基于短基線集技術的城市地表沉降監測研究

邱志偉，岳建平，汪學琴，岳　順，劉　斌

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211000；2.河南城建學院測繪學院，河南平頂山467036）

基于短基線集技術的城市地表沉降監測研究

邱志偉1，2，岳建平1，汪學琴1，岳順1，劉斌1

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211000；2.河南城建學院測繪學院，河南平頂山467036）

通過對合成孔徑雷達干涉測量的去相干分析，提出了基于短基線集（SBAS）技術進行地表形變監測的方法。該方法能夠克服DInSAR易受時間、基線去相干等因素的影響，通過對短時-空基線組合的影像對進行干涉處理以提取高相干點，利用大氣延時相位與相位噪聲在頻域不同特性以達到二者分離的目的，最終獲取監測區域長時間緩慢地表形變的演變規律。本文利用2007—2011年16景南京地區ALOS數據進行了短基線差分干涉試驗，并通過實測水準數據進行了對比，結果表明該技術能夠較準確地反演出地表的形變場及累積形變量。

短基線集（SBAS）；形變監測；差分干涉；形變場

地表形變監測是進行地表形變分析研究并采取相應防治對策的重要基礎。隨著科學技術的不斷提高，地表形變監測從以往的以光學水準測量為主，逐步向采用GPS技術，并進而以合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）為主要方式，從而使其在監測范圍、監測實效等方面都有了顯著的提高。

InSAR技術成功地融合了合成孔徑雷達成像原理和干涉測量技術，該技術能利用傳感器的系統參數、姿態參數和軌道之間的幾何關系等精確測量地表某一點的三維空間位置及微小變化。但常規差分干涉測量方法（DInSAR）受時間、空間去相干和大氣延時相位的影響，嚴重限制了DInSAR方法在地表形變監測，尤其是長時間緩慢地表形變監測中的應用［1-2］。短基線集（SBAS）技術充分利用短時空基線影像的相干信息，能有效地抑制相位噪聲對地形相位的影響，從而獲取長時間緩慢地表形變的演變規律。本文以南京市為例對該技術在城市沉降監測方面進行深入探討和研究。

一、基于短基線集技術的沉降監測方法

短基線集（SBAS）技術繼承了常規DInSAR方法的優點，利用較短時空基線的影像對產生干涉圖提高相干性，下面對基于SBAS的地表沉降監測方法進行簡要的論述［3-4］。

假設（t0，t1，…，tN）時刻獲取了覆蓋同一區域N+1幅SAR影像圖，并且假設所有SAR影像已配準到同一坐標系下，從而可以得到M對時空基線均小于某一閾值的多視差分干涉對，且M滿足以下條件

假設從tA、tB兩個時間獲得的SAR圖像產生第j幅干涉圖，并假設tB〉tA，去除地形相位后，可建立未考慮大氣相位、地形誤差及失相關噪聲等的簡化模型，則干涉圖在像元x處的干涉相位可表示為

式中，λ為雷達波長；d（tB，x）、d（tA，x）分別為tA和tB時刻像元相對于初始時刻t0的LOS方向地表形變，即有d（t0，x）=0；假設相位δφ（x）為解纏后的相位，所有干涉圖經過配準，并選取相同的解纏起始點（穩定點或形變已知點）。該方法對干涉圖進行逐像元的時間序列分析，因此，以下討論均以某一像元為例來建立方程。

假設主影像時序集IE=｛IE1，IE2，…，IEM｝和從影像集IS=｛IS1，IS2，…，ISM｝，且滿足

則所有差分干涉圖相位可以組成如下觀測方程

對所有干涉圖，可將式（4）的線性模型表示為矩陣形式δφ=Aφ，其中A為M×N維矩陣。當M≥N時，則該矩陣秩為N，可對式（4）進行最小二乘法即可求解出φ的估計值 ^φ

通常為了減少基線去相干影響，會將干涉對進行分組，這樣矩陣A的M常小于N時，相應法方程系數陣秩虧，可采用奇異值分解法求解［5-7］。

采用較短基線（通常小于200 m）干涉紋圖集可以降低幾何去相干對它們的影響。此外，由于較大的高程模糊度也使得它們對DEM誤差的敏感性降低。通過累積差分干涉紋圖測量地殼形變，是該方法與永久散射體相干技術的共同點，但在去除大氣效應時采用組合多景干涉紋圖平均去除仍然帶有一定的不確定性，因此增加了該方法的復雜度。該方法的優點是可測量非線性形變，SBAS方法的數據處理流程如圖1所示。

圖1　短基線集技術流程

二、應用分析

圖2為試驗區對應的SAR幅度影像，以南京市區為中心，北至八卦洲，南至將軍山，西至老山森林公園，東至仙林以西，試驗范圍幾乎覆蓋整個南京市轄各區，如圖3所示。選擇日本ALOS衛星的PALSAR 16景升軌數據，時間跨度從2007—2011年。監測區域植被覆蓋大，地形復雜，包括山區、長江漫灘平原及水體等，數據采集密度小，時間跨度大，易受大氣效應影響。試驗數據的詳細情況見表1。

圖2　試驗研究區域的SAR幅度

圖3　試驗研究區域的Google Earth影像

表1　ALOS SAR影像數據參數

經過對各SAR影像進行空間及時間基線的分析與比較，采用以2009年8月23日獲取的影像為主影像進行配準及干涉，從其余各數據以此景影像為參照得到的垂直基線數據可以看出，最短的垂直基線為328.96 m，最長則達到2 982.11 m。由于基線較長且時間跨度近5年，因此依據短基線集技術原理，在進行差分干涉配對時進行了空間與時間基線的約束，最終得到了94組干涉對，詳細的組合情況如圖4所示。為了充分考慮時序上相位變化信息，采用了三維解纏方法即加入時序維進行空間時間三維解纏，SAR影像的Delaunay三維連接圖如圖5所示。

圖4　SAR影像時間空間分布圖

圖5　SAR影像Delaunay三維連接圖

考慮到空間及時間基線較大的數據特點，通過對數據集中最大空間基線的干涉對對應的相干圖（如圖6所示）與最大時間基線的干涉對對應的相干圖（如圖7所示）進行相干分析，可以看出相干像元分布基本覆蓋南京市區，在兩種極限情況下城區依舊表現出較高的相干性，但是水體與有植被的山區相干性較差，均無法達到高相干點的提取要求。在數據處理過程中，為抑制相位噪聲與大氣相位帶來的影響，選擇相干閾值為0.35，小于該值的相干點認為失相干嚴重，不予采用。這里采用的參考DEM為SRTM3，其精度優于16 m，滿足去除地形相位的要求；解纏參考點依據以下原則進行選取:①高相干且無形變點或已知形變點；②遠離形變區，由于SAR數據覆蓋江北區域，為避免由于跨江造成的解纏誤差，此處分別選取兩處參考點:紫金山附近地質穩定點、老山附近地質穩定點。由配準后的干涉處理、去平地效應及解纏后查驗結果可以發現，存在嚴重的地形誤差及因時間失相干引起相位誤差，這些結果會影響線形形變信息的正確提取，因此需要從結果中予以去除。經過篩查后，得到結果較為準確的78組干涉對來進行后續的大氣分離和形變反演。圖8為獲取的南京市及其周邊的形變速度場。

圖6　最長空間基線干涉對相干圖

圖7　最長時間基線干涉對相干圖

圖8　研究區域視線向形變速度場（mm/a）

從形變速度場圖中可以看出，存在4個較為明顯的沉降區域:C區為秦淮河以西的地區（簡稱河西），D區為月牙湖附近，E為南京長江二橋及南岸一帶，F為江北南京高新技術產業開發區附近。為驗證利用SBAS技術進行研究區域地表沉降監測的精度，本文重點結合河西區2007—2009年的地面監測點的時序沉降數據進行對比分析（如圖9所示），這里選擇集慶門西監測點、濱江風光帶監測點以及鼓樓區匯賢居監測點進行累積沉降對比。從序列圖可以看出，3個監測點的地面監測結果與SAR累積沉降序列基本一致。由于監測的時間與SAR數據獲取的觀測時間并不對應，需要將地面水準數據進行插值處理，難免會出現插值誤差，且由于解纏參考點的選取及殘留大氣相位噪聲等誤差的存在，使SAR數據得到的累積沉降量無法與地面監測數據完全吻合，但經時序對比可以看出，短基線集技術能夠準確地獲得試驗區的沉降趨勢。

圖9　地面監測結果與SAR累積沉降序列對比

進行監測點對比驗證后，通過對所有地面監測數據進行空間插值得到河西地區地表沉降趨勢分布圖，與SAR獲取的地表沉降速度場進行對比驗證，結果如圖10所示。從圖中可以看出，河西地區的沉降存在自北向南較明顯的條帶分布特點，從龍江經莫愁湖到集慶門都有較為顯著的沉降趨勢，因此，地面監測結果與SAR獲取的沉降趨勢基本一致，但由于SAR獲取的信息豐富，能夠得到更多的沉降細節，相對而言，地面監測點由于點位分布稀少，通過插值獲取的分布圖會有較多的孤島區域，與實際情況不符。

圖10　地面監測沉降趨勢與SAR地表形變場對比

結合本地區的地質結構，可以得到地面沉降有以下幾個主要原因:

1）C、E地區主要是長江漫灘，軟土層較厚，固結沉降仍然在進行中，具有較小的地基承載力。C地區主要是由于城市不斷發展，地上建筑迅速增加，地面荷載對其影響明顯，且伴隨著地下空間的利用，致使該地區產生較大的沉降變形；E地區是南京市新生圩港，常有萬噸級貨輪在此進行裝卸活動，并且臨近長江，易受江水水位變化影響。

2）D、F地區主要是由于城市建設較快，建筑荷載和工程施工中的抽取地下水可能引起地基不均勻的變形。需特別注意的是F區臨近山區，地質結構理應穩定，但依然出現沉降，可能與當地山體開挖活動有關。

3）從沉降速率圖中可以發現，盡管南京一橋與二橋兩座橋體上的高相干點較少，但不難發現均出現較明顯的沉降，有關單位應引起重視加強監測，以免出現安全隱患。

三、結束語

本文利用短基線集技術對南京地區進行了地表沉降分析，通過地面監測數據進行對比驗證，得到了較為準確的該地區沉降速率分布圖和時序沉降累積量。試驗結果證明該技術能夠大面積、高密度地獲取地表形場，克服SAR數據基線及時間去相干的影響，提取出有效的形變信息。但由于技術理論方面的限制，監測精度還有待進一步提高。

［1］ 何秀鳳，何敏.InSAR對地觀測數據處理方法［M］.北京:科學出版社，2012:20-30.

［2］ 岳建平，方露，黎昵.變形監測理論與技術研究進展［J］.測繪通報，2007（7）:26-31.

［3］ 盧麗君.基于時序SAR影像的地表形變檢測方法及其應用［D］.武漢:武漢大學，2008.

［4］ STROZZI T，FARINA P，CORSINI A，et al.Survey and Monitoring of Landslide Displacements by Means of L-

Research on Urban Surface Subsidence Monitoring Based on SBAS

QIU Zhiwei，YUE Jianping，WANG Xueqin，YUE Shun，LIU Bin

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0217.

P237

B

0494-0911（2016）07-0025-05

2015-07-17；

2015-12-11

河南城建學院科研基金（2013JZD008）；中央高校基本科研業務費專項資金（2014B38314）；水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室開放研究基金（PKLHD201311）

邱志偉（1985—），男，博士生，講師，主要研究方向為雷達干涉測量等。E-mail:qiuzhiwei-2008@163.com

引文格式：邱志偉，岳建平，汪學琴，等.基于短基線集技術的城市地表沉降監測研究［J］.測繪通報，2016（7）:25-29.