惡劣，人員作業(yè)效率低而且作業(yè)強(qiáng)度大，很難對(duì)大范圍研究區(qū)域的整體沉降進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。近年來隨著遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Synthetic aperture radar interferometry，InSAR)技術(shù)被逐漸運(yùn)用到地表三維建模等方面，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的D-InSAR技術(shù)可以獲取大范圍和一定時(shí)間尺度的地表形變信息，但是隨著時(shí)間跨度的增大，影像間的時(shí)間失相干和大氣誤差的影響逐漸增強(qiáng)，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大，且D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度較低，只能達(dá)到厘米級(jí)。為了克服這些不足，在D-InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的PS-InSAR技術(shù)主要利用長(zhǎng)時(shí)間序列影像中保持高相干性的目標(biāo)來獲得可靠的相位信息，從而消除大氣誤差和時(shí)間失相干的影響，獲得可靠的地表形變信息，精度可以達(dá)到毫米級(jí)[1-4]。

本文基于PS-InSAR技術(shù)對(duì)長(zhǎng)三角城市——常州市部分區(qū)域的地面狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用53景長(zhǎng)時(shí)間序列的Envisat ASAR影像數(shù)據(jù)展開實(shí)驗(yàn)，并將其結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證PS-InSAR技術(shù)在城市沉降監(jiān)測(cè)方面的有效性，為相關(guān)部門制定城市災(zāi)害防范策略提供一定的理論依據(jù)。

1 PS-InSAR技術(shù)原理

PS-InSA技術(shù)是由意大利的Ferretti等人提出的一種形變監(jiān)測(cè)技術(shù)[5-6]。該方法的基本思路是：從N幅SAR影像中選取最佳的主影像，然后進(jìn)行配準(zhǔn)、重采樣和干涉處理，得到N-1幅干涉圖像，使用該研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)去除地形相位，同時(shí)去除平地相位，得到干涉圖像每個(gè)像素的差分相位[7-8]。第j幅圖像的第i個(gè)像素的差分相位表示為：

(1)

式中，φdef表示地表形變相位，φtopo表示去除地形相位后的殘余地形相位，φatm表示大氣延遲相位，φorb表示軌道誤差相位，φnoi表示噪聲相位。

通過分析像元的噪聲特征來識(shí)別穩(wěn)定的點(diǎn)目標(biāo)，選擇那些在時(shí)間序列上保持相位穩(wěn)定的點(diǎn)，然后計(jì)算每個(gè)像元的整體相關(guān)系數(shù)，保留那些相關(guān)性高的點(diǎn)目標(biāo)，同時(shí)設(shè)置容錯(cuò)值，減小錯(cuò)選的概率，從而完成對(duì)PS點(diǎn)的篩選，根據(jù)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差消除相鄰候選點(diǎn)目標(biāo)引起的影響，最終選取穩(wěn)定的高相干的PS點(diǎn)[9-11]。接下來初步估算PS點(diǎn)的平均沉降速率和殘余的地形誤差，通過在時(shí)間上進(jìn)行高通濾波和空間上進(jìn)行低通濾波，估算和去除大氣延遲相位的影響，從而第二次估算PS點(diǎn)沉降速率和地形誤差，最后通過地理編碼將雷達(dá)坐標(biāo)系下的PS點(diǎn)沉降信息轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系[10,12]。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術(shù)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

常州市位于中國(guó)江蘇省南部，地理范圍為北緯31°09′～32°04′，東經(jīng)119°08′～120°12′，地面海拔3～10 m，部分山區(qū)海拔200～500 m。它是長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)帶的重要城市之一，也是先進(jìn)的制造業(yè)基地和文化旅游名城。近些年，隨著常州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建筑面積快速擴(kuò)張，城鎮(zhèn)居民人口不斷增多，導(dǎo)致對(duì)地下水過度開采，地下水位大幅下降，部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的地面沉降。本文研究區(qū)域位于常州市的東半部區(qū)域，主要包括鐘樓區(qū)東部、天寧區(qū)西南部、武進(jìn)區(qū)東北部以及新北區(qū)南部等區(qū)域，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)范圍及水準(zhǔn)點(diǎn)位置

2.2 數(shù)據(jù)選取

本文實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是從2004年5月到2010年4月的53景常州市Envisat ASAR數(shù)據(jù)，雷達(dá)入射角大約為23°，影像覆蓋范圍為15 km×15 km，包含了常州主城區(qū)和主要的交通干線。DEM數(shù)據(jù)為SRTM系統(tǒng)獲得的分辨率為30 m×30 m的高程數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)選取2007年5月10日的影像為主影像，共生成52對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)，其時(shí)空基線關(guān)系如圖3所示。為了檢驗(yàn)PS-InSAR技術(shù)的沉降結(jié)果，本文利用實(shí)地測(cè)量的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)來對(duì)PS-InSAR沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，水準(zhǔn)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖3 干涉組合時(shí)空基線示意圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過對(duì)常州市的53景影像進(jìn)行裁剪得到覆蓋研究區(qū)域的影像，并對(duì)裁剪后的影像進(jìn)行PS-InSAR處理，選取39 269個(gè)PS點(diǎn)。PS點(diǎn)的分布情況及其沉降速率如圖4所示，藍(lán)色系表示地面抬升，紅色系表示地面沉降。由圖4可知，PS點(diǎn)主要分布在建筑物、鐵路、公路以及植被覆蓋較少的地區(qū)；植被覆蓋度大的公園和水量豐富的運(yùn)河等地區(qū)沒有PS點(diǎn)。研究區(qū)的沉降速率范圍為-10.92 mm/year～11.42 mm/year，從整體來看常州市大部分地區(qū)已經(jīng)呈現(xiàn)出地面回彈現(xiàn)象，沉降區(qū)域主要處于天寧區(qū)中西部和武進(jìn)區(qū)與天寧區(qū)東南部的交界處等區(qū)域。

圖4 PS點(diǎn)分布情況及研究區(qū)沉降速率

從2004年到2009年選取了6幅常州市研究區(qū)域地表沉降量圖(選取每年6月份遙感數(shù)據(jù)的結(jié)果)，如圖5所示。圖5中顯示為紅色的區(qū)域表示地表下沉，顯示為藍(lán)色的區(qū)域表示地表抬升，從圖中可以看出鐘樓區(qū)與新北區(qū)交界處的區(qū)域和天寧區(qū)與武進(jìn)區(qū)交界處都表現(xiàn)為地表下沉的趨勢(shì)，從這些不同時(shí)期的圖像可以看出在沒有發(fā)生地震或者大型自然災(zāi)害時(shí)期地表沉降是一個(gè)緩慢而連續(xù)的過程。

圖5 研究區(qū)2004-2009年間地表累計(jì)形變量時(shí)間序列變化

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該地區(qū)主要分為兩大沉降漏斗，如圖6所示，分別在鐘樓區(qū)與天寧區(qū)西部交界處的區(qū)域(A區(qū))和天寧區(qū)東南部與武進(jìn)區(qū)交界處(B區(qū))，從衛(wèi)星影像可以看出A區(qū)主要為居民聚集區(qū)，B區(qū)主要為沿運(yùn)河的工業(yè)區(qū)(影像中藍(lán)色建筑為工業(yè)區(qū)廠房)。A區(qū)為河流形成的沖積扇地區(qū)，B區(qū)為河流下游交匯處，都堆積了較厚的松散堆積物，土質(zhì)層次多，地質(zhì)比較松軟。且這兩個(gè)區(qū)域人口聚集，地下水資源開采過多，導(dǎo)致水層的承重力減少，土壤承重力變大，土壤顆粒被壓縮，因此導(dǎo)致這些地區(qū)地面下沉嚴(yán)重。對(duì)比圖6中A區(qū)與B區(qū)的PS點(diǎn)分布情況，可以看出B區(qū)的地面沉降比A區(qū)的地面沉降更加嚴(yán)重。

圖6 研究區(qū)沉降漏斗及漏斗中心分布

實(shí)驗(yàn)對(duì)兩個(gè)沉降漏斗中心(L1和L2)的沉降趨勢(shì)進(jìn)行了分析(圖7)，結(jié)果表明，漏斗中心L1與漏斗中心L2雖然在短時(shí)間段內(nèi)有小幅度的地面回升現(xiàn)象，但整體上都呈現(xiàn)出持續(xù)沉降的趨勢(shì)，兩者的整體沉降速率和趨勢(shì)基本相同，最大沉降量都達(dá)到了-40 mm左右。

圖7 漏斗中心L1和L2的時(shí)序沉降趨勢(shì)圖

為了檢驗(yàn)PS-InSAR技術(shù)測(cè)量結(jié)果的可靠性，利用研究區(qū)域內(nèi)6個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(圖2)的精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如表1所示。選取水準(zhǔn)點(diǎn)2004年至2006年觀測(cè)的沉降數(shù)據(jù)與PS-InSAR提取的PS點(diǎn)在相同時(shí)間間隔內(nèi)的沉降量進(jìn)行對(duì)比。由表1可知，水準(zhǔn)點(diǎn)和PS點(diǎn)年均沉降量相差不大，誤差在2 mm以內(nèi)。為了更好地比較地表形變趨勢(shì)，利用表1中的數(shù)據(jù)做出水準(zhǔn)點(diǎn)和PS點(diǎn)的沉降量折線圖。如圖8所示，水準(zhǔn)點(diǎn)和PS點(diǎn)的沉降量相差較小，沉降趨勢(shì)基本吻合，表明PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)。

表1 PS點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)果比較

圖8 PS-InSAR與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語

本文以常州市不同時(shí)間序列的多幅SAR影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行干涉處理生成大量PS點(diǎn)，得到了2004年到2009年之間常州市地面的動(dòng)態(tài)沉降過程，并且對(duì)沉降結(jié)果與演化規(guī)律進(jìn)行了探索，對(duì)發(fā)生沉降的原因進(jìn)行了分析。本文研究不僅證明了PS-InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)的可行性與準(zhǔn)確性，也為相關(guān)部門對(duì)城市規(guī)劃提供了一定的科學(xué)依據(jù)。