利用D-InSAR技術監測鹽城地區地表形變

何 敏，何秀鳳

(河海大學衛星及空間信息應用研究所，江蘇南京210098)

利用D-InSAR技術監測鹽城地區地表形變

何 敏，何秀鳳

(河海大學衛星及空間信息應用研究所，江蘇南京210098)

利用Envisat獲取的鹽城地區2004年1月—2009年5月的6景SAR數據，通過合成孔徑雷達差分干涉測量技術處理，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。研究結果表明，鹽城主城區在2004年1月到2005年1月之間整體沉降量相對較小，僅存在一個平均沉降量為－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移，出現了兩個新的區域性沉降區域，最大沉降量可達－39.4 mm;2008年12月到2009年5月之間，鹽城主城區區域性沉降區域的范圍有所減小，但出現了新的沉降漏斗，平均沉降量可達－12 mm。沉降量的加大與鹽城市地下水的過度開采有關。

合成孔徑雷達;差分干涉測量;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，由于市區地下水嚴重超采，已造成水位大幅度下降，引發了不同程度的地面沉降和水質咸化等環境地質問題［1-3］。從2001年開始，江蘇省測繪局已布設了三個地面沉降監測網對鹽城市的沉降狀況進行監測。雖然水準測量監測精度和可靠性高，但存在監測周期長、布網密度稀疏等不足，限制了對區域范圍內地面沉降發展趨勢的認識程度。江蘇省全球導航衛星連續運行參考站綜合服務系統(JSCORS)建立后，隨即應用到鹽城市地面沉降監測工作中。JSCORS雖能實時監測地面沉降狀況，但JSCORS在鹽城市只布設了1個GPS站，要實現整個鹽城市的沉降監測，空間觀測密度是不夠的。合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR)［4-6］具有在大范圍內實現亞厘米級甚至毫米級的地表形變監測能力，且時空分辨率高、幾乎不受云雨天氣限制，已成為區域地表形變監測的重要手段。

本文采用D-InSAR技術對鹽城市區進行地面沉降監測，試驗數據為2004年1月至2009年5月獲取的6景Envisat ASAR數據。在數據處理中，選用空間垂直基線小于300 m的干涉對進行差分干涉處理，在相位解纏過程中采用Delaunay三角網和最小費用流(MCF)算法。本文研究獲得了鹽城市區的沉降場，試驗結果給出了鹽城市區的地面沉降空間分布特征及相對形變量。

二、數據處理

采用2004年1月到2009年5月期間獲取的鹽城地區6景Envisat ASAR數據進行試驗研究。為減小空間去相關和地形誤差項的影響，選擇空間垂直基線小于300 m的3個干涉對進行差分干涉處理。表1顯示了3個干涉對的空間垂直基線和時間基線。表中灰色區域為時間基線，以天為單位;白色區域為空間垂直基線，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數據［7］、DELFT和DORIS精確軌道數據反演只含有地形相位。該DEM數據的絕對高程誤差小于16 m，本文使用的干涉像對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到1/2個干涉條紋周期。由于鹽城地區處于華東平原上，地形起伏很小，而SRTM DEM在平原地區的高程精度比其他地貌區高，絕對高程誤差小于5 m，因此，研究中由DEM誤差引入的相位誤差可被忽略。

為了確保監測結果的可靠性，選擇高相干像元進行分析。首先計算去除平地相位后的干涉圖，然后采用自適應濾波器對干涉圖進行噪聲抑制，并同時計算相干系數，最后設定閾值為0.5，選擇在所有相干圖中相干值大于0.5的像素進行后續操作。圖2為3個干涉對的相干系數圖。由圖2可見，本文研究區不但有相干性較好的居民區，還有大面積的農田、水域和其他植被覆蓋區等低相干地區。本文采用了基于Delaunay三角網和最小費用流(MCF)算法，對不能形成連通區域的高相干點進行解纏。利用最小費用流法解纏時，利用圖2顯示的相干系數圖作為權重文件，分別對兩組干涉對中的高相干像元的解纏相位值進行累加，就得到這些高相干像元所對應的地面形變相位。根據ASAR IS2成像模式的參數進行換算，可得到在地表只有垂直形變假設下的形變量。

圖1 SAR差分干涉圖

圖2 相干系數圖

三、試驗結果

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，鹽城市總體表現為沉降趨勢，且沉降速率在不斷加快。

圖3 鹽城地區形變圖(單位：m)

為了詳細分析鹽城市主城區的沉降趨勢，將主城區的形變速率圖疊加到城市交通圖上，結果如圖5所示。2004年1月—2005年1月，鹽城主城區整體沉降量相對較小，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域，存在一個平均沉降量為－5 mm左右的沉降小漏斗，如圖5(a)中橢圓形區域所示;2005年6月—2005年11月，鹽城主城區沉降速率加大，且沉降中心轉移，在2004年1月—2005年1月出現的沉降漏斗沉降趨勢區域平緩，但在小洋河沿線以及人民北路沿線出現了新的區域性沉降區域，最大沉降量可達－39.4 mm，如圖5(b)中橢圓形區域所示;2008年12月—2009年5月，鹽城主城區區域性沉降區域的范圍有所減小，但出現了新的沉降漏斗，如圖5(c)中矩形區域所示，矩形區域內的平均沉降量可達－12 mm，在以后的監測中應對這一區域進行重點監測。

圖4 形變速率統計

圖5 鹽城主城區沉降圖(單位：m)

據有關資料顯示，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較小。據江蘇省水利廳調查，從2005年開始又迎來了鹽城市地下水開采的第二個高峰期，由于地下水的過度開采，導致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的監測結果與實際情況相符合。

四、結束語

本文利用D-InSAR技術研究了2004年1月—2009年5月鹽城市的地面沉降趨勢。由于獲取的SAR數據有限，本文僅利用常規D-InSAR技術對鹽城市的地面沉降進行了分析，沒有考慮時間-空間去相關及大氣效應對監測結果的影響。隨著更多Envisat SAR數據的獲取，將采用永久散射體技術分析鹽城市的地面沉降趨勢，減少大氣延遲相位對監測結果的影響。此外，在有水準或GPS監測數據的情況下，將利用本文監測的結果與其進行比較，以驗證結果的可靠性。

［1］ 黃廣勇.鹽城市地下水降落漏斗現狀分析［J］.水文水資源，2002(2)：36.

［2］ 鄧正殿.鹽城市淺層地下水開發利用探討［J］.水文水資源，2009(7)：16-17.

［3］ 付延玲.鹽城市地下水資源預測評價［J］.資源調查與環境，2005，26(1)：54-59.

［4］ MASSONNE D，HOLZER T，VADON H.Land Subsidence Caused by the East Mesa Geothermal Field，Calfornia，Observed Using SAR Interferometry［J］.Geophys Res Lett，1997，24(8)：901-904.

［5］ TEATINI P，TOSI L，STROZZI T，et al.Mapping Regional Land Displacements in the Venice Coastland by an Integrated Monitoring System［J］.Remote Sensing of Environment，2005，98(4)：403-413.

［6］ 羅海濱，何秀鳳.基于DInSAR方法監測南京地表沉降的結果與分析［J］.高技術通訊，2008，18(4)：418-421.

［7］ 何敏，何秀鳳.利用星載InSAR技術提取鎮江地區DEM及其精度分析［J］.計算機應用，2010，30(2)：537-539.

Monitoring Ground Deformation of Yancheng Using D-InSAR

HE Min，HE Xiufeng

0494-0911(2010)11-0001-03

P258

B

2010-07-13

國家自然科學基金(50579013);中國科技部-歐洲空間局“龍”計劃二期合作項目(ID5343);江蘇省資源環境信息工程重點實驗室(中國礦業大學)開放基金資助項目(JS200902)

何 敏(1980—)，女，四川內江人，博士，主要從事形變監測方面的研究。