周紅滿，胡金星，柳 想，任 鵬

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中科院深圳先進技術(shù)研究院地球空間信息技術(shù)實驗室，廣東深圳 518055）

地面沉降是沿海城市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降的成因主要分為2種：自然因素引起的沉降和人為因素引起的沉降。自然地質(zhì)因素主要是：地表松散地層或半松散地層的自固壓密、地質(zhì)構(gòu)造作用或地震、巖溶發(fā)育地區(qū)的巖溶塌陷等。人為活動因素主要是：大量開采地下資源，大規(guī)模工程建設(shè)，如地鐵建設(shè)、沿海城市的填海工程等［1］。地面沉降已成為城市化進程中普遍存在的環(huán)境地質(zhì)問題，由此導(dǎo)致的環(huán)境影響和社會危害日漸突出且日趨嚴重，成為制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要地質(zhì)災(zāi)害之一。

運用合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR）及其差分技術(shù)（D－InSAR）進行地面微位移監(jiān)測已經(jīng)取得了不少令人矚目的應(yīng)用成果，對不同地區(qū)地面形變監(jiān)測的研究結(jié)果表明，合成孔徑雷達干涉測量及其差分技術(shù)在地震形變、冰川運移、活動構(gòu)造、地面沉降及滑坡等研究與監(jiān)測中有廣闊的應(yīng)用前景［2］。但是由于時間失相干、空間失相干以及大氣效應(yīng)的影響，極大地限制了InSAR及D－InSAR的測量精度［3］。為了提高測量精度，由A.Ferretti等人在2000年提出的一項InSAR領(lǐng)域的新技術(shù)—永久散射體（Permanent Scatterer，PS）干涉雷達測量技術(shù)［4－5］，目前已成為了一種新型的高精度形變監(jiān)測技術(shù)。

1 點目標(biāo)干涉測量分析技術(shù)

永久散射體干涉雷達技術(shù)（PSInSAR）是基于永久散射體（PS）提出來的，所謂永久性散射體是指某些地面物體對雷達波在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定的反射特性，不因時間和氣候的變化而變化。點目標(biāo)干涉測量分析技術(shù)IPTA（Interferometric Point Target Analysis）是一種改進的PS技術(shù)，其優(yōu)點在于：①對于郊區(qū)或者是鄉(xiāng)村的低相干區(qū)域，也可以提取足夠數(shù)量的PS點；②可以利用更多的干涉對，即使長基線的干涉對；③僅針對提取的點目標(biāo)的時間維和空間維的特征進行分析。這種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于監(jiān)測廣州市的地面沉降和香港國際機場的地面沉降。

本文利用點目標(biāo)干涉測量分析法處理ASAR影像來得到深圳市城區(qū)的地面沉降圖。IPTA是永久散射體干涉測量技術(shù)之一。該技術(shù)僅對干涉圖中的點目標(biāo)進行解譯，因此，長空間基線的干涉對也可以使用，甚至超過極限基線。

IPTA的干涉相位模型和傳統(tǒng)InSAR一樣，解纏的干涉相位（φunw）是由地形相位（φtopo）、地表視線向形變相位（φdef）、大氣擾動相位（φatm）和系統(tǒng)熱噪聲相位（φnoise）組成，即

其中，地形相位與垂直基線成正比。線性回歸與垂直基線有關(guān)的部分。回歸直線的斜率即為高程糾正值。因此，假設(shè)形變速率是一個定值的前提下，對短空間基線的干涉對中的點目標(biāo)進行基于垂直基線和時間的二維回歸分析。然后，對大數(shù)據(jù)，利用纏繞相位進行非線性回歸。但是，對于小數(shù)據(jù)集，空間相位解纏要優(yōu)于非線性回歸。殘余相位包括大氣延遲相位、非線性形變相位和噪聲相位。根據(jù)各部分相位在時域和空間域的不同特性，迭代方法用于分離各不同參數(shù)同時精化個參數(shù)，進而精化整個相位模型。

圖1給出了IPTA方法的處理流程［6］。包括SAR SLC影像配準(zhǔn)、候選點目標(biāo)的選取、初始高程估計、初始基線計算、干涉點分析和模型精化。而結(jié)果包括高程糾正值、線性形變速率、大氣相位、精化的空間基線、相位質(zhì)量信息（時間相干性）和非線性形變歷史。IPTA的一個重要步驟是不同參數(shù)的逐步迭代提高精度。主要提高包括低精度DEM的高程糾正、空間基線的精化和點目標(biāo)列表的擴充。

圖1 IPTA方法處理流程

之前的IPTA研究將地面控制點和IPTA結(jié)果比較，已證實平均形變速率的精度為1～2mm/a，而時間序列的形變精度為2～3mm［4－5，7］。

2 研究方法

2.1 ASAR數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用的試驗數(shù)據(jù)為2008－01至2010－07期間獲取的20幅深圳地區(qū)ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)（VV極化、成像模式為IS2），研究區(qū)域如圖2所示。綜合考慮時間基線、垂直空間基線、多普勒基線等因素，選取時間為2009－03－04的影像作為主影像，表1顯示了20個干涉對的空間垂直基線、時間基線和多普勒基線。為了從干涉相位中去除地形相位分量，使用了空間分辨率為3rad/s的SRTM DEM數(shù)據(jù)。

表1 ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

續(xù)表1

2.2 深圳市地表沉降監(jiān)測結(jié)果

利用IPTA方法對表1中20景ASAR數(shù)據(jù)進行處理得到了相干點目標(biāo)的雷達視線方向的形變，圖3給出了2008－01到2010－07深圳市城區(qū)在雷達視線方向的平均形變速率疊加在Google earth衛(wèi)星圖上的效果。可以看出相干點目標(biāo)分布非常密集但不均勻，在密集建筑群體、道路等地表穩(wěn)定后向散射特征區(qū)域，相干點非常密集，而在一些易變化的反射體，如水體、植被覆蓋區(qū)等，穩(wěn)定點目標(biāo)很少。這說明了選取的相干點目標(biāo)的正確性。實驗區(qū)內(nèi)共監(jiān)測到673 133個相干點，平均密度大約為200個/km2，點密度遠高于水準(zhǔn)測量觀測點的密度。相干目標(biāo)的沉降場如圖3中所示圖例中色標(biāo)顯示。最大的沉降速率為－17.9～－10mm/a，最大的抬升速率為6～9.8mm/a。根據(jù)Q.Zhao，2009，由地殼運動引起的地面形變速率大約為5mm/a。從圖中可以看到研究區(qū)內(nèi)有些地區(qū)存在嚴重的地面形變，這些區(qū)域的平均形變速率是正常的地殼運動引起的地面形變速率的2～3倍。

圖4是相對于2008－01－09的19景雷達視線方向的地面沉降速率圖，該圖反映自2008－01－09至2010－07－07，深圳市城區(qū)沉降速率場的時間維跨度為2a的演變過程，每景圖顯示的是視線向沉降速率累加值。

圖4 相對于2008－01－09的19景雷達視線方向的地面沉降速率圖

因為本文中采用的影像只有20景，數(shù)據(jù)量較少，為了去除時間維不穩(wěn)定的點目標(biāo)，設(shè)置了較高的后向散射和較低的光譜相位差異，而使得填海區(qū)域檢測到很少的相干點。但填海區(qū)的沉降趨勢還是很明顯，主要集中在寶安區(qū)的西北部，與東莞市相鄰的茅洲河附近，以及寶安中心區(qū)、南山區(qū)、福田區(qū)、羅湖區(qū)也存在普遍的地面沉降現(xiàn)象。整體的地面沉降趨勢與之前的研究成果一致。

圖5給出了深圳市與東莞市相鄰的茅洲河附近的地面沉降圖，可以看到沿茅洲河出現(xiàn)較長的條帶狀沉降。由于茅洲河附近土質(zhì)松軟，且受河水長期沖刷，導(dǎo)致該區(qū)域地面沉降現(xiàn)象明顯。

從圖6中可以看到有個較長的條帶狀沉降，且與深圳地鐵1號線路相符，由此可推斷該條帶沉降是由于地鐵修建引起的。另外有3個明顯的沉降漏斗位于寶安區(qū)和南山區(qū)，位于西鄉(xiāng)街道的沉降漏斗半徑大約為500m，漏斗中心部分沉降點平均形變速率達到－14～－10mm/a，圖7為該沉降漏斗沿圖6中黑線方向的剖面散點圖，可清楚反映出漏斗的形狀。

3 結(jié)論與展望

通過IPTA技術(shù)和ASAR影像得到深圳市城區(qū)的地面沉降，本文得到以下幾點結(jié)論：

1）利用ASAR影像數(shù)據(jù)得到了2008—2010年深圳市城區(qū)的地面沉降圖。最大沉降速率為－17.9～－10mm/a。最大的抬升速率為6～9.8mm/a。證明深圳市城區(qū)存在嚴重的地面沉降，與前人的結(jié)論一致。

2）深圳市城區(qū)的地面沉降主要集中在寶安區(qū)西北部和南部的填海區(qū)、南山填海區(qū)、鹽田區(qū)、福田區(qū)。填海區(qū)由于地基不扎實，土質(zhì)松軟，故沉降較嚴重。檢測結(jié)果與實際情況相符，證明了檢測結(jié)果的正確性。

本文定量地給出了深圳市城區(qū)的地面沉降，盡管沒有水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)與IPTA的測量結(jié)果做比較，但地鐵沿線嚴重的地面沉降，以及發(fā)生的地面塌陷事件與現(xiàn)實相符，都證明了測量結(jié)果的精確。同時，也證明了IPTA方法能夠很好地應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測，是地表緩慢形變研究中實施大范圍、高精度和快速監(jiān)測的一項非常有前景的技術(shù)。

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