晏王波

(江蘇省測(cè)繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市的工程建設(shè)越來(lái)越頻繁。諸多的人類活動(dòng)往往對(duì)于地面有一定的影響，典型的如隧道修建、地下水抽取等[1-3]。這些人類的活動(dòng)往往會(huì)引起地面的沉降，即在自然或人為因素共同或單獨(dú)作用下，逐步、緩慢地實(shí)現(xiàn)地面下沉或地陷的現(xiàn)象[4-5]。地面沉降作為一種地質(zhì)災(zāi)害，是由于地質(zhì)構(gòu)造松散巖層逐步壓縮，在一定范圍內(nèi)的地面高程降低的現(xiàn)象，但其具有緩慢性等特點(diǎn)，難以被察覺(jué)，因而通常以年均沉降毫米進(jìn)行定量衡量[6-7]。地面沉降的地質(zhì)現(xiàn)象不可逆、影響范圍廣等特點(diǎn)，容易引起地基塌陷、房屋開(kāi)裂、管道破損等問(wèn)題[8-9]。

我國(guó)從1920年開(kāi)始發(fā)生地面沉降，到1970年，華東地區(qū)的長(zhǎng)江三角洲平原及主要城市、京津冀地區(qū)的主要平原地區(qū)也相繼出現(xiàn)地面沉降，從最初的點(diǎn)狀沉降到面的大范圍沉降，這樣導(dǎo)致的沉降范圍變大，也容易形成聚集性的地面沉降，對(duì)人類的正常生產(chǎn)、生活都有較大的影響，因而，預(yù)防地面沉降是極為重要且有意義的[10-11]。

為了有效預(yù)警與監(jiān)測(cè)地面沉降，業(yè)界很多專家都進(jìn)行了深入的研究，如利用傳統(tǒng)的測(cè)量方式進(jìn)行點(diǎn)位的測(cè)量，通過(guò)對(duì)比分析每年的實(shí)際高程，測(cè)算出是否存在地面沉降的情況。但需要注意的是傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在成本高、監(jiān)測(cè)面積小等不足，因而，有學(xué)者引入合成孔徑雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，即利用覆蓋面積大的影像進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，提升了監(jiān)測(cè)范圍與監(jiān)測(cè)頻次，通過(guò)進(jìn)行不同影像間的差分干涉，實(shí)現(xiàn)具體的地面沉降現(xiàn)象捕捉與探索。但由于對(duì)合成孔徑雷達(dá)影像的解譯與分析技術(shù)存在諸多影響因素，因此，如果不有效地進(jìn)行誤差因素剔除，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。業(yè)界學(xué)者通過(guò)短基線(SBAS)技術(shù)、永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)城市的地面沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，成為獲取地面沉降或地表形變的重要技術(shù)方向，這些方法也能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)影像的處理，有效提升了地面沉降監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景與效益[12-14]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，灌河口周邊也出現(xiàn)了城鎮(zhèn)化的現(xiàn)象。通過(guò)越來(lái)越多的工廠聚集，吸引了多數(shù)勞動(dòng)力在此工作與生活，同時(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。因此，針對(duì)這些環(huán)境變化與監(jiān)測(cè)需求，本文采用了25景RADARSAT-2雷達(dá)影像，基于短基線方法，嘗試探索河口周邊的地面沉降信息，同時(shí)，進(jìn)一步反演地面沉降的具體過(guò)程，為河口周邊的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究過(guò)程

1.1 數(shù)據(jù)

為了有效地進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，本文針對(duì)研究區(qū)灌河口的實(shí)際情況，選用覆蓋研究區(qū)的影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體的數(shù)據(jù)源時(shí)間周期為2015—2018年，數(shù)量為25景，空間分辨率約為25 m，以最初始的影像作為主影像，其余為輔助影像，進(jìn)行垂直基線的計(jì)算。

DEM采用公開(kāi)的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行研究，本文選擇短基線(SBAS)方法進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)分析。短基線方法是利用在固定的時(shí)間周期內(nèi)，通過(guò)設(shè)定一定空間閾值內(nèi)的自由組合干涉對(duì)，降低時(shí)空失相關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，以達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的，這種方法是較為常見(jiàn)的合成孔徑雷達(dá)處理方法。在影像數(shù)據(jù)明確的情況下，可以逐漸形成較多的干涉對(duì)，進(jìn)一步提升觀測(cè)質(zhì)量，增加多余的觀測(cè)數(shù)量，以便有利于提升雷達(dá)影像結(jié)算的具體精度。

例如，針對(duì)研究區(qū)域覆蓋了N+1個(gè)雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)定時(shí)空兩個(gè)角度的基線閾值，形成組合干涉對(duì)，并從干涉圖剔除相應(yīng)的地形因素影響，得到兩兩圖像之間的差分干涉圖，具體可用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(N+1)/2≤M≤[N×(N+1)]/2

(1)

在公式(1)的基礎(chǔ)上，對(duì)干涉圖的干涉相位進(jìn)行定量求解，具體如公式(2)所示：

δΦj=Φ(tB)-Φ(tA)≈4π[d(tB)-d(tA)]/λ

(2)

式中：Φ(tA)和Φ(tB)表示tA和tB相位；d(tA)和d(tB)表示地表形變量；λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)。

在公式(2)的基礎(chǔ)上，對(duì)差分干涉相位進(jìn)行具體求解，具體如公式(3)所示：

δΦj=Φ(tIEj)-Φ(tISj)，j=1,…,K

(3)

上式是由N個(gè)未知數(shù)的M個(gè)方程式組成的方程式，具體如公式(4)所示：

δΦj=AΦ

(4)

式中，A是一個(gè)M×N的系數(shù)矩陣，可將A轉(zhuǎn)換為公式(5)：

(5)

將未知數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜徲跋瘾@取時(shí)間內(nèi)像元點(diǎn)沿LOS向的平均速率，將公式(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體如公式(6)所示：

(6)

對(duì)公式(6)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體如公式(7)、公式(8)所示：

(7)

Bv=δΦ

(8)

式中：B表示主從影像之間的矩陣；v表示形變速率。

綜合考慮高程的因素對(duì)相位數(shù)據(jù)的影響，可以利用相應(yīng)的沉降模型來(lái)進(jìn)行高程誤差的估算，再根據(jù)每個(gè)周期的沉降速率進(jìn)行時(shí)間域上綜合，可得到不同周期內(nèi)地表形變的具體數(shù)值。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果

SBAS方法的處理步驟主要包括：

①針對(duì)研究區(qū)的雷達(dá)影像進(jìn)行統(tǒng)一的配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同一坐標(biāo)系下的處理，在此基礎(chǔ)上，生成相應(yīng)的干涉組合；②在干涉組合生成的基礎(chǔ)上，利用濾波等方法過(guò)濾掉相應(yīng)的失相干噪聲；③利用高程數(shù)據(jù)對(duì)相位進(jìn)行數(shù)值模擬，以去除相應(yīng)的地形影響因素；④利用相位解纏的方式實(shí)現(xiàn)干涉圖的求解，并有效剔除大氣相位，確保數(shù)據(jù)更加精確；⑤在步驟④的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平均位移速率和相應(yīng)的時(shí)間序列變化的結(jié)果分析。

為了明確干涉圖的解譯效果，可以通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的雷達(dá)影像相干性閾值進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比，設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值為0/35。在選取相應(yīng)干涉點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三角網(wǎng)來(lái)進(jìn)行建模解算，利用lowest cost方法進(jìn)行干涉解纏，同時(shí)，將相應(yīng)的雷達(dá)影像相位校正到相干性較高的參考點(diǎn)上，求解相應(yīng)的周期范圍內(nèi)(2015—2018年)研究區(qū)地面沉降形變的年均沉降速率。

從具體的雷達(dá)影像解譯結(jié)果可以看出，研究區(qū)周邊存在多個(gè)明顯的沉降漏斗，其中堆溝化工園區(qū)相對(duì)最為嚴(yán)重，年均沉降速率最高達(dá)到-75.7 mm/a；此外，臨港產(chǎn)業(yè)園和陳家港化工園區(qū)也有沉降漏斗出現(xiàn)。

2.2 水準(zhǔn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究區(qū)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)短基線方法的有效性，本文搜集了研究區(qū)周邊12個(gè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其監(jiān)測(cè)的周期為2015—2019年，通過(guò)對(duì)比兩種不同的方法得到的形變監(jiān)測(cè)值，來(lái)評(píng)估短基線方法進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)的有效性。

綜合比較實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果與短基線方法解譯雷達(dá)影像數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，如表1所示。

表1 水準(zhǔn)點(diǎn)與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比 單位：mm/a

兩種方法最大差值為6.74 mm/a，最小的差值為-6.45 mm/a，利用相應(yīng)的均方根誤差指標(biāo)定量評(píng)估兩種方法的差值，具體如公式(9)所示：

(9)

式中：N為具體的水準(zhǔn)測(cè)站的數(shù)量；?Hi為水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的地表形變結(jié)果； ?hi為短基線方法監(jiān)測(cè)出的地表形變結(jié)果。利用公式(9)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最終得到均方根誤差為4.52 mm/a，說(shuō)明短基線方法在研究區(qū)范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)是有效的，結(jié)果是可信的。

3 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)城市進(jìn)行有效的地面沉降監(jiān)測(cè)是極為重要的。本文嘗試?yán)枚袒€方法對(duì)研究區(qū)灌河口周邊進(jìn)行地面沉降的檢測(cè)，監(jiān)測(cè)的周期為2015—2018年，并獲取了相應(yīng)的年均沉降速率、地面沉降空間分布特征，其中，最大的年均沉降速率達(dá)-75.7 mm/a。

(1)從時(shí)間角度來(lái)看。在本研究的監(jiān)測(cè)周期范圍內(nèi)，地面沉降的漏斗存在集中成片的趨勢(shì)，這主要由于人類生產(chǎn)、生活頻繁，特別是研究區(qū)內(nèi)的化工企業(yè)不斷增加，工業(yè)產(chǎn)能逐步提高，導(dǎo)致對(duì)地面的負(fù)荷逐漸增大，同時(shí)，抽取地下水?dāng)?shù)量更為明顯，因而導(dǎo)致地面沉降。

(2)從空間角度來(lái)看。沉降漏斗存在的地區(qū)相對(duì)較為集中，即明顯聚集于化工園區(qū)，這類地區(qū)相較其他地區(qū)開(kāi)采地下水更為嚴(yán)重，大量的人類生產(chǎn)、生活導(dǎo)致了地面沉降塌陷。

(3)從實(shí)驗(yàn)方法來(lái)看。短基線方法能夠在研究區(qū)灌河口周邊實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)。