短基線集技術在地表形變監測中的應用研究

謝榮安，周元華，胡 爭

(廣東省地質測繪院，廣東廣州510800)

一、引 言

改革開放以來，隨著經濟的迅猛發展，珠海人口日益增多，城市化水平明顯提高，且隨著主城區向次中心城的擴展，再到外圍新城區至中心鎮的擴展，使珠海已由當年的小漁鎮發展到現在的海濱城市。然而，過快的城市化進程中伴隨著大量的經濟與工程活動，增加了生態環境壓力，進而導致產生了各類地質環境問題，如地面沉降、滑坡、塌陷、地下管道破裂等災害日趨嚴重，對區域的經濟社會發展產生了一定的危害和阻礙。因此，對該地區地面沉降地質災害進行監測和分析顯得尤為重要，能夠為積極應對地質災害的有效治理措施提供決策支持。

近年來，迅速發展的差分干涉測量(DInSAR)技術具有高空間分辨率、高精度及大范圍空間連續覆蓋等優點，與傳統的形變監測方法對比，能夠為地表形變監測提供更為詳細的信息。但空間和時間去相關及不同時相大氣擾動等因素會影響DInSAR技術的監測精度。為削弱這些因素對監測結果的影響，研究者先后提出了干涉圖疊加法(Stacking)、永久散射體干涉測量(PS)技術及短基線集(small baselines subset，SBAS)技術。其中，干涉圖疊加法大多基于假設不相關的干涉圖中包含的大氣擾動相位為隨機量，且地表形變信號近似為線性變化;永久散射體技術則需要較多的SAR影像(＞25)，且其精度與永久散射體的密度有著一定的關系，通常要想獲得高精度的形變信息，PS點密度要求大，而一般情況下在非城區PS點的密度較低;而短基線集技術對SAR影像數據要求較低(＞7)，通過選擇合適的時間、空間基線來減弱時空失相關對DInSAR的影響，再經過一定的后續處理得到研究區域內穩定相干點上的形變、高程殘差及大氣相位信息。本文采用SBAS技術對珠海市區域的地表沉降進行監測，并根據監測結果對該地區的地表形變的特征及成因進行分析。

二、數據源及數據處理

1.研究區域

本文的研究區域位于廣東珠江口西南部，如圖1所示。該區域內地形較為平坦，以平地為主，主要為農田、小鎮，還有山地、丘陵及臺地，最高處高程為465 m。從地質構造條件上來看，本區域內有東北—西南走向穿過斗門區的五桂山南麓斷裂，還有穿過三灶島的深圳斷裂，斷裂規模較小。從水文地質來看，該區域毗鄰南海，內部河網眾多，雨量豐富，能較好地對地下水進行補給;且區內淤泥質軟土廣泛分布，軟土厚度小于43 m，分布面積高達812.7 km2，屬于第四系全新統。

圖1 研究區域地理位置

2.試驗數據及處理

本文選取了從2004-01-11至2010-09-26期間的34景ASAR數據進行試驗，其具體信息見表1。

表1 選取的ASAR數據的參數

首先，將所有從影像統一與主影像進行粗、精配準，本文所選擇的主影像拍攝時間為2009-01-04;通過設置時間、空間基線閾值來削弱時空失相關對干涉對的影響，本文所選的時間基線閾值為2年，空間基線閾值為50 m，共得到53對符合條件的干涉對，如圖2所示。以其中一個干涉對為例進行處理過程說明，先將精確配準后主從影像進行干涉處理，為了抑制噪聲，本文進行了方位向距離向為5∶1的多視處理，得到的干涉對的空間分辨率約為20 m×20 m;采用90 m分辨率的SRTM v4.1去除地形相位，從而獲得差分干涉圖;利用改進的Goldstein方法對這些差分干涉圖進行適當的濾波;通過人工屏蔽的方式削弱或避免低相干區域(海域或者孤島)對相位解纏的影響，使其不參與相位解纏，同時通過設置一定的相干性閾值(＞0.5)來選擇相對穩定的點進行最小費用流(MCF)解纏。其中，某些解纏后的相位圖中仍殘留部分的非線性軌道相位，因此，本文進一步采用二次多項式對其進行去除。最后，本文通過選定的高相干點進行后續操作(SBAS)得到研究區域內形變信息。

圖2 時空基線分布

三、試驗結果及分析

1.試驗結果

采用SBAS技術對上述數據進行解算，得到研究區域的地面沉降速率圖。圖3為研究區域內沿雷達視線方向(LOS)上的平均形變速率圖，單位為cm/a。其中，正值代表靠近衛星的方向為抬升;負值代表遠離衛星的方向為沉降;底圖為ASAR影像的平均強度圖;正值色區代表靠近衛星的方向(抬升)，負值色區代表原理衛星的方向(沉降)，單位為cm/a;A為澳門路氹城填海區;B為珠海橫琴口岸;C為珠海香洲區;D為珠海金灣區;E為珠海金海岸;F為珠海金灣區小林鎮。

圖3 珠海市LOS向平均沉降速率圖

本文選擇6個具有代表性的區域進行詳述，如圖3中的實線方框所示。從圖3中可以看出，沉降區分布較為零散，多分布在沿?；蜓睾訁^域，部分為農田區。沉降速率一般在15 mm/a左右，也有少數地區沉降較快，如珠海金灣區和金灣區小林鎮，其最大形變速率分別為18 mm/a、30 mm/a。珠海市區及山區周邊的形變較小，接近穩定;此外，左下角處還存在微小的抬升，速率約為2 mm/a。

本文在這些代表性區域內挑選了幾個明顯的沉降漏斗進行等值線的繪制，以更好地對形變進行解譯，如圖4所示，底圖為光學影像。由圖4可知，最大的形變發生在珠海金灣區政府周邊，其最大形變速率高達 30 mm/a，且存在多個形變速率大于20 mm/a的區域，如圖4中D區所示。

圖4 6個具有代表性的區域沉降及等值線

2.結果分析及驗證

珠海地區的地表沉降主要分布在沿海、沿河處和農業養殖區，且沉降速率較大，而在內陸地區的沉降速率較緩和(＜3 mm/a)。隨著經濟的快速發展，珠海的城市化進程也在逐漸增大，由原來的香洲老城區慢慢擴展至斗門區外圍的中心鎮，人口也得到了較大程度的增長，1990—2001年僅11年間珠海的城市人口就增長了26.3%。快速的城市化需要過多的建筑用地來緩和人口的壓力，因而極大地增加了軟土的外部負載，進而導致地表沉降。此外，由于區域內軟土層較厚，且滲透性差，因而地表水很難滲透到地下，而是直接流入海里，因此地下水的補給較少。珠海沿海區域的水產養殖業較為廣泛，很多養殖戶私自抽取地下水進行水產養殖，且打井方式不科學，容易導致淺層、深層地下水混采超采，這也導致地下水在補給量少的情況下水位越來越低，進而改變土層結構。如圖4中B、C、D及F幾個區域所示，其中，D區所代表的金灣區政府所在區域內更有一個接近30 mm/a的沉降漏斗，沉降范圍與地面沉降現狀調查結論一致，但形變速率較緩。

為了驗證InSAR結果所反映出的地表形變情況，本文對形變較為嚴重的區域進行了實地考察，考察區域主要有珠海市金灣區、珠海市白蕉鎮燈籠村，分別如圖5、圖6所示。

圖5

圖6

其中，圖5(a)是InSAR所獲取的金灣區康德萊醫療城所在地區的地表沉降監測結果，顯示該地區正經受著大面積的地面下沉。為了驗證InSAR結果，對康德萊醫療城進行了實地驗證。圖5(b)顯示的是該地區的某空置樓盤，從圖5(c)和圖5(d)中可以明顯地看出，該樓盤的房屋與地表之間發生了嚴重的斷裂。結合珠海市的特殊地質情況，經分析可知該情況是由于大型建筑物人們一般會把地基打在較為穩固的基巖上，而道路等地面設施則是直接覆蓋在軟土層之上，因此兩者之間的沉降速度會不一致，隨著地面沉降的越來越大，其必然會與沉降較慢的建筑物分離。此外，從圖5(d)中還可以看出，該建筑出現了墻體破裂的現象，這可能是由地面不均勻沉降所引起的。

從圖6(a)可看出，燈籠沙村也存在嚴重的地表下沉現象，且沉降分布較為集中。與珠海市金灣區不同的是，該地區的樓房均沉陷到地面以下，如圖6(b)和6(c)所示，校舍樓房的窗戶下沿已經下沉到了與路面平，原操場的簡易乒乓球臺基本與地面平，整所學校已廢棄。造成這種現象的原因是:一是該地區樓房均以平房或非框架結構為主，因此其地基并未打至基巖上，致使樓房隨著地面一起快速下沉;二是周邊的養殖業抽取大量地下水，同時城鎮化進程加快，工程活動頻繁，地表荷載加劇，從而造成了樓房下沉到路面以下的現象。而圖6(d)顯示了墻體裂縫說明該地區也存在不均勻沉降。

同時，將同期開展的水準測量結果進行對比，在珠海市白蕉鎮、紅旗鎮、平沙鎮和小林鎮，一直綿延至高欄港的大面積不同程度的沉降帶，存在多個沉降中心發育趨勢，年沉降量超過30 mm/a。雖然水準測量與InSAR監測并非同一個時間段，水準觀測周期相對較短、密度不夠大，僅有兩次觀測結果，同時監測區域內存在的不同程度的工程活動等原因影響，導致兩種方法的監測結果在某些區域內沉降趨勢有不相符現象，但總體而言，兩者所測的地表形變趨勢基本一致。表2是珠海區域水準測量與InSAR監測沉降對比情況。

表2 沉降漏斗中心區域水準測量結果與InSAR監測結果比較 mm/a

綜上所述，InSAR獲取的結果能夠很好地反映區域內的沉降情況，相對常規的測量手段而言，其獲取覆蓋范圍更大，能夠從宏觀上反映地表沉降情況。此外，對區域內小范圍、局部的劇烈沉降(沉降速率高達30 mm/a)也有充分表達。差異沉降非常明顯，主要表現在主建筑和輔建筑之間，如高樓和入戶臺階處、建筑物與地面的連接處等。總體而言，如果影像數量足夠多，運用SBAS技術監測城市區域的地表形變效果較明顯，可以捕捉到小范圍的地表微小形變。但是對于非城市區域，由于受植被影響較大，仍無法解決失相干的問題，致使有的區域無法得到干涉結果。另外，與常規水準測量監測手段獲取的對比結果也驗證了SBAS技術獲得形變信息的可靠性。

四、結束語

本文通過SBAS技術對覆蓋珠海市的34景ASAR數據進行處理，并成功獲取了研究區域內的地表形變信息。從結果中可以看出，珠海市西北部區域存在較為嚴重的地表沉降，沉降速率多在15 mm/a左右，產生了較為明顯的沉降漏斗，沉降速率達到了30 mm/a。研究區域內的沉降原因主要分為兩類:一是珠海市廣泛分布的軟土地基在高速城市化進程下快速增長的外部負載力，導致土體間的應力發生改變，進而導致地表沉降;二是較厚的軟土區內的養殖業發達，過度抽取地下水，從而導致的地表沉降。本次研究表明，利用SBAS技術在非城市區域進行地面沉降監測是完全可行的，并且具有精度可靠、覆蓋面廣、周期短成本低等優點，但對于珠海地區地表植被覆蓋率高、水網發達、水面多等特點，還應著重研究如何削弱失相干和大氣效應的影響，以進一步提高監測精度，使其發揮更好的作用。

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