吳龍飛，陳凌偉，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

城市地面沉降如今已成為常見的一種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大影響。目前，我國常用的地面沉降監(jiān)測手段仍以水準(zhǔn)測量為主，其精度雖高，但也存在外業(yè)工作量大、覆蓋范圍小、時(shí)效性差等缺點(diǎn)。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)是正在發(fā)展的微波遙感技術(shù)，其中，被監(jiān)測表面的三維信息和高程變化就可以通過SAR的相位信息來獲得，進(jìn)而可以根據(jù)所獲取到的地表高程信息進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，而且監(jiān)測精度能夠達(dá)到厘米級，這在很大程度上節(jié)省了人力、物力乃至財(cái)力[1]。盡管如此，InSAR技術(shù)還受到時(shí)間失相干和空間失相干等各類誤差的影響，為了削弱此類誤差的影響，意大利米蘭工業(yè)大學(xué)的Ferretti等人提出了永久散射體雷達(dá)干涉測量技術(shù)(PSInSAR)，其用于分析的PS點(diǎn)通常是房屋、橋梁、巖石等具有穩(wěn)定散射特性的硬目標(biāo)，因?yàn)檫@些物體具備穩(wěn)定散射的特性，不容易受時(shí)間、空間基線失相關(guān)等誤差的影響，故而雷達(dá)的后向散射特性隨時(shí)間而發(fā)生變化的概率較小，因此，可以將大氣延遲相位與形變相位分離出來，將其在城市地面沉降監(jiān)測中的精度提高到毫米級[2，3]。

本文以廣州市南沙區(qū)為例，詳細(xì)介紹了PSInSAR監(jiān)測地面沉降的原理與數(shù)據(jù)處理流程，獲取了南沙區(qū)2015年～2018年平均沉降速率，證明PSInSAR技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景，也可為今后類似的城市地面沉降監(jiān)測提供經(jīng)驗(yàn)。

2 PSInSAR原理與處理流程

2.1 PSInSAR監(jiān)測地面沉降的原理

PSInSAR技術(shù)的基本原理是，首先對所有覆蓋在相同區(qū)域的多景時(shí)序InSAR影像，基于時(shí)空基線選取其中一幅作為主影像，剩下的作為輔影像并與其進(jìn)行配準(zhǔn)處理，依據(jù)影像在時(shí)間序列上的幅度和相位信息的穩(wěn)定性，我們可以從中獲取出許多相關(guān)性高、穩(wěn)定的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱之為永久散射體(persistent scatterer，PS)[3]；隨后，通過剔除地形相位和干涉處理等方法，對帶有永久散射體目標(biāo)信息的差分干涉相位進(jìn)行獲取，再對相鄰目標(biāo)的差分干涉相位進(jìn)行二次差分；最終，建立基于兩次差分后的干涉相位組成信息的形變相位模型，并通過形變相位的求解以及大氣延遲相位的分離，以此得到目標(biāo)區(qū)域的形變信息和地形殘余信息[4～7]。

2.2 PSInSAR數(shù)據(jù)處理流程

假設(shè)研究區(qū)共有N+1幅InSAR影像，選取其中一幅作為主影像，并將剩余的影像作為輔影像，將其配準(zhǔn)到主影像所在的空間，同時(shí)從對每一輔影像與主影像的干涉處理中獲得N個(gè)干涉對，并借助已知數(shù)字高程模型DEM進(jìn)行差分干涉處理以剔除地形相位，由此得到N幅差分干涉圖，進(jìn)而來獲得各像素的時(shí)間序列差分干涉相位[4，8～11]。通過一定的算法選取出PS點(diǎn)，如單一閾值法的相關(guān)系數(shù)閾值法、相位離差閾值法、振幅離差指數(shù)閾值法，雙閾值法的相干系數(shù)和振幅離差雙閾值法、振幅信息雙閾值法；可以得到PS點(diǎn)的差分干涉相位集，從而構(gòu)建一個(gè)合理的函數(shù)模型來求解PS點(diǎn)的高程誤差和地表形變。PSInSAR的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，其主要處理步驟如下[12，13]：

(1)選擇N+1幅InSAR影像，選取其中一幅作為主影像，然后將剩余的作為輔影像配準(zhǔn)到主影像空間，通過對每一輔影像與主影像分別進(jìn)行干涉處理，以得到N幅干涉圖；

(2)采用已有的DEM數(shù)據(jù)，對N幅干涉圖進(jìn)行差分干涉處理后剔除地形相位，獲得N幅差分干涉圖；

(3)對N+1幅InSAR影像進(jìn)行輻射定標(biāo)處理并配準(zhǔn)定標(biāo)后的InSAR影像；

(4)從經(jīng)過定標(biāo)和配準(zhǔn)處理后的N+1幅InSAR影像中探測出一定數(shù)量的永久散射體(PS點(diǎn))；

(5)根據(jù)N幅差分干涉圖和PS點(diǎn)，獲得PS差分干涉相位集；

(6)用干涉圖對PS點(diǎn)建立差分干涉相位函數(shù)模型，并通過對模型的求解得到PS點(diǎn)的線性形變速率、DEM誤差以及大氣相位；

(7)通過原始差分干涉相位可以剔除線性形變分量和DEM誤差分量，然后對殘余相位進(jìn)行時(shí)空濾波，從中可以分離出大氣相位和非線性形變量，繼而通過克里金插值等方法獲取整個(gè)研究區(qū)最終的形變值。

圖1 PSInSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

3 南沙區(qū)InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果

3.1 南沙區(qū)概況

廣州南沙區(qū)位于廣州市最南端，地處珠江三角洲的地理幾何中心，具有重要的戰(zhàn)略地位。全境基本都有軟土分布，成因類型主要是三角洲相沉積，地表主要為第四紀(jì)沉積物，軟土層呈大面積厚層狀，局部直接裸露在地表，大部分都位于地表硬殼之下，分布厚度由西北方向向東南方向逐漸加深，北部的欖核鎮(zhèn)、東涌鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)軟土厚度約 3 m～15 m，中部的黃閣鎮(zhèn)、橫瀝鎮(zhèn)、珠江街道軟土厚度約 15 m～25 m，南部的龍穴島、萬頃沙軟土厚度大都在 20 m～45 m之間，部分填海造陸區(qū)域軟土厚度達(dá) 50 m。由于境內(nèi)軟土發(fā)育以及近年來大規(guī)模的工程建設(shè)，南沙區(qū)一直是地面沉降災(zāi)害發(fā)生嚴(yán)重的地區(qū)。

3.2 南沙區(qū)InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文選取廣州市南沙區(qū)作為研究區(qū)域，其不僅有居民區(qū)建筑物等相干性較好的地區(qū)，還有低相干區(qū)域，如大面積的農(nóng)田、水域以及其他植被覆蓋，故其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有代表性。采用歐空局(ESA)提供的哨兵-1(Sentinel-1)衛(wèi)星2015年～2018年對南沙區(qū)的InSAR觀測數(shù)據(jù)作為沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)振幅離差指數(shù)閾值法總共提取了南沙區(qū)92 749個(gè)PS點(diǎn)，點(diǎn)的密度為 118.32個(gè)/km2，將其與電子地圖相疊加(如圖2所示)，從圖中可以看出PS點(diǎn)主要集中在北部的建筑群區(qū)，而在河道、植被以及農(nóng)田等不穩(wěn)定的區(qū)域只有少數(shù)PS點(diǎn)分布。

圖2 Sentinel-1衛(wèi)星監(jiān)測PS點(diǎn)分布圖

采用Delaunay方法對之前選取的PS點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)(如圖3所示)，然后分析與PS點(diǎn)相連的網(wǎng)中相鄰點(diǎn)連接而成的基線，構(gòu)建起相鄰點(diǎn)之間的相位差與形變速率增量、高程誤差增量相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過對模型的求解可以得到所有PS點(diǎn)的形變速率，然后在ArcGIS軟件中對所有PS點(diǎn)的形變速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可獲得其沉降速率分布情況及年平均沉降速率，如圖4、圖5所示。

圖3 PS點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則三角網(wǎng)圖

圖4 PS點(diǎn)沉降速率頻數(shù)分布圖

圖5 2015年6月～2018年6月南沙區(qū)年平均沉降量

3.3 數(shù)據(jù)分析及比較

由PSInSAR技術(shù)處理后得到的沉降速率頻數(shù)分布圖(圖4)及南沙區(qū)2015年～2018年平均沉降速率圖(圖5)可以看到，南沙區(qū)大部分區(qū)域年平均沉降速率小于 10 mm，其中北部、中部的零星以及南部的龍穴島、萬頃沙鎮(zhèn)等區(qū)域的年平均沉降速率在 15 mm/y～35 mm/y，局部地區(qū)如龍穴島中部、萬頃沙鎮(zhèn)中部地區(qū)年平均沉降速率超過了 35 mm/y。對比《廣州市地面沉降與巖溶地面塌陷調(diào)查與規(guī)劃應(yīng)對策略(南沙區(qū)、白云區(qū)、從化區(qū))》報(bào)告中南沙區(qū)所布設(shè)的23個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)7年(2011年～2018年)的沉降觀測數(shù)據(jù)可知[14]，PSInSAR的監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)有沉降監(jiān)測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)高度一致，證明PSInSAR技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用是可行的。

結(jié)合南沙區(qū)的實(shí)際情況分析可知，隨著城市發(fā)展建設(shè)的加快，南沙區(qū)北部、中部和西部的部分三角洲平原變成了工業(yè)基地，并不斷向南發(fā)展，而這些地區(qū)土質(zhì)自身比較松軟，在自重固結(jié)沉降未完成的軟土區(qū)進(jìn)行填土加載、開發(fā)建設(shè)甚至填海造陸，人為地加速軟土的排水固結(jié)—壓縮沉降的過程，從而加快了這些區(qū)域的地面沉降速率，在今后的建設(shè)中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防工作。

4 結(jié) 語

利用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測城市地面沉降以及進(jìn)行分析，可以獲取具有高時(shí)空分辨率的大面積地表形變信息，在大區(qū)域進(jìn)行高效、經(jīng)濟(jì)且快速的高密度和高精度地面沉降監(jiān)測，減少人力和物力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)一二等水準(zhǔn)測量的不足。

通過對本文中PSInSAR技術(shù)的原理、數(shù)據(jù)處理流程的詳細(xì)介紹以及對PSInSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析比較，可為今后類似的城市地面監(jiān)測項(xiàng)目提供借鑒。