利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)鹽城地區(qū)地表形變

何 敏，何秀鳳

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，江蘇南京210098)

利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)鹽城地區(qū)地表形變

何 敏，何秀鳳

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，江蘇南京210098)

利用Envisat獲取的鹽城地區(qū)2004年1月—2009年5月的6景SAR數(shù)據(jù)，通過合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)處理，得到了2004年1月—2005年1月、2005年6月—2005年11月和2008年12月—2009年5月鹽城市地表形變場(chǎng)。研究結(jié)果表明，鹽城主城區(qū)在2004年1月到2005年1月之間整體沉降量相對(duì)較小，僅存在一個(gè)平均沉降量為－5 mm左右的沉降小漏斗，不存在較大的沉降漏斗;在2005年6月到2005年11月之間沉降中心有所轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了兩個(gè)新的區(qū)域性沉降區(qū)域，最大沉降量可達(dá)－39.4 mm;2008年12月到2009年5月之間，鹽城主城區(qū)區(qū)域性沉降區(qū)域的范圍有所減小，但出現(xiàn)了新的沉降漏斗，平均沉降量可達(dá)－12 mm。沉降量的加大與鹽城市地下水的過度開采有關(guān)。

合成孔徑雷達(dá);差分干涉測(cè)量;地表形變;鹽城

一、引 言

江蘇省鹽城市地處我國東部沿海開放地帶，近年來，由于市區(qū)地下水嚴(yán)重超采，已造成水位大幅度下降，引發(fā)了不同程度的地面沉降和水質(zhì)咸化等環(huán)境地質(zhì)問題［1-3］。從2001年開始，江蘇省測(cè)繪局已布設(shè)了三個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)鹽城市的沉降狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雖然水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)精度和可靠性高，但存在監(jiān)測(cè)周期長、布網(wǎng)密度稀疏等不足，限制了對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)地面沉降發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)程度。江蘇省全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)(JSCORS)建立后，隨即應(yīng)用到鹽城市地面沉降監(jiān)測(cè)工作中。JSCORS雖能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降狀況，但JSCORS在鹽城市只布設(shè)了1個(gè)GPS站，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)鹽城市的沉降監(jiān)測(cè)，空間觀測(cè)密度是不夠的。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D-InSAR)［4-6］具有在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的地表形變監(jiān)測(cè)能力，且時(shí)空分辨率高、幾乎不受云雨天氣限制，已成為區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)的重要手段。

本文采用D-InSAR技術(shù)對(duì)鹽城市區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2004年1月至2009年5月獲取的6景Envisat ASAR數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，選用空間垂直基線小于300 m的干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理，在相位解纏過程中采用Delaunay三角網(wǎng)和最小費(fèi)用流(MCF)算法。本文研究獲得了鹽城市區(qū)的沉降場(chǎng)，試驗(yàn)結(jié)果給出了鹽城市區(qū)的地面沉降空間分布特征及相對(duì)形變量。

二、數(shù)據(jù)處理

采用2004年1月到2009年5月期間獲取的鹽城地區(qū)6景Envisat ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。為減小空間去相關(guān)和地形誤差項(xiàng)的影響，選擇空間垂直基線小于300 m的3個(gè)干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理。表1顯示了3個(gè)干涉對(duì)的空間垂直基線和時(shí)間基線。表中灰色區(qū)域?yàn)闀r(shí)間基線，以天為單位;白色區(qū)域?yàn)榭臻g垂直基線，以米為單位。圖1為獲得的3幅差分干涉圖。

為了消除干涉圖中地形相位的影響，利用3弧秒的SRTM DEM數(shù)據(jù)［7］、DELFT和DORIS精確軌道數(shù)據(jù)反演只含有地形相位。該DEM數(shù)據(jù)的絕對(duì)高程誤差小于16 m，本文使用的干涉像對(duì)的最大空間垂直基線約為300 m，按照其高程模糊度換算，理論上由DEM誤差引入的誤差相位可達(dá)到1/2個(gè)干涉條紋周期。由于鹽城地區(qū)處于華東平原上，地形起伏很小，而SRTM DEM在平原地區(qū)的高程精度比其他地貌區(qū)高，絕對(duì)高程誤差小于5 m，因此，研究中由DEM誤差引入的相位誤差可被忽略。

為了確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，選擇高相干像元進(jìn)行分析。首先計(jì)算去除平地相位后的干涉圖，然后采用自適應(yīng)濾波器對(duì)干涉圖進(jìn)行噪聲抑制，并同時(shí)計(jì)算相干系數(shù)，最后設(shè)定閾值為0.5，選擇在所有相干圖中相干值大于0.5的像素進(jìn)行后續(xù)操作。圖2為3個(gè)干涉對(duì)的相干系數(shù)圖。由圖2可見，本文研究區(qū)不但有相干性較好的居民區(qū)，還有大面積的農(nóng)田、水域和其他植被覆蓋區(qū)等低相干地區(qū)。本文采用了基于Delaunay三角網(wǎng)和最小費(fèi)用流(MCF)算法，對(duì)不能形成連通區(qū)域的高相干點(diǎn)進(jìn)行解纏。利用最小費(fèi)用流法解纏時(shí)，利用圖2顯示的相干系數(shù)圖作為權(quán)重文件，分別對(duì)兩組干涉對(duì)中的高相干像元的解纏相位值進(jìn)行累加，就得到這些高相干像元所對(duì)應(yīng)的地面形變相位。根據(jù)ASAR IS2成像模式的參數(shù)進(jìn)行換算，可得到在地表只有垂直形變假設(shè)下的形變量。

圖1 SAR差分干涉圖

圖2 相干系數(shù)圖

三、試驗(yàn)結(jié)果

由圖3(a)和圖4(a)可以看出，2004年1月—2005年1月，平均沉降量為－3.9 mm，最大沉降量為－42.2 mm，2005年6月—2005年11月，平均沉降量為－13.1 mm，最大沉降量為－50.3 mm，2008年12月—2009年5月，平均沉降量為－11.9 mm，最大沉降量為 －40.5 mm。由此可知，2004年1月—2009年5月，鹽城市總體表現(xiàn)為沉降趨勢(shì)，且沉降速率在不斷加快。

圖3 鹽城地區(qū)形變圖(單位：m)

為了詳細(xì)分析鹽城市主城區(qū)的沉降趨勢(shì)，將主城區(qū)的形變速率圖疊加到城市交通圖上，結(jié)果如圖5所示。2004年1月—2005年1月，鹽城主城區(qū)整體沉降量相對(duì)較小，不存在較大的沉降漏斗，僅在雙元路、鹽馬路、大慶中路與解放南路所包圍的區(qū)域，存在一個(gè)平均沉降量為－5 mm左右的沉降小漏斗，如圖5(a)中橢圓形區(qū)域所示;2005年6月—2005年11月，鹽城主城區(qū)沉降速率加大，且沉降中心轉(zhuǎn)移，在2004年1月—2005年1月出現(xiàn)的沉降漏斗沉降趨勢(shì)區(qū)域平緩，但在小洋河沿線以及人民北路沿線出現(xiàn)了新的區(qū)域性沉降區(qū)域，最大沉降量可達(dá)－39.4 mm，如圖5(b)中橢圓形區(qū)域所示;2008年12月—2009年5月，鹽城主城區(qū)區(qū)域性沉降區(qū)域的范圍有所減小，但出現(xiàn)了新的沉降漏斗，如圖5(c)中矩形區(qū)域所示，矩形區(qū)域內(nèi)的平均沉降量可達(dá)－12 mm，在以后的監(jiān)測(cè)中應(yīng)對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖4 形變速率統(tǒng)計(jì)

圖5 鹽城主城區(qū)沉降圖(單位：m)

據(jù)有關(guān)資料顯示，2004年先后封掉44眼地下水深井，地下水開采量減少，因此2004年1月—2005年1月，鹽城市的地表沉降相對(duì)較小。據(jù)江蘇省水利廳調(diào)查，從2005年開始又迎來了鹽城市地下水開采的第二個(gè)高峰期，由于地下水的過度開采，導(dǎo)致2005年6月—2005年11月和2008年12月—2009年5月，鹽城市地表沉降速率的加大。由此可知，D-InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

四、結(jié)束語

本文利用D-InSAR技術(shù)研究了2004年1月—2009年5月鹽城市的地面沉降趨勢(shì)。由于獲取的SAR數(shù)據(jù)有限，本文僅利用常規(guī)D-InSAR技術(shù)對(duì)鹽城市的地面沉降進(jìn)行了分析，沒有考慮時(shí)間-空間去相關(guān)及大氣效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。隨著更多Envisat SAR數(shù)據(jù)的獲取，將采用永久散射體技術(shù)分析鹽城市的地面沉降趨勢(shì)，減少大氣延遲相位對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。此外，在有水準(zhǔn)或GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，將利用本文監(jiān)測(cè)的結(jié)果與其進(jìn)行比較，以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

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Monitoring Ground Deformation of Yancheng Using D-InSAR

HE Min，HE Xiufeng

0494-0911(2010)11-0001-03

P258

B

2010-07-13

國家自然科學(xué)基金(50579013);中國科技部-歐洲空間局“龍”計(jì)劃二期合作項(xiàng)目(ID5343);江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(JS200902)

何 敏(1980—)，女，四川內(nèi)江人，博士，主要從事形變監(jiān)測(cè)方面的研究。