基于SBAS的河口周邊地面沉降監(jiān)測探究

晏王波

(江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引言

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。

1 研究過程

1.1 數(shù)據(jù)

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)。

1.2 研究方法

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。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果

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)。

2.2 水準數(shù)據(jù)驗證

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。

3 結(jié)論

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。