SBAS技術在南京河西地表沉降監測中的應用

郭樂萍，岳建平，岳 順

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

SBAS技術在南京河西地表沉降監測中的應用

郭樂萍，岳建平，岳 順

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

由于地質條件的影響及城市化進展的不斷加快，南京河西地區地面沉降日趨明顯。本文以2007—2011年16景日本ALOS PALSAR衛星升軌數據為例，采用SBAS技術分析了河西地區的沉降趨勢，反演了研究區的地表形變場，并與水準測量數據進行了對比，驗證了SBAS用于沉降監測的準確性和時效性。

小基線集(SBAS)；沉降監測；干涉；形變場

地面沉降是許多國家面臨的地質環境問題，是在自然和人為因素的共同作用下引起的地面高程不均勻下降的地質現象，這是一種無法補償的永久性環境和資源損失[1]。地面沉降的監測方法從最初的水準測量為主，逐漸發展為采用GPS測量，進而使用合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術為主要手段，在精度、時效性等方面都有了顯著提高。

差分干涉測量方法(DInSAR)具有覆蓋范圍大、成本低，分辨率高等優點，并且可以全天時全天候作業。但常規DInSAR方法受時空去相干和大氣延時相位影響嚴重，很大程度上限制了DInSAR方法在地表形變監測中的應用[2]。小基線集(small baseline subsets，SBAS)技術可有效解決DInSAR技術中時空基線過長的失相干問題，同時降低圖像對基線的依賴性[1]，在繼承常規DInSAR方法優點的同時，能夠獲得長時間緩慢地表形變的發展規律，提高形變監測的時間分辨率。本文以南京河西地區為例，探討SBAS技術在地表沉降監測中的應用。

1 小基線集(SBAS)技術原理

小基線集技術首先將所獲得的SAR影像按照空間基線大小組成若干個集合，然后根據最小二乘(LS)方法得到每個小集合的地表形變時間序列，最后利用奇異值分解(SVD)的方法，將多個小基線集聯合起來求解，從而得到整個觀測時間內的形變時間序列[3- 4]。

(1)

假設由在tA、tB兩個時刻獲得的SAR影像進行干涉得到第i幅干涉圖，并假設tB>tA，在去除地形相位后，則干涉圖在像元x處的干涉相位表達式為

(2)

式中，λ為雷達波長；d(tA,x)和d(tB,x)是像元在tA和tB時刻相對于初始時刻t0的LOS方向累計形變，有d(t0,x)=0。為了便于闡述基本原理，式(2)中未考慮去相關現象、大氣折射引起的相位改變及殘余地形相位。假設式(2)中δφ(x)為解纏之后的相位，并且所有干涉圖都已配準到統一坐標系下，則以下分析均以某一像元為例建立方程。

假設IE為主影像，IS為從影像，對應的時間序列分別為

(3)

并且式(3)滿足IEj>ISj，?j=1,2,…,M。則任意干涉圖對應的相位表達式為

δφk=φ(tIEk)-φ(tISk) k=1,2,…,M

(4)

式(4)是含有N個未知數的M個方程組，用矩陣形式表示為

Aφ=δφ

(5)

式中，A為M×N維系數矩陣。當M≥N時，A的秩為N，此時根據最小二乘法求得

φ=(ATA)-1ATδφ

(6)

當系數矩陣A的秩小于N時，法方程系數陣ATA是秩虧的，此時應用最小二乘法無法得到唯一解，可考慮采用奇異值分解法[5- 7]對式(5)進行求解。

SBAS技術應用于干涉測量中，可明顯地減弱空間基線失相干的影響。利用奇異值分解(SVD)方法聯合多個小基線集進行求解，可有效解決由于空間基線過長造成的時間不連續問題，從而提高監測的時間分辨率[8]。

2 試驗研究

為了對SBAS技術應用于沉降監測中的有效性和實用性進行驗證，以南京市河西地區作為研究對象，影像覆蓋范圍如圖1所示。南京市河西地區是指內秦淮河以西與長江中間的區域，位于南京的西南地區，北起三汊河，南接秦淮新河，西臨長江夾江，東至外秦淮河、南河，總面積約94 km2，現有人口35萬人。河西地區以前是一片河漫灘地，地下土層結構復雜。

試驗采用2007—2011年間日本ALOS PALSAR雷達衛星采集的16景升軌數據，觀測模式為FES/FBD，入射角34.3°。采用的DEM數據為SRTM3，經度優于16 m，滿足試驗所需。

圖1 影像覆蓋范圍

利用SARScape5.2軟件對數據進行處理[9]，經過對16景影像分析可知，其時間基線跨度近5年，空間基線的絕對值介于328.96～2 982.11m之間，比理論臨界空間基線(約為5505m)小得多。在操作時，選擇2009- 08- 23日采集的影像作為超級主影像，在干涉配對時對空間和時間基線作適當的約束，由此得出的干涉相對及其組合情況如圖2所示。

圖2 SAR影像時間基線

經過SBAS處理后，得到了南京河西地區的地面沉降速率圖(如圖3所示)，其中(a)為影像覆蓋整體區域的沉降速率，(b)為研究區河西的放大圖。從圖中可看出河西地區變形比較嚴重，大部分的位置都發生了或多或少的沉降，整體呈現出了自北向南的條帶狀分布特點，尤其是北部沉降更為顯著。圖4為水準測量得到的河西地區沉降速率，從折線圖可以看出沉降速率多數集中在0～40mm/a，極少數達到了50～100mm/a，這與圖3的值基本一致。但由于SAR獲取的信息較為全面，可得到更多沉降細節，而實測值因數量有限，且分布較為稀疏，并不能完全與SAR測量成果一致。由此說明SBAS技術可以很好地獲取地面沉降速率，并且可以更全面地對整體趨勢進行把握和分析。

圖3 南京河西地區沉降速率

圖4 河西地區實測沉降速率

普遍的觀點認為高精度水準測量應用于區域地面形變，所得到的成果精度相對較高，且所測的數據穩定性好[10]。因此，為了驗證SBAS監測成果的準確性，在河西地區選取5個監測點，將它們的水準測量結果與SBAS監測結果進行對比(如表1、圖5所示)。由于所用的InSAR數據與實測的水準測量值并不是同周期的，因此結果可能不完全一致。但從圖表中可看出，SBAS監測值與水準測量值的吻合程度較高，精度可達到毫米級。若采取水準測量值為真值，則SBAS的監測精度基本能夠滿足區域地面沉降監測要求。

表1 InSAR監測與水準測量值及誤差 mm/a

結合研究區域的地質條件和城市化進展可知，導致地面沉降的因素主要有以下幾點：

(1) 自然因素。導致河西地面沉降的最主要自然因素是軟土層的自重壓密固結。河西地區位于我國長江河漫灘平原地帶，土質為河漫灘相軟土。土層含水量高，在自重應力的作用下，土體受到壓縮，伴有部分水從土中排出，產生釋水壓密固結，從而發生沉降。除此之外，導致沉降的其他自然因素還有地殼新構造運動及海平面上升。

圖5 InSAR監測與水準測量成果對比

(2) 人為因素。近年來隨著河西地區經濟的發展，人類活動日益頻繁，由此導致河西地區地面沉降日趨明顯。對沉降影響較大的原因有：地面荷載的增加、地下工程施工及地下水的開采。伴隨城市化建設的發展，出現了大量新的建筑物，導致地面荷載引起的沉降效應逐漸明顯。同時一些地下工程的施工引起地表下沉，加之地下構筑物對含水地層水體流通的影響，引起地面不均勻沉降。除此之外還有地下水的開采，使土體發生壓縮變形，且含水系統的平衡狀態遭到破壞，從而產生地面沉降。

3 結 語

本文利用小基線集技術對南京河西地區的地表沉降進行了分析，通過與實測的高精度水準測量數據進行對比，驗證了SBAS技術能夠準確有效、大面積地提取監測區域的地表形變場，克服了SAR數據基線和時間去相干的影響，從而獲取有效的形變信息。但受數據獲取與技術方面的一些限制，監測精度等還存在一些缺陷，若考慮與其他檢測方法結合使用，將會取得更為理想的效果。

總體而言，SBAS探測地表沉降監測效果較為理想，可以在短時間內得到大面積、高空間密度的地表形變場，成本較低且無需地面控制點，這些優點對于獲取水準測量難以進行的地區的形變場非常有利。

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Application of SBAS Technique in Surface Subsidence Monitoring ofNanjing Hexi Area

GUO Leping，YUE Jianping，YUE Shun

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

Due to the influence of geological conditions and the accelerating of urbanization progress，land subsidence of Hexi area, Nanjing has become increasingly obvious. In this paper 16 views Japan ALOS PALSAR satellite ascending orbital data from 2007 to 2011 are taken as an example. By using SBAS technology to analyze subsidence trend of Hexi area, the surface deformation field of study area was inversed. Compared with measurement data, the accuracy and timeliness of the SBAS for subsidence monitoring are verified.

SBAS;subsidence monitoring; interference; deformation field

2016- 07- 11

國家自然科學基金(41174002)；湖南省重點實驗室開放研究基金(PKLHD201311) 作者簡介： 郭樂萍(1991—)，女，碩士生，研究方向為3S技術集成及應用。E- mail：hhuguoleping@163.com

郭樂萍，岳建平，岳順.SBAS技術在南京河西地表沉降監測中的應用[J].測繪通報，2017(3)：26- 28.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0077.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0026- 03