基于干涉點目標技術的地面沉降監測應用研究

唐升峰，王冠雅，劉全海

(1.廣東省地質測繪院，廣州 花都 510800； 2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083； 3.常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

基于干涉點目標技術的地面沉降監測應用研究

唐升峰1*，王冠雅2，劉全海3

(1.廣東省地質測繪院，廣州 花都 510800； 2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083； 3.常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

選取覆蓋廣州地區的29景ENVISAT/ASAR影像，基于干涉點目標技術(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)提取了廣州地區的地表形變結果，并對結果進行了分析與討論。通過對4個沉降現象明顯地區以及相應沉降嚴重地段的分析可知，廣州地區地面沉降的發生由兩種因素導致，一是該地區獨特豐富的水文地質構造條件；二是設施建設、工業生產、經濟發展等人類活動使該地土壤負載力增加，地下水需求與開采加劇，從而在多處地段呈現出不同程度的地面沉降現象。

地面沉降；形變監測；InSAR；干涉點目標技術

1 引 言

隨著合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術的快速發展，合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR)技術作為InSAR技術的延伸，在地表形變監測方面表現出全天時、全天候、高空間分辨率和大范圍監測的優勢，目前已被廣泛用于城市地面沉降監測。但是，傳統DInSAR技術存在監測精度易受時間失相關、空間失相關和大氣擾動影響嚴重等問題[1]。針對上述問題，Ferretti等[2]于2000年首次提出了永久散射體干涉合成孔徑雷達測量(Persistent ScattererInterferometric SAR，PSI)技術，該技術不僅可以間接地有效克服傳統DInSAR技術存在的缺陷[3]，還具有時間采樣率高和空間分辨率高等諸多優點，使得傳統DInSAR技術在長時間緩慢累積地表沉降監測方面的應用更具優勢[4]。但是，由于該技術對SAR數據量的要求過高，數據處理時間長，不適用于短期實際測量工程[3]。為了彌補該技術的缺陷，近年來，國內外學者提出了更為成熟的時序干涉形變提取方法，如干涉點目標分析(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)方法[5]、相干目標(Coherent Target Monitoring，CTM)方法[6]、短基線集(Small Baseline Subset，SBAS)方法[7，8]等。在各種算法的基礎上，研究人員也開發出多種PSI技術處理軟件對算法進行實現，如GAMMA、StaMPS[9]等。本文所用IPTA方法為國際知名SAR處理軟件GAMMA的一個模塊。該方法通過探測出在時間序列InSAR影像中表現出很好相干性的相干點目標，分離出殘余相位各個分量值，達到去除大氣擾動項，獲得精準形變結果的目的。探測圖像上頻譜穩定的點目標，并對其相位信息進行時間維與空間維的復合分析，獲得研究區域的可靠形變信息，達到降低時空失相干與大氣擾動影響的目的[10]。

廣州地處廣東省中南部，瀕臨南海，位于珠江三角洲北緣，是我國南方最大的海濱城市，也是中國的南大門。伴隨城市化的發展進程，城市規模不斷擴張，人口密度急劇增加，加之廣州所在珠三角地區地質環境條件復雜，淤泥和淤泥質軟土層分布廣泛，城區內許多地段已產生地面沉降并呈現加劇趨勢，對房屋、交通、水利和地下管線等基礎設施造成了較為嚴重的破壞。因此，為準確把握這一地區地面沉降動態，向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提供決策依據，對該地區地面沉降進行監測具有重要的現實意義和必要性。由于廣州屬于亞熱帶季風氣候，溫度高、雨量充足、植被茂盛，其獨特的地理氣候條件使得該區域SAR數據受時空失相干和大氣影響嚴重，本文將基于IPTA技術對該地區地面沉降進行監測，并根據監測結果對地表形變的特征與驅動因素進行分析。

2 數據源及數據處理

2.1 研究區域

本文研究區域位于廣東省中南部，覆蓋了廣州市的全部城區和佛山市部分區域，如圖1所示。該區域位于珠江三角洲北部邊緣，總體呈現出東北高、西南低的地勢特征。東北部為丘陵地帶，海拔標高一般在 300 m以下，地形高差 250 m左右，坡度15°～35°。西部為河流沉積而成的沖積平原，南部為珠江三角洲平原且含少量丘陵與臺地。亞熱帶季風的多雨氣候使得該地區水網密布，珠江、東江與流溪河在此處呈樹枝狀交匯。賦存于地層間的地下水因巖性復雜而種類豐富。在地質構造方面，廣州地區的中、新生代構造運動強烈，構造裂隙發育，例如廣從斷裂、瘦狗嶺斷裂等相互交錯，構成不同類型的水文地質單元[11，12]。伴隨廣州市經濟的發展，城區擴張和人口增長帶來的工業和生活用水需求增大，近年來地面沉降等地質災害頻繁發生。進行區域大面積地面形變監測工作迫在眉睫。

圖1 研究區域數字高程模型及SAR影像覆蓋

2.2 實驗數據及處理

本實驗選用2007年4月23日～2010年8月30日的29景C波段ENVISAT/ASAR數據進行實驗，影像獲取的相對軌道號(Track)為297。C波段雷達影像波長短，適合城市地表形變監測分析，具體信息如表1所示。

本文選取的ASAR數據參數 表1

GAMMA中的IPTA方法模塊主要包括點目標探測、點目標相位分析、回歸分析、殘差相位分析等步驟。根據點目標的強反射特性和在時間序列中穩定的散射特性[12]，該方法通常采用振幅信息分析方法對點目標進行探測，通過對干涉點進行相位回歸分析計算出高程改正值、線性形變速率和殘余相位等，根據殘余相位中各分量在時間域和空間域表現的不同特性進行時空濾波，不斷迭代精化模型，最終獲得去除大氣效應的精確形變值。IPTA數據處理流程如圖2所示。

圖2 IPTA數據處理流程圖

首先，輸入多景配準后的單視復數影像(Single Look Complex，SLC)和相應的SLC參數文件以及相應研究區域的數字高程模型(DEM)。本文選擇2008年9月29日獲取的影像作為主影像，具體時空基線分布如圖3所示。根據配準后的SLC，可以確定一個由高強度和相位穩定性的候選點組成的目標列表。同時，在候選點目標列表對應的掩膜列表中對該點進行有效標志，使其可以在拒絕低質量點的同時保持其余相關點數據堆的穩定性。初始選點完成后，提取候選點的強度值和相位值，并與基線信息分別保存為二進制文件，隨后計算差分干涉圖，借助初始基線數據和可用的DEM對差分干涉圖解纏后獲得的干涉相位進行模擬。由于差分干涉后足夠大的數據堆在時間上具有貫穿性，應首先對其進行時間域分析，利用線性回歸得到的回歸線斜率進行相對高度改正。回歸分析得到的相位離差用作探測或拒絕不合適作為IPTA點目標的質量評估標準，再利用所得的高程改正值、線性沉降率、殘差相位和解纏干涉相位等信息對模型進行精化。通過迭代改進差分參數，獲取高質量的形變結果，迭代過程中為了包含更多的點會對點列表進行擴展。

圖3 時空基線分布圖

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

基于干涉點目標技術的廣州市地面沉降監測結果如圖4所示。圖4顯示為研究區域的地面沉降速率，單位mm/y。其中，正值(綠色)代表靠近衛星方向的形變，負值(紫色)代表遠離衛星方向的形變。本文成果圖為Google Earth軟件平臺展示效果圖。

本文選擇了4個地面沉降明顯，具有代表性的區域進行詳細描述。如圖4中紅色實現方框所示：A為廣州白云區，B為廣州海珠區，C為廣州番禺區，D為佛山順德區。由圖可知，研究區域內的沉降區分布零散，主要集中在河流沿岸的經濟商業中心或工業廠房密集地區。大部分地區沉降速率在 5 mm/y～15 mm/y之間，少部分地區沉降速率超過 20 mm/y。總體看來，廣州市區形變較小，比較穩定，山區周邊還存在細微抬升，抬升速率約 5 mm/y。

注：綠色代表靠近衛星方向，紫色代表遠離衛星方向，單位mm/y。A廣州白云區，B廣州海珠區，C廣州番禺區，D佛山順德區北滘鎮。

圖4 基于干涉點目標技術的廣州市地面沉降速率圖

為更形象地對形變結果進行解譯，本文提取了P1、P2、P3、P4四個點的形變速率圖分別代表A、B、C、D四個區域中形變速率較大的點目標，如圖5所示。研究區域覆蓋佛山部分城區，通過比對可知廣州地面沉降較佛山而言程度較輕，面積較小且零散。就廣州當地而言，白云區地面沉降強度相對較大且分布零散，大洲島、板沖地段沉降較為嚴重，P1點顯示沉降速率大約為 20 mm/y；海珠區大部分都存在地面沉降現象，但沉降強度較小，最大沉降速率不超過 15 mm/y；圖4右下角顯現明顯沉降，該地段位于廣州番禺區。

圖5 A.B.C.D四區域代表性沉降點：P1廣州白云區；P2廣州海珠區；P3廣州番禺區；P4佛山順德區。

3.2 結果分析及驗證

廣州地區地面沉降主要分布在沿江、河與道路沿線地區，商業中心與工廠分布密集區。自然地理條件與人類活動等因素的綜合效應導致該地區地面沉降呈現上述分布狀態。

廣州地處亞熱帶季風氣候，全年雨量充足，地表水系發育，多條江河流經廣州市區并在此交匯，地下水資源極為豐富。但是，研究區域多為平原和低丘臺地地區，由于河流流速放緩，泥沙在此淤積而形成的沿江平原地帶土壤多為泥質豐富的紅色層巖與砂頁巖。此類地質環境中的巖石裂隙與裂縫多呈現閉合狀態，地表則多覆蓋透水性差的黏性厚土層。因此，地表水難以滲透，降水對地下水的滲入補給量微小。但沿江地區地勢平坦，適于交通建設、工業生產和人口活動，因此廣州城區建設多沿江規劃。飛速發展的經濟與人口密度的增加導致此類地段的土地承載壓力與地下水開采需求的急速增加，當地下水的補給與抽取、排泄和徑流的總量不能維持相對平衡的狀態時，土層固結壓縮，其在地表呈現出的即為不同程度的地面沉降現象。圖4所示廣州白云區(A)出現的地面沉降主要分布于大洲島、北洲村與板沖等地，盡管該地區土地利用類型多為農業用地，但是江中島與江中洲等地質承載能力脆弱地區，因為灌溉抽取地下水等原因同樣會出現一定的地面沉降。海珠區呈現的大面積輕微地面沉降主要分布于當地的大型立交橋與地鐵施工線路附近，由于基礎設施建設帶來的地質環境的局部改變也會造成相應地段的沉降。番禺區與佛山順德相應地段的沉降主要出現在工廠分布密集地區。在此開設的印刷廠、塑料廠等工業廠房眾多，大量的工業用水需求與有限的水資源和地質條件導致該地的環境承載力變差，不可避免會出現密集而且速率較快的地面沉降。

綜上所述，基于IPTA技術的時序InSAR手段可以有效監測廣州地面沉降，反映該地區地面沉降的具體情況。同樣是點數據的獲取，相比較傳統測量手段而言，該方法獲得的監測結果具有高密度、高精度和高可靠性的優勢，同時節約了大量人力物力[13，14]。監測結果顯示，廣州白云區、海珠區、番禺區出現了較為明顯的地面沉降，其余地區的地面沉降程度較輕且分布離散。通過對沉降現象的分析可知，廣州地區產生地面沉降的主要原因一是當地獨特的水文地質條件，二是經濟發展、工業生產與人類生活對地下水的開采嚴重。總體而言，IPTA技術獲得的地面沉降監測結果與實際相符，證明了該方法在城市地面沉降監測的適用性與實用性。

4 結 論

本文基于IPTA技術對覆蓋廣州與佛山部分區域的29景ENVISAT/ASAR數據進行處理，成功獲取了研究區域2007年～2010年間的地表形變信息。監測結果顯示，研究區域內的地面沉降主要出現在工業廠房密集、經濟發達的商業中心等沿江地區。沉降速率一般不超過 10 mm/y，嚴重地區可達到 25 mm/y。通過對4個沉降明顯地區及其相應代表干涉點的結果分析，可知廣州地區地面沉降的發生由兩種因素導致，一是該地獨特的水文地質構造條件，地基與土質承載力脆弱；二是設施建設、工業生產、經濟發展等人類活動導致該地土壤負載力增加，地下水需求與開采加劇。分析證明，本文使用干涉點目標技術提取相干點密度大、效率高，可以有效獲取廣州市大面積動態地面沉降情況，為該地區的城市規劃與災害防治提供有力的數據支撐。同時，該技術于廣州地區的應用豐富了傳統DInSAR技術，具有很強的理論與現實意義。

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Research of Ground Subsidence Monitoring Based on Interferometric Point Target Analysis

Tang Shengfeng1，Wang Guanya2，Liu Quanhai3

(1.Geology Surveying and Mapping Institute of Guangdong，Guangzhou 510800，China； 2.School of Geoscience and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China； 3.Surveying and Mapping Institute of Changzhou City，Changzhou Jiangsu 213002，China)

In this paper，We acquired subsidence velocity map of Guangzhou usingInterferometric Point Target Analysis(IPTA) technique with 29 scenes of ENVISAT/ASAR images collected between 2010 and 2013. The results show that ground subsidence mainly occurs in the area along rivers，commercial centers and industrial plants.Based on the analysis of 4 regions with obvious subsidence and corresponding point targets，we conclude two major factors leading to such phenomenon，one is a variety of hydrogeological conditions of such area；the other is the increased soil loading capacity and groundwater exploitation induced by human activities like facilities construction，industrial production，economic development，etc.

ground subsidence；deformation monitoring；InSAR；IPTA

1672-8262(2017)03-128-05

P237，P642.26

A

2017—02—28

唐升峰(1982—)，男，工程師，國家注冊測繪師，主要從事測繪質量檢查及生產管理工作。

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2012AA121301)；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(2014zzts049)。