PS-InSAR技術在北江下游沿線形變監測中的應用

蓋僑僑

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

地質災害的觸發往往伴隨著地表形變，因此確定形變區域對于地質災害的早期防范和治理至關重要。北江作為珠江三大干流之一，下游流經廣州、佛山等經濟發達的珠江三角洲重要城市。其沿線地區的地表形變情況，特別是北江兩側堤岸的穩定性和安全性，關乎著周圍數千萬人民的生命財產安全。測繪技術已經形成“天-空-地-水”的立體感知體系[1]，響應了水利建設的動態監測需求。合成孔徑雷達干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作為“天”(衛星遙感)監測的一種技術手段，能夠全天時、全天候、大范圍、高精度地監測地表形變，被廣泛應用于地質災害監測領域[2- 4]。特別是時序InSAR(Multiple temporal InSAR，MT-InSAR)技術的發展，有效抑制了時空失相關和大氣延遲效應，更有利于發現微小緩慢形變。劉朋俊[5]等利用SBAS-InSAR技術獲取了2015年4月至2019年9月南水北調中線干渠輝縣段的形變時空演變特征，為該區域沉降治理提供了數據支撐。劉琦[6]等利用PS-InSAR技術對佛山地鐵沿線進行沉降觀測，發現佛山沉降區域主要位于禪城區西部和順德區北部，為地鐵的維護以及城區地質災害治理提供了理論依據。李佳豪[7]等通過PS-InSAR技術獲取了上海市的形變速率場，以此為依據分析上海市的形變特征及誘因。

考慮到北江下游沿線多為城鎮區域，本文采用永久散射點干涉測量(Persistent Scatterer-InSAR，PS-InSAR)技術對北江下游沿線進行形變監測，時間跨度為2017年3月至2022年1月。

1 PS-InSAR技術原理

PS-InSAR技術是由意大利米蘭大學的Fettetti等人[8]率先提出的一種MT-InSAR方法，克服了InSAR技術中的時空失相關、大氣延遲等影響。PS-InSAR技術的基本思路是：

(1)在覆蓋同一地區的N+1幅SAR影像中選擇一幅最佳主影像，其余所有影像與主影像進行配準、重采樣和干涉處理，生成N個干涉對影像。第k幅干涉對影像中像素(i,j)的相位包含：

(1)

式中，φdef—地表形變相位；φtopo—地形相關相位；φref—參考橢球面相位；φatm—大氣延遲相位；φorb—軌道誤差相位；φnoi—噪聲相位；λ—波長；Δr—該干涉對兩個時刻SAR影像之間的相對形變；B⊥—2次衛星成像之間的垂直空間基線；h—觀測目標大地高；R—衛星到地面的斜距；θ—入射角。

(2)參考橢球面相位可以借助衛星精密軌道狀態矢量消除，再利用該區域已有DEM數據作為參考DEM，去除地形相關相位。

(3)通過覆蓋同一地區的SAR影像時間序列和振幅離差指數方法選擇在長時序內具有穩定雷達特性的點目標，即永久散射體(Persistent Scatterer，PS)。典型的PS點有建筑物、信號塔、堤壩、橋梁、裸露掩體和人工角反射器等。

(4)初步估算PS點的平均形變速率和殘余地形誤差，并將其分離出來。

(5)依據殘余相位在時空域上的不同特性，對其在時間上進行高通濾波和空間上進行低通濾波，去除大氣延遲相位和噪聲相位。

(6)第2次估算PS點的平均形變速率和殘余地形誤差。

(7)進行地理編碼，將雷達坐標系下的PS點形變信息轉化到到地理坐標系。

PS-InSAR技術流程如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術流程圖

2 研究區及數據概況

2.1 研究區概況

北江下游段為清遠市飛來峽至佛山市三水縣思賢，河長83km，處于平原區，兩岸多堤防。北江大堤位于北江下游左岸，保護著廣州市、三水、南海和佛山等經濟發達的珠江三角洲重要城鎮，屬于國家一級堤防。堤防區人口超2000萬，耕地超100萬hm2，GPD達30000億元以上。大堤從北江支流大燕河左岸的騎背嶺起，經大燕河河口清遠市的石角鎮，再經三水市的蘆苞鎮、三水市城區西南鎮至南海市的獅山上，干堤全長63.34km。研究區的地理位置如圖2所示，圖中黑線框為形變監測范圍，面積約1051.30km2，北江大堤位于左岸。

圖2 研究區地理位置

2.2 數據簡介

本文所用SAR影像數據為哨兵1號(Sentinel- 1)衛星數據。2014年，歐空局發射新一代中高分辨率合成孔徑雷達衛星——Sentinel- 1 A衛星，載波為C波段，成像采用了TOPSAR模式，具備250km×250km的大范圍成像能力，時間重返周期為12d。數據距離向分辨率為3.7m，方位向分辨率為14m。2016年，Sentinel- 1 B衛星的成功發射進一步提高了哨兵數據的時間分辨率，在Sentinel- 1 A星和Sentinel- 1 B星同時覆蓋的區域，可達到6d 1次重返觀測。此外，在哥白尼計劃的支持下，Sentinel- 1衛星數據的全球存檔和實時觀測數據均可免費獲取，為地表形變監測提供了豐富的數據來源。由于本研究區域只有Sentinel- 1 A星數據，因此SAR數據的時間分辨率最高為12d。

外部DEM數據采用30m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM。該數據由2000年2月美國“奮進”號航天飛船獲取的C波段合成孔徑雷達數據制作，可免費獲取。

3 數據處理及結果分析

本次形變監測以2017年3月至2022年1月的Sentinel 1A升軌SAR影像作為數據源，時間分辨率約為12d，共143期數據。在PS-InSAR技術中，主影像的選擇影響著干涉對的干涉結果。兩幅影像之間的相干性越高干涉結果越可靠，相反可能造成干涉失敗。經綜合考慮，本文選取20190712為最佳主影像，主影像與從影像的時空基線圖如圖3所示。根據影像強度和相干性選擇PS點，相干性閾值設為0.75。選取好PS點后，就需要將各PS點干涉相位中地形相位、參考橢球面相位、大氣延遲相位以及噪聲相位等非形變相位剔除，以獲取最終的形變相位。

經PS-InSAR處理，研究區域2017年3月12日至2022年1月9日近5年間的平均形變速率如圖4所示，正值代表形變沿雷達視線向指向衛星方向，負值代表形變沿雷達視線向背離衛星方向。Sentinel- 1A SAR數據所能監測到的北江大堤并未發現明顯形變，但北江沿線周邊地區存在3處形變區，分別為Area1、Area2、Area3(圖4左圖中實線框)。為了能更加直觀地看出這3個形變區的空間分布，這3個區域的形變速率場細節圖展示于圖4右圖。

圖3 主從影像時空基線圖

3個形變區的地理位置分別為清遠市清新區山塘鎮恒平村附近(Area1)、肇慶市四會市(Area2)、佛山市三水區樂平鎮盛發港口碼頭附近(Area3)。這3個區域均位于人類活動頻繁區域，故而受人類生產、生活活動的影響嚴重。Area1在監測時間內的平均形變速率為-9.7～5.0mm/a，主要形變區為北江右岸的橫平村居民住宅地，推測其沉降原因是抽取地下水所致。Area2近5年間的平均形變速率為-27.4～2.7mm/a，該區域位于城市，形變在空間上呈零星分布，并未發現大面積的沉降漏斗，最大形變點位于龍湖派出所的亞鋁大街附近。Area3的平均形變速率區間為-8.0～4.0mm/a，通過衛星光學影像查看，該區域在本次監測時間段內沒有明顯施工跡象，因此其形變原因還需進一步探究。為了觀察形變在時間上的演變規律，分別選擇3個形變區的最大形變點，展示其時間形變序列(如圖5所示)。Area1在監測時間內的最大形變為-9.7mm/a，累積形變量為-51.1mm；Area2中最大形變為-27.4mm/a，累積形變量為-132.8mm；Area3中最大形變為-8.0mm/a，累積形變量為-36.7mm。從時序演變上看3處形變區線性形變特征較為明顯，并且形變沒有趨于平緩或穩定的趨勢。

圖4 平均形變速率圖

圖5 時序形變圖

4 結語

本文利用2017年3月至2022年1月的143景Sentinel- 1A升軌SAR影像獲取了北江下游清遠市清遠區-佛山市三水區的地表形變結果，發現北江大堤沒有明顯形變跡象。北江沿線其他區域有3處形變區，分別為清遠市清新區山塘鎮恒平村附近(Area1)、肇慶市四會市(Area2)、佛山市三水區樂平鎮盛發港口碼頭附近(Area3)。其中四會市的形變量級較大，平均形變速率最大超過-20mm/a，在空間上呈零星分布，沒有大范圍的沉降漏斗。在時間上，3處形變區的形變特征趨于線性，沒有減緩趨勢，仍在繼續沉降。

本文證明了PS-InSAR技術監測大范圍微小形變的優勢，為流域沿線地質災害隱患普查提供了參考。而對于形變區的形變成因本文還未深入探究，將是下一步的研究方向。