基于高分辨率SAR影像的上海臨港新城沉降格局分析

楊夢詩，蔣亞楠，廖明生，王寒梅

（1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

上海正著力建設成為國際經濟、金融、貿易和航運中心之一，經濟快速增長，也給土地供應帶來巨大壓力[1]。臨港新城即通過圍墾促淤、人工吹填工程在東海之濱興建而成[2,3]，其距上海市中心城區75km，分為主城區和產業區，主城區是以5.6km2的滴水湖為中心的城市綜合生活服務區，產業區是以產業開發為主的功能區塊。上海臨港新城特殊的地理位置和地質條件，也易受臺風、暴雨、天文大潮、洪汛的侵襲，對其地表進行長期、持續的監測十分重要[4～7]。

在過去幾十年里，差分合成孔徑雷達干涉測量（D-ΙnSAR）由于其卓越優勢被認為是當前最具前景的形變監測技術[8]。傳統的D-ΙnSAR方法由于時間和幾何去相干以及大氣干擾等因素大大限制了其應用。近年來，針對常規D-ΙnSAR技術問題，許多學者進行了基于高相干點的形變序列反演技術研究[9,10]。該方法在長時間序列上識別相位和幅度變化穩定的點，利用這些穩定點，實現大氣擾動、DEM誤差等等影響因子的估計，以精確獲得形變信息量。

本文充分考慮高分辨率SAR影像的特征以及影像數量，結合高相干點時間序列反演方法，從少量影像數據提取穩健高相干點，進而完成地表沉降反演。基于該方法反演上海臨港新城2009～2010年的時間形變場，并利用研究區的水準實測數據對結果進行驗證分析。

1 研究方法與數據準備

1.1 研究方法

考慮到SAR影像分辨率已經得到顯著提升，在成像時，單個像元仍對應著地面多個散射體的相干綜合，在每個分辨單元內總會存在穩定散射體，它相對于其他散射體來說更加穩定、顯著，這就是時間序列方法研究的高相干點。針對高分辨率數據特征，在少量序列數據條件下，選取高相干點，穩健地完成形變量的估計。其數據處理流程如下[9]：

（1）干涉組合

從Ν+1景影像中生成Ν幅差分干涉圖，主影像選擇的依據是最大化差分干涉圖的總體相干系數，考慮時間基線、空間基線以及多普勒頻率差來完成。可用簡單的公式來表達總體相干系數ρtotal：

（2）相干點選取

首先利用振幅離差進行初選點，在信噪比較好的條件下，振幅離差可以很好地代表相位標準偏差。計算如下：

其中，σA和μA是時間序列幅度值的標準偏差和均值。

進一步，以其中一幅干涉影像i中的像元χ為例，經過去平處理的差分干涉相位包含有五項：

這里，W{·}指一種纏繞運算，φdef.x.i是由于地表移動而引起的視線方向上相位，φatm.x.i是兩次成像內大氣擾動引起的相位，φord.x.i是軌道不精確帶來的相位殘差，φθ.x.i是由于視角誤差引起的相位差，φn.x.i是由于散射體變化、熱噪聲、配準誤差等等因素引起的噪聲相位。

形變項、大氣項、軌道項均是空間相關；由于DEM誤差也是空間相關，因此視角誤差項也是部分空間相關[9,10]。根據這四項的空間相關性，采用帶通濾波去估計空間相關性相位成份，得到Ψint.x.i。以δ來代表這四項中經過空間相關估計之后的殘余項，Δφnc代表時間相位誤差中的非空間相關部分，代表相位噪聲的非空間相關部分，因此有：

再通過最小二乘估計Δφnc，因此可以定義相位

噪聲水平的測量作為選點的指標[9]。

（3）形變估計

一旦高相干點確定之后，將完成三維時空解纏，根據前面的選點分析，已估計了每個像素上的視角非相關成份，因此有：

再根據形變相位時空相關，而大氣、軌道以及視角相位的時間不相關特性，在時間維上高通濾波，再從空間維上高通濾波。故而得到 。

1.2 數據準備

本文采用覆蓋上海臨港新城的11景高分辨SAR數據，時間跨度從2009年12月25日到2010年12月23日，獲取傳感器為TerraSAR-X，數據范圍與研究區域見圖1。影像的數據產品類型是SSC，成像模式為StripMap，分辨率約為3m。差分干涉處理中需要DEM數據來模擬地形相位以及作為地理編碼的參考，采用研究區域約90m分辨率的SRTM DEM數據。最后利用上海市地質調查研究院提供的對應時段14個水準點實測數據，對結果進行了驗證分析。

圖1 TerraSAR-X數據范圍及研究區域Fig.1 The area coverage of TerraSAR-X and research area

根據數據基線分布情況，以最大化總體相干系數為干涉組合原則，選擇2010年7月11日的數據作為主影像，其余影像均配準到該主影像，詳細數據見表1。

表1 影像及干涉對信息Table 1 The basic description of interferogram

從表中可以看出，序列干涉對的總體相干性較好，平均在0.74左右，最大可達0.9。

2 結果分析與驗證

上節中給出了數據信息，按照已介紹的處理方法，進行時間序列反演。干涉處理完成后，以0.4作為初選點的振幅離差閾值，0.68作為復選點的相位噪聲閾值，從序列中選取113101個高相干點進行分析。在此基礎上得到了臨港新城2009年12月～2010年12月的平均沉降速率（圖2）。

2.1 沉降場空間分析

臨港新城是通過人工吹填建造，吹填土土質松軟、含水率高且孔隙比大、強度低、土質極不均勻，在一定時間段內，地層固結壓縮會帶來沉降[11,12]，這個過程不可避免且沉降量大。另外，堆石體本身也有固結壓實的過程，而工程建設的施工作業與外部荷載等因素也會導致土層壓縮沉降。

圖2 TerraSAR 2009～2010年臨港新城平均沉降速率Fig.2 The deformation velocity of Lingang New City in 2009～2010 by TerraSAR

圖2顯示出研究區的年平均沉降速率為-30～5mm/a，近海地區的沉降比內陸地區更為顯著，最嚴重區域主要分布在海堤附近。區內的大型線狀地物，如海堤和主干道路，存在非均勻性沉降態勢。

臨港新城的沉降分布情況還與其建設歷史及施工順序有密切關系。施工是分段進行[13]，岸邊先填筑，再不斷加固擴展，先填筑的壓實固結漸趨穩定，而后填筑的沉降仍在持續。具體可分為九四塘以西的老填土和九四塘以東的新填土。老填土經長期壓實作用，大多數沉降速率小，且部分出現微弱回彈。新沖填土固結時間短，沉降量比較大，新筑海堤附近的最大沉降速率約達35mm/a。

研究區地面沉降分布的空間格局，與之前采用Envisat ASAR影像所作的分析基本一致。圖3是2007年10月到2010年10月的24景Envisat ASAR影像獲取的平均沉降圖，反映出九四塘以西的老沖填土區出現回彈，九四塘以東的平均沉降速率約25mm/a[14]，與本次TerraSAR-X結果揭示的規律性相同。

不同傳感器數據處理結果雖較一致，也由此看出一些不同特點。ASAR數據集的時間跨度大，可以看出2007～2010年九四塘以西的顯著回彈，而TerraSAR-X數據集的時間跨度小，九四塘以西的老沖填土區已趨于穩定，新沖填土區沉降速率則較大；傳感器工作波段不同，對形變的敏感程度也有差異，TerraSAR-X短波長對細微形變的反映更出色，其獲得的新沖填土區的沉降速率更大。TerraSAR-X的高分辨率優勢在于，對地物細節的呈現，其高相干點與地面分辨單元對應關系更加明確，可以提高選點的準確性。TerraSAR-X數據處理時，設置了相位噪聲閾值，剔除噪聲大于閾值的相干點，避免了噪聲影響結果的穩健性。

圖3 Envisat ASAR 2007～2010年臨港新城平均沉降速率Fig.3 The deformation velocity of Lingang New City in 2007～2010 by Envisat ASAR

2.2 反演精度驗證

利用上海市地質調查研究院提供的2009～2010年的14個水準點數據，進行實驗結果驗證。由于水準點有限，加之沒有與水準點位置完全精確符合的高相干點作為驗證對比，因此驗證點的選取方法是在水準點位置50m內，考慮地貌條件差異選擇最鄰近點。采用該方法的原因在于，TerraSAR-X是高分辨率SAR數據，對地物的細部描述更加具體。一般采用的算術平均法是用水準點附近100m的所有高相干點均值與水準實測沉降速率對比，這樣的方法比較適用于ENVΙSAT ASAR中等分辨率的數據。對于海堤這樣復雜的情況，驗證點的選取很重要，海堤護坡外側石堆及草地和防浪墻及內側與連接的交通干道，這幾個位置上形變值差異很大，故一定要選擇與水準點位相符的作驗證。

表2顯示了相應時間段內ΙnSAR反演結果與水準實測形變速率值的對比，以中誤差、平均誤差作為衡量精度的指標。相干點目標的沉降速率與水準點數據進行比較，得到平均誤差為1.510mm，中誤差為2.016。

我國對城市地面沉降的精度要求是，偶然中誤差5mm/km、全中誤差10mm/km。偶然誤差最大的12號水準點位于堤岸內坡公路內側，與之相比較的相干點目標則分布在內坡旁邊的公路上，但驗證點選擇時考慮了距離因子，因此D-ΙnSAR反演結果可滿足沉降監測需求，并具有精度保證。

圖4 形變速率的水準測量與D-ΙnSAR反演結果對比Fig.4 The results comparison of deformation velocity between leveling and D-ΙnSAR

圖4是水準實測數據與反演結果對比圖，可以看出其結果基本符合，D-ΙnSAR反演結果略微偏大，7號水準點符合最好，相差0.055mm，達到亞毫米級精度，12號水準點偏差最大，但仍未超過5 mm。

本文所利用的水準監測數據大都位于海堤上，而臨港新城尚缺乏面積水準監測數據，這些區域難以利用傳統的監測手段快速獲取區域沉降動態情況，而建立健全水準監測網需相當長時間，重復觀測周期也較長，且水準點自身沉降也會影響監測精度。所以采用時序SAR影像監測特殊區域形變有獨特優勢。

3 結語

本文采用TerraSAR-X影像，對由圍海造地興建的上海臨港新城的沉降狀況作了分析，結果表明，九四塘以西的老沖填土區已趨于穩定，九四塘以東的新沖填土區形變量較大；利用水準監測數據對結果進行驗證，誤差滿足城市形變監測的工作精度。時間序列SAR數據反演沉降，結果是合理的。采用時間序列ΙnSAR技術，對濱江沿海圍墾促淤新成陸地區的沉降監測具有獨特優勢。

致謝：感謝北京視寶公司、ASTRΙUM公司和德國宇航局（DLR）提供TerraSAR-X數據和上海市地質調查研究院提供水準點驗證數據。

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