基于InSAR技術的珠三角地面沉降監測應用

張杏清

（1.廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800）

基于InSAR技術的珠三角地面沉降監測應用

張杏清1

（1.廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800）

運用InSAR技術開展珠三角地面沉降監測，研究其產生的機理、發展趨勢和防治措施,就該區運用InSAR技術進行監測獲取地表沉降動態結果，進一步研究了在植被覆蓋密度大及水網密布區域開展InSAR監測的規律和特性，驗證了監測結果的可靠性，分析了地表沉降的主要原因。

珠三角；地面沉降；InSAR；監測

InSAR 是近年發展起來的一種先進的遙感技術[1-5]，具有方便快捷、覆蓋范圍廣、空間分辨率高、不受云層干擾等特點。目前，InSAR主要應用于DEM的生成（m 級精度）和高精度地表形變的監測[6,7]（mm～cm 級精度）。近幾十年來，InSAR 技術一直是國際遙感研究的熱點，并已廣泛應用于大面積的地表沉降監測項目中。為準確把握珠三角地區地面沉降動態，為政府制定具體防治措施和保證重要大型工程項目的建設安全，更好地為區域的經濟建設服務，運用InSAR技術實施了該地區的地面沉降監測。

1 研究區概況

珠江三角洲平原位于廣東省中南部，是我國東南沿海河口區域最大的三角洲平原，是華南地區改革開放和經濟發展最快的地區，形成了以廣州、深圳、珠海為中心的城市群，包括中山、佛山、江門、肇慶、東莞、惠州等市，面積約10 000 km2。珠江三角洲呈倒置三角形，北江、東江、西江和珠江三角洲諸河構成珠江水系，形成河網密布、水道縱橫交錯的水網，水塘澤地星羅棋布。地貌類型以三角洲平原為主體，三角洲前緣及西北部有低山、丘陵分布，中部則綴有零星低丘及臺地，珠三角地處低緯南亞熱帶，屬亞熱帶典型的季風氣候，溫暖潮濕，雨量充沛，植被茂盛，珠三角平原廣泛分布數米乃至數10 m的高壓縮淤泥及淤泥質軟土。

2 InSAR技術原理

圖1顯示了InSAR技術測量地面沉降的基本原理[4,6,7]，隨著時間的變化，地面沉降為2次SAR成像中的斜距差δR（δR=R2- R1）。

圖1 InSAR技術測量地面沉降的基本原理示意圖

根據干涉測量原理，InSAR的干涉相位表示為:

式中，φfat、φtop、φdef、φatm和φnoi分別為平地相位、地形相位、形變相位、大氣延遲相位以及隨機相位噪聲；λ 為雷達波長；R1和R2分別為主從影像斜距。

根據軌道信息結合外部DEM（如SRTM、ASTER GDEM等），可以計算出平地相位和地形相位，即

式中，B為干涉空間基線長度；α為基線與水平方向的夾角；θ0為雷達視線的名義側視角（即相對于參考橢球面的側視角）；B‖0和B⊥

0分別為名義平行基線和垂直基線；h為地面點高程。

而對于大氣延遲相位φatm則通過外部水汽數據進行校正，或者是通過空間維低頻濾波的方法進行估計，得到其估計值φ^atm并去除。而隨機相位噪聲φnoi分別為平地相位、地形相位、形變相位、大氣延遲相位，采用空間維相位降噪的方法去除。最終，將φfat、φtop、φatm和φnoi從式（1）中減去，即得到形變相位的估計結果：

通過式（4）可以計算得到地表形變引起的斜距差。通常城市區域的地表形變以沉降為主，如果不考慮水平方向的移動，則地面沉降Δ h為：

式中，θ為雷達入射角。

3 監測數據處理

3.1 研究區域數據

根據珠三角地區數據的存檔情況，選取了C波段的ENVISAT/ASAR影像，從2007～2014年不同時間段選取了不同的數據源。2007-04～2009-09之間選取Track 297 Frame 441和459的36景，2003-04～2009-12之間選取Track 175 Frame 441的33景ENVISAT/ ASAR影 像， 另 一 種 是TerraSAR影 像：2014-05～2014-07之間的11景TerraSAR影像，4個分幅覆蓋珠三角監測區域。C波段（波長5.6 cm）和X波段（波長3.2 cm）的雷達影像具有波長短監測精度高的特點，比較適合城市區域的地表形變分析。數據情況如圖2所示。

圖2 ENVISAT/ASAR與TerraSAR影像覆蓋圖

圖2a是ENVISAT/ASAR影像在珠三角區域的覆蓋圖，其中紅色覆蓋區域為將要監測的區域，每個紅色矩形框（即每個Frame）覆蓋為100 km×100 km；圖2b是TerraSAR影像在珠三角區域的覆蓋圖，其中藍色矩形框為監測區域內TerraSAR影像覆蓋，每個藍色矩形框（即每個Frame）覆蓋為30 km×50 km。

3.2 數據處理流程

雖然珠三角地區城市化程度高、建筑物密集、地物的散射特性好，但由于珠三角地區雨量充沛、氣候適宜、土質肥沃，造就了植被覆蓋率相當高，加之河網密布、魚塘多，形成了相對較為特殊的地表環境，因此在數據處理（尤其是對TerraSAR數據）時需要進行精細的誤差去除。結合采用的數據情況，項目采用GAMMA軟件進行SAR影像處理，包括影像拼接、影像配準、影像重采樣、生成干涉圖、去除平地相位和地形相位、相位解纏以及生成形變圖等，同時采用具有自主知識產權的軟件包去除大氣延遲誤差以及基準統一處理，數據處理具體方法步驟如圖3所示。

圖3 InSAR數據處理流程圖

數據處理過程的關鍵是相位誤差處理：對于軌道誤差的處理，采用全局多項式擬合方法去除該誤差；對于大氣延遲誤差的處理，根據大氣誤差在空間維屬于低頻的這一特征，同時假定區域內地面沉降的空間維尺度不超過一定的范圍，且假定大氣誤差的尺度大于地面沉降空間范圍的尺度。根據這些假定，采用局部濾波的方法去除大氣延遲誤差，從而得到形變信號占主導的解纏相位圖。

3.3 數據處理方案

由于珠三角區域影像覆蓋范圍大，直接用PS-InSAR的方法處理整個區域數據將極為耗時，另外一般而言地面沉降出現的區域也會因地域不同而有所差異。故采用兩級分辨率處理策略：首先運用SBAS-InSAR技術對該區域進行形變概略分析（空間分辨率在90 m左右，ASAR影像4×20多視），獲得大尺度全覆蓋的平均形變速率圖。通過該平均形變速率圖可以提取和識別重點形變區域的位置和形變速率，為下階段的PS-InSAR精細處理提供依據。另外，SBAS-InSAR技術的優點是可以極大限度地克服時間和空間去相干的影響，同時由于空間分辨率的降低也減輕了數據處理的運算量和復雜度。其次,根據SBAS-InSAR形變概查分析的結果，選取重點沉降區域，運用PS-InSAR技術進行局部高空間分辨率分析，獲取高空間分辨率（約20 m）的地表形變序列。對于城市區域，運用傳統PS-InSAR技術獲取地表時間序列形變是容易實現的；對于非城市區域利用Delft大學Hooper教授公開的StaMPS軟件進行處理，該軟件算法最初是運用于火山區域的形變監測，近年該軟件算法又結合了部分SBAS-InSAR技術的優點，使該軟件算法不僅適用于城市區域，而且對于非城市區域也有較好的適應性。通過該種數據處理流程和策略，應該完全可以滿足本監測項目的技術指標要求。

4 結果分析

本項目中運用InSAR技術監測珠江三角洲地區2007～2014年將近7 a的年平均沉降量，獲得了監測區域的地表形變速率圖、局部形變區域的形變序列，同時運用水準測量、GPS觀測監測重點沉降區域（中山、珠海、南沙等地區）的沉降變化，本文選取2012-12～2013-06約半年的2種方法監測的地面沉降量作對比分析。雖然3種地面沉降監測方法在監測時間上存在不一致性，但能在一定程度上反映監測區域的整體沉降趨勢。

圖4展示了重點監測區域內19個監測點GPS與水準監測結果。從沉降曲線圖可知，在大部分監測點上GPS和水準監測結果相差在15 mm內。由于GPS測量受環境等因素影響，個別點沉降量相差較大，總體而言，GPS監測結果與水準監測結果基本相符。

圖4 GPS監測和水準監測沉降量曲線圖

對照重點監測區域內水準測量與InSAR監測沉降等值線圖，由于InSAR適合城市環境的地面沉降監測，在非城市區域內農作物或其他植被覆蓋較多，影像相干性較差或者失相干，導致在這些區域內無監測結果。

對比圖5左右兩幅圖可見，南部多個沉降中心及其發育趨勢大致相同，年沉降量超過30 mm/a，其中個別地方累計沉降量超過1 m?？傮w而言，二者所測得的地表形變趨勢基本一致。

由于兩種方法監測時間的不一致性，水準觀測周期相對較短、密度不夠大、僅2次觀測結果，同時監測區域內存在的工程活動等原因影響，兩種方法在某些區域內沉降趨勢不相符。如果能在監測區域內建立更密的水準監測網絡和進行更長時間的水準監測，并采用同時期的SAR數據來分析InSAR監測地表形變量，將更能在時間上和空間上體現兩種方法對比的科學性和準確性。

圖5 重點監測區水準測量與InSAR監測等值線圖比較

通過實地調查驗證，其InSAR監測結果與水準測量、GPS測量結果和現狀基本相符。紅旗鎮三板村及小林鎮東村同樣由于大量抽取地下水進行養殖業，累計沉降超過1 m，房屋的窗臺基本與地面齊平。位于臨海的平沙鎮由于軟土自重固結沉降，加上抽取地下水和工程建設活動造成軟土荷載的改變，均加劇了地面沉降，房屋與地面由于差異沉降造成騰空現象，如圖6所示。

圖6 InSAR監測結果與實地現狀調查比較

從水準測量、GPS測量和InSAR監測結果綜合分析，可以得出珠三角區域沉降的規律和特性：①由于軟土自重固結而產生的自然地面沉降，一般年沉降量為10～30 mm；②在軟土地區抽取地下水加劇了地面沉降，年沉降量可達40～80 mm；③在軟土地區填土、進行工程建設活動，軟土荷載的改變加劇了地面沉降，年沉降量可達60～210 mm。

5 結 語

珠三角地區采用InSAR技術監測地面沉降，成功地獲取了珠三角地區的平均沉降速率和形變序列。運用InSAR技術監測城市區域的地表形變效果比較明顯，可以捕捉到小范圍的地表沉降，對于重點城市群、重大項目和高鐵、鐵路、公路等生命線的地面沉降監測有很強的示范作用，其監測成本低、效率高、精度可以滿足要求。但對于非城市區域，由于時間去相干和大氣等因素的影響，目前效果還不是很理想，技術和算法需要進一步改進。應著重研究解決時間去相干和大氣效應對結果的影響，可以利用精密水準測量和高精度GPS觀測結合InSAR技術構成綜合地面沉降監測方法，能夠有效提高InSAR監測的精度。建立利用精密水準測量和高精度GPS觀測結合InSAR技術的跨時空綜合監測體系，可以更快捷、更準確、更經濟、更實時地獲取珠江三角洲地區地面沉降變化及發展趨勢，是今后的發展方向。

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（摘自國家測繪地理信息局地圖技術審查中心網站，網址：http://dtsc.sbsm.gov.cn/）

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0123-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.044

張杏清，碩士，高級工程師，主要從事測繪生產技術管理和新技術應用研究。

2015-05-27。

項目來源：廣東省財政產業技術研究與開發資金資助項目（2011-9）。