PS-InSAR技術(shù)在北江下游沿線形變監(jiān)測中的應(yīng)用

蓋僑僑

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)往往伴隨著地表形變，因此確定形變區(qū)域?qū)τ诘刭|(zhì)災(zāi)害的早期防范和治理至關(guān)重要。北江作為珠江三大干流之一，下游流經(jīng)廣州、佛山等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲重要城市。其沿線地區(qū)的地表形變情況，特別是北江兩側(cè)堤岸的穩(wěn)定性和安全性，關(guān)乎著周圍數(shù)千萬人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。測繪技術(shù)已經(jīng)形成“天-空-地-水”的立體感知體系[1]，響應(yīng)了水利建設(shè)的動態(tài)監(jiān)測需求。合成孔徑雷達(dá)干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作為“天”(衛(wèi)星遙感)監(jiān)測的一種技術(shù)手段，能夠全天時(shí)、全天候、大范圍、高精度地監(jiān)測地表形變，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域[2- 4]。特別是時(shí)序InSAR(Multiple temporal InSAR，MT-InSAR)技術(shù)的發(fā)展，有效抑制了時(shí)空失相關(guān)和大氣延遲效應(yīng)，更有利于發(fā)現(xiàn)微小緩慢形變。劉朋俊[5]等利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了2015年4月至2019年9月南水北調(diào)中線干渠輝縣段的形變時(shí)空演變特征，為該區(qū)域沉降治理提供了數(shù)據(jù)支撐。劉琦[6]等利用PS-InSAR技術(shù)對佛山地鐵沿線進(jìn)行沉降觀測，發(fā)現(xiàn)佛山沉降區(qū)域主要位于禪城區(qū)西部和順德區(qū)北部，為地鐵的維護(hù)以及城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理提供了理論依據(jù)。李佳豪[7]等通過PS-InSAR技術(shù)獲取了上海市的形變速率場，以此為依據(jù)分析上海市的形變特征及誘因。

考慮到北江下游沿線多為城鎮(zhèn)區(qū)域，本文采用永久散射點(diǎn)干涉測量(Persistent Scatterer-InSAR，PS-InSAR)技術(shù)對北江下游沿線進(jìn)行形變監(jiān)測，時(shí)間跨度為2017年3月至2022年1月。

1 PS-InSAR技術(shù)原理

PS-InSAR技術(shù)是由意大利米蘭大學(xué)的Fettetti等人[8]率先提出的一種MT-InSAR方法，克服了InSAR技術(shù)中的時(shí)空失相關(guān)、大氣延遲等影響。PS-InSAR技術(shù)的基本思路是：

(1)在覆蓋同一地區(qū)的N+1幅SAR影像中選擇一幅最佳主影像，其余所有影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)、重采樣和干涉處理，生成N個(gè)干涉對影像。第k幅干涉對影像中像素(i,j)的相位包含：

(1)

式中，φdef—地表形變相位；φtopo—地形相關(guān)相位；φref—參考橢球面相位；φatm—大氣延遲相位；φorb—軌道誤差相位；φnoi—噪聲相位；λ—波長；Δr—該干涉對兩個(gè)時(shí)刻SAR影像之間的相對形變；B⊥—2次衛(wèi)星成像之間的垂直空間基線；h—觀測目標(biāo)大地高；R—衛(wèi)星到地面的斜距；θ—入射角。

(2)參考橢球面相位可以借助衛(wèi)星精密軌道狀態(tài)矢量消除，再利用該區(qū)域已有DEM數(shù)據(jù)作為參考DEM，去除地形相關(guān)相位。

(3)通過覆蓋同一地區(qū)的SAR影像時(shí)間序列和振幅離差指數(shù)方法選擇在長時(shí)序內(nèi)具有穩(wěn)定雷達(dá)特性的點(diǎn)目標(biāo)，即永久散射體(Persistent Scatterer，PS)。典型的PS點(diǎn)有建筑物、信號塔、堤壩、橋梁、裸露掩體和人工角反射器等。

(4)初步估算PS點(diǎn)的平均形變速率和殘余地形誤差，并將其分離出來。

(5)依據(jù)殘余相位在時(shí)空域上的不同特性，對其在時(shí)間上進(jìn)行高通濾波和空間上進(jìn)行低通濾波，去除大氣延遲相位和噪聲相位。

(6)第2次估算PS點(diǎn)的平均形變速率和殘余地形誤差。

(7)進(jìn)行地理編碼，將雷達(dá)坐標(biāo)系下的PS點(diǎn)形變信息轉(zhuǎn)化到到地理坐標(biāo)系。

PS-InSAR技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術(shù)流程圖

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

2.1 研究區(qū)概況

北江下游段為清遠(yuǎn)市飛來峽至佛山市三水縣思賢，河長83km，處于平原區(qū)，兩岸多堤防。北江大堤位于北江下游左岸，保護(hù)著廣州市、三水、南海和佛山等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲重要城鎮(zhèn)，屬于國家一級堤防。堤防區(qū)人口超2000萬，耕地超100萬hm2，GPD達(dá)30000億元以上。大堤從北江支流大燕河左岸的騎背嶺起，經(jīng)大燕河河口清遠(yuǎn)市的石角鎮(zhèn)，再經(jīng)三水市的蘆苞鎮(zhèn)、三水市城區(qū)西南鎮(zhèn)至南海市的獅山上，干堤全長63.34km。研究區(qū)的地理位置如圖2所示，圖中黑線框?yàn)樾巫儽O(jiān)測范圍，面積約1051.30km2，北江大堤位于左岸。

圖2 研究區(qū)地理位置

2.2 數(shù)據(jù)簡介

本文所用SAR影像數(shù)據(jù)為哨兵1號(Sentinel- 1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。2014年，歐空局發(fā)射新一代中高分辨率合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星——Sentinel- 1 A衛(wèi)星，載波為C波段，成像采用了TOPSAR模式，具備250km×250km的大范圍成像能力，時(shí)間重返周期為12d。數(shù)據(jù)距離向分辨率為3.7m，方位向分辨率為14m。2016年，Sentinel- 1 B衛(wèi)星的成功發(fā)射進(jìn)一步提高了哨兵數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率，在Sentinel- 1 A星和Sentinel- 1 B星同時(shí)覆蓋的區(qū)域，可達(dá)到6d 1次重返觀測。此外，在哥白尼計(jì)劃的支持下，Sentinel- 1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的全球存檔和實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)均可免費(fèi)獲取，為地表形變監(jiān)測提供了豐富的數(shù)據(jù)來源。由于本研究區(qū)域只有Sentinel- 1 A星數(shù)據(jù)，因此SAR數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率最高為12d。

外部DEM數(shù)據(jù)采用30m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM。該數(shù)據(jù)由2000年2月美國“奮進(jìn)”號航天飛船獲取的C波段合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)制作，可免費(fèi)獲取。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

本次形變監(jiān)測以2017年3月至2022年1月的Sentinel 1A升軌SAR影像作為數(shù)據(jù)源，時(shí)間分辨率約為12d，共143期數(shù)據(jù)。在PS-InSAR技術(shù)中，主影像的選擇影響著干涉對的干涉結(jié)果。兩幅影像之間的相干性越高干涉結(jié)果越可靠，相反可能造成干涉失敗。經(jīng)綜合考慮，本文選取20190712為最佳主影像，主影像與從影像的時(shí)空基線圖如圖3所示。根據(jù)影像強(qiáng)度和相干性選擇PS點(diǎn)，相干性閾值設(shè)為0.75。選取好PS點(diǎn)后，就需要將各PS點(diǎn)干涉相位中地形相位、參考橢球面相位、大氣延遲相位以及噪聲相位等非形變相位剔除，以獲取最終的形變相位。

經(jīng)PS-InSAR處理，研究區(qū)域2017年3月12日至2022年1月9日近5年間的平均形變速率如圖4所示，正值代表形變沿雷達(dá)視線向指向衛(wèi)星方向，負(fù)值代表形變沿雷達(dá)視線向背離衛(wèi)星方向。Sentinel- 1A SAR數(shù)據(jù)所能監(jiān)測到的北江大堤并未發(fā)現(xiàn)明顯形變，但北江沿線周邊地區(qū)存在3處形變區(qū)，分別為Area1、Area2、Area3(圖4左圖中實(shí)線框)。為了能更加直觀地看出這3個(gè)形變區(qū)的空間分布，這3個(gè)區(qū)域的形變速率場細(xì)節(jié)圖展示于圖4右圖。

圖3 主從影像時(shí)空基線圖

3個(gè)形變區(qū)的地理位置分別為清遠(yuǎn)市清新區(qū)山塘鎮(zhèn)恒平村附近(Area1)、肇慶市四會市(Area2)、佛山市三水區(qū)樂平鎮(zhèn)盛發(fā)港口碼頭附近(Area3)。這3個(gè)區(qū)域均位于人類活動頻繁區(qū)域，故而受人類生產(chǎn)、生活活動的影響嚴(yán)重。Area1在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)的平均形變速率為-9.7～5.0mm/a，主要形變區(qū)為北江右岸的橫平村居民住宅地，推測其沉降原因是抽取地下水所致。Area2近5年間的平均形變速率為-27.4～2.7mm/a，該區(qū)域位于城市，形變在空間上呈零星分布，并未發(fā)現(xiàn)大面積的沉降漏斗，最大形變點(diǎn)位于龍湖派出所的亞鋁大街附近。Area3的平均形變速率區(qū)間為-8.0～4.0mm/a，通過衛(wèi)星光學(xué)影像查看，該區(qū)域在本次監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)沒有明顯施工跡象，因此其形變原因還需進(jìn)一步探究。為了觀察形變在時(shí)間上的演變規(guī)律，分別選擇3個(gè)形變區(qū)的最大形變點(diǎn)，展示其時(shí)間形變序列(如圖5所示)。Area1在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)的最大形變?yōu)?9.7mm/a，累積形變量為-51.1mm；Area2中最大形變?yōu)?27.4mm/a，累積形變量為-132.8mm；Area3中最大形變?yōu)?8.0mm/a，累積形變量為-36.7mm。從時(shí)序演變上看3處形變區(qū)線性形變特征較為明顯，并且形變沒有趨于平緩或穩(wěn)定的趨勢。

圖4 平均形變速率圖

圖5 時(shí)序形變圖

4 結(jié)語

本文利用2017年3月至2022年1月的143景Sentinel- 1A升軌SAR影像獲取了北江下游清遠(yuǎn)市清遠(yuǎn)區(qū)-佛山市三水區(qū)的地表形變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)北江大堤沒有明顯形變跡象。北江沿線其他區(qū)域有3處形變區(qū)，分別為清遠(yuǎn)市清新區(qū)山塘鎮(zhèn)恒平村附近(Area1)、肇慶市四會市(Area2)、佛山市三水區(qū)樂平鎮(zhèn)盛發(fā)港口碼頭附近(Area3)。其中四會市的形變量級較大，平均形變速率最大超過-20mm/a，在空間上呈零星分布，沒有大范圍的沉降漏斗。在時(shí)間上，3處形變區(qū)的形變特征趨于線性，沒有減緩趨勢，仍在繼續(xù)沉降。

本文證明了PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測大范圍微小形變的優(yōu)勢，為流域沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患普查提供了參考。而對于形變區(qū)的形變成因本文還未深入探究，將是下一步的研究方向。