晏王波
(江蘇省測繪研究所,江蘇 南京 210013)
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,城市的工程建設越來越頻繁。諸多的人類活動往往對于地面有一定的影響,典型的如隧道修建、地下水抽取等[1-3]。這些人類的活動往往會引起地面的沉降,即在自然或人為因素共同或單獨作用下,逐步、緩慢地實現(xiàn)地面下沉或地陷的現(xiàn)象[4-5]。地面沉降作為一種地質(zhì)災害,是由于地質(zhì)構(gòu)造松散巖層逐步壓縮,在一定范圍內(nèi)的地面高程降低的現(xiàn)象,但其具有緩慢性等特點,難以被察覺,因而通常以年均沉降毫米進行定量衡量[6-7]。地面沉降的地質(zhì)現(xiàn)象不可逆、影響范圍廣等特點,容易引起地基塌陷、房屋開裂、管道破損等問題[8-9]。
我國從1920年開始發(fā)生地面沉降,到1970年,華東地區(qū)的長江三角洲平原及主要城市、京津冀地區(qū)的主要平原地區(qū)也相繼出現(xiàn)地面沉降,從最初的點狀沉降到面的大范圍沉降,這樣導致的沉降范圍變大,也容易形成聚集性的地面沉降,對人類的正常生產(chǎn)、生活都有較大的影響,因而,預防地面沉降是極為重要且有意義的[10-11]。
為了有效預警與監(jiān)測地面沉降,業(yè)界很多專家都進行了深入的研究,如利用傳統(tǒng)的測量方式進行點位的測量,通過對比分析每年的實際高程,測算出是否存在地面沉降的情況。但需要注意的是傳統(tǒng)的測量方式存在成本高、監(jiān)測面積小等不足,因而,有學者引入合成孔徑雷達技術(shù)進行檢測,即利用覆蓋面積大的影像進行持續(xù)性的監(jiān)測,提升了監(jiān)測范圍與監(jiān)測頻次,通過進行不同影像間的差分干涉,實現(xiàn)具體的地面沉降現(xiàn)象捕捉與探索。但由于對合成孔徑雷達影像的解譯與分析技術(shù)存在諸多影響因素,因此,如果不有效地進行誤差因素剔除,則會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。業(yè)界學者通過短基線(SBAS)技術(shù)、永久散射體干涉測量技術(shù)對城市的地面沉降監(jiān)測進行分析,成為獲取地面沉降或地表形變的重要技術(shù)方向,這些方法也能夠有效地實現(xiàn)對雷達影像的處理,有效提升了地面沉降監(jiān)測的應用場景與效益[12-14]。
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,灌河口周邊也出現(xiàn)了城鎮(zhèn)化的現(xiàn)象。通過越來越多的工廠聚集,吸引了多數(shù)勞動力在此工作與生活,同時也對環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。因此,針對這些環(huán)境變化與監(jiān)測需求,本文采用了25景RADARSAT-2雷達影像,基于短基線方法,嘗試探索河口周邊的地面沉降信息,同時,進一步反演地面沉降的具體過程,為河口周邊的發(fā)展與環(huán)境保護提供技術(shù)支撐。
為了有效地進行地面沉降監(jiān)測,本文針對研究區(qū)灌河口的實際情況,選用覆蓋研究區(qū)的影像進行監(jiān)測,具體的數(shù)據(jù)源時間周期為2015—2018年,數(shù)量為25景,空間分辨率約為25 m,以最初始的影像作為主影像,其余為輔助影像,進行垂直基線的計算。
DEM采用公開的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。
通過對研究區(qū)域進行研究,本文選擇短基線(SBAS)方法進行地面沉降監(jiān)測分析。短基線方法是利用在固定的時間周期內(nèi),通過設定一定空間閾值內(nèi)的自由組合干涉對,降低時空失相關(guān)對數(shù)據(jù)分析的影響,以達到監(jiān)測的目的,這種方法是較為常見的合成孔徑雷達處理方法。在影像數(shù)據(jù)明確的情況下,可以逐漸形成較多的干涉對,進一步提升觀測質(zhì)量,增加多余的觀測數(shù)量,以便有利于提升雷達影像結(jié)算的具體精度。
例如,針對研究區(qū)域覆蓋了N+1個雷達影像數(shù)據(jù),通過設定時空兩個角度的基線閾值,形成組合干涉對,并從干涉圖剔除相應的地形因素影響,得到兩兩圖像之間的差分干涉圖,具體可用公式(1)進行計算:
(N+1)/2≤M≤[N×(N+1)]/2
(1)
在公式(1)的基礎上,對干涉圖的干涉相位進行定量求解,具體如公式(2)所示:
δΦj=Φ(tB)-Φ(tA)≈4π[d(tB)-d(tA)]/λ
(2)
式中:Φ(tA)和Φ(tB)表示tA和tB相位;d(tA)和d(tB)表示地表形變量;λ表示雷達波長。
在公式(2)的基礎上,對差分干涉相位進行具體求解,具體如公式(3)所示:
δΦj=Φ(tIEj)-Φ(tISj),j=1,…,K
(3)
上式是由N個未知數(shù)的M個方程式組成的方程式,具體如公式(4)所示:
δΦj=AΦ
(4)
式中,A是一個M×N的系數(shù)矩陣,可將A轉(zhuǎn)換為公式(5):
(5)
將未知數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜徲跋瘾@取時間內(nèi)像元點沿LOS向的平均速率,將公式(5)進行轉(zhuǎn)換,具體如公式(6)所示:
(6)
對公式(6)進行轉(zhuǎn)換,具體如公式(7)、公式(8)所示:
(7)
Bv=δΦ
(8)
式中:B表示主從影像之間的矩陣;v表示形變速率。
綜合考慮高程的因素對相位數(shù)據(jù)的影響,可以利用相應的沉降模型來進行高程誤差的估算,再根據(jù)每個周期的沉降速率進行時間域上綜合,可得到不同周期內(nèi)地表形變的具體數(shù)值。
SBAS方法的處理步驟主要包括:
①針對研究區(qū)的雷達影像進行統(tǒng)一的配準,實現(xiàn)同一坐標系下的處理,在此基礎上,生成相應的干涉組合;②在干涉組合生成的基礎上,利用濾波等方法過濾掉相應的失相干噪聲;③利用高程數(shù)據(jù)對相位進行數(shù)值模擬,以去除相應的地形影響因素;④利用相位解纏的方式實現(xiàn)干涉圖的求解,并有效剔除大氣相位,確保數(shù)據(jù)更加精確;⑤在步驟④的基礎上,進行平均位移速率和相應的時間序列變化的結(jié)果分析。
為了明確干涉圖的解譯效果,可以通過調(diào)整相應的雷達影像相干性閾值進行分析,經(jīng)過多次試驗對比,設置對應的閾值為0/35。在選取相應干涉點的基礎上,構(gòu)建三角網(wǎng)來進行建模解算,利用lowest cost方法進行干涉解纏,同時,將相應的雷達影像相位校正到相干性較高的參考點上,求解相應的周期范圍內(nèi)(2015—2018年)研究區(qū)地面沉降形變的年均沉降速率。
從具體的雷達影像解譯結(jié)果可以看出,研究區(qū)周邊存在多個明顯的沉降漏斗,其中堆溝化工園區(qū)相對最為嚴重,年均沉降速率最高達到-75.7 mm/a;此外,臨港產(chǎn)業(yè)園和陳家港化工園區(qū)也有沉降漏斗出現(xiàn)。
為了進一步驗證研究區(qū)監(jiān)測范圍內(nèi)短基線方法的有效性,本文搜集了研究區(qū)周邊12個水準數(shù)據(jù),其監(jiān)測的周期為2015—2019年,通過對比兩種不同的方法得到的形變監(jiān)測值,來評估短基線方法進行地面沉降監(jiān)測的有效性。
綜合比較實際監(jiān)測的結(jié)果與短基線方法解譯雷達影像數(shù)據(jù)得到的結(jié)果,如表1所示。
表1 水準點與InSAR監(jiān)測結(jié)果對比 單位:mm/a
兩種方法最大差值為6.74 mm/a,最小的差值為-6.45 mm/a,利用相應的均方根誤差指標定量評估兩種方法的差值,具體如公式(9)所示:
(9)
式中:N為具體的水準測站的數(shù)量;?Hi為水準監(jiān)測的地表形變結(jié)果; ?hi為短基線方法監(jiān)測出的地表形變結(jié)果。利用公式(9)對表1中的數(shù)據(jù)進行綜合分析,最終得到均方根誤差為4.52 mm/a,說明短基線方法在研究區(qū)范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測是有效的,結(jié)果是可信的。
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,對城市進行有效的地面沉降監(jiān)測是極為重要的。本文嘗試利用短基線方法對研究區(qū)灌河口周邊進行地面沉降的檢測,監(jiān)測的周期為2015—2018年,并獲取了相應的年均沉降速率、地面沉降空間分布特征,其中,最大的年均沉降速率達-75.7 mm/a。
(1)從時間角度來看。在本研究的監(jiān)測周期范圍內(nèi),地面沉降的漏斗存在集中成片的趨勢,這主要由于人類生產(chǎn)、生活頻繁,特別是研究區(qū)內(nèi)的化工企業(yè)不斷增加,工業(yè)產(chǎn)能逐步提高,導致對地面的負荷逐漸增大,同時,抽取地下水數(shù)量更為明顯,因而導致地面沉降。
(2)從空間角度來看。沉降漏斗存在的地區(qū)相對較為集中,即明顯聚集于化工園區(qū),這類地區(qū)相較其他地區(qū)開采地下水更為嚴重,大量的人類生產(chǎn)、生活導致了地面沉降塌陷。
(3)從實驗方法來看。短基線方法能夠在研究區(qū)灌河口周邊實現(xiàn)有效的監(jiān)測。