利用小基線集技術(shù)(SBAS)監(jiān)測泉州地區(qū)地表形變

陳志謀，陳金座，羅楚楚，姚俊啟，陳進(jìn)清，崔家武

(1.福建偉志工程勘測股份有限公司，福建 晉江 362200；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

利用小基線集技術(shù)(SBAS)監(jiān)測泉州地區(qū)地表形變

陳志謀1，陳金座1，羅楚楚1，姚俊啟1，陳進(jìn)清1，崔家武2

(1.福建偉志工程勘測股份有限公司，福建 晉江 362200；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

差分干涉測量(DInSAR)技術(shù)可用于監(jiān)測厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的地表形變。文中選用2007—2011年期間19景日本ALOS1/PALSAR 數(shù)據(jù)，采用短基線集技術(shù)(SBAS)獲取了該地區(qū)的形變時(shí)間序列和平均沉降速率。研究結(jié)果表明：泉州東南部地區(qū)整體上呈抬升態(tài)勢，上升速率為5 mm/a左右，主要是受到亞歐板塊和西太平洋板塊互相擠壓作用的結(jié)果;泉州東南部有多處出現(xiàn)地表沉降，沉降的結(jié)果與泉州市統(tǒng)計(jì)的地區(qū)地下水開采數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，因此沉降主要與地下水過度開采相關(guān)。

合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)；小基線集技術(shù)(SBAS)；地面沉降；監(jiān)測

我國地面沉降災(zāi)害始于20世紀(jì)20年代的上海及天津市區(qū)，到了70年代，長江三角洲主要城市及天津市平原區(qū)、河北平原東部相繼出現(xiàn)地面沉降。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前有96個(gè)城市和地區(qū)發(fā)生不同程度的地面沉降[1]，地面沉降又稱地面下沉，它是指在人為活動(dòng)的影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的下降運(yùn)動(dòng)。它不僅對自然環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，而且影響人們的正常生活和生產(chǎn)，是城市可持續(xù)發(fā)展的重要障礙之一[2]。地表下沉是一個(gè)世界性的難題。均勻的地表下沉不會(huì)對城市建筑物或城市基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生大的破壞，但是不均勻的地面沉降會(huì)嚴(yán)重威脅城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

傳統(tǒng)的地面沉降測量方法包括水準(zhǔn)測量、基巖標(biāo)和分層標(biāo)測量，但這些方法野外作業(yè)周期長，耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，而且需要長期維護(hù)監(jiān)測點(diǎn)的完整性；再加上這些方法的測量點(diǎn)分布稀疏，基于點(diǎn)的觀測，難以在宏觀上揭示整個(gè)形變區(qū)域的形變規(guī)律[3-5]。InSAR技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了上述測量方法只能監(jiān)測有限離散點(diǎn)的不足，可實(shí)現(xiàn)大面積、非接觸、全天候、高精度的形變監(jiān)測，在地面形變監(jiān)測方面顯示出巨大優(yōu)勢[6-10]。

福建泉州位于亞歐板塊和西太平洋板塊交界處，處于我國五大地震帶之一的東南沿海地震帶，地震活動(dòng)頻次和強(qiáng)度均居全國較高水平。由于受到兩大板塊的擠壓，研究區(qū)域在垂直方向上的形變整體呈上升趨勢。同時(shí)，研究區(qū)域又處于長樂—南澳斷裂帶沿線發(fā)育的拉陷盆地當(dāng)中，由于北東向斷裂和北西向斷裂的聯(lián)合影響加上人類的活動(dòng)以及城市地下水的過度開采，導(dǎo)致地表局部出現(xiàn)沉降。由于該地區(qū)雨量充沛，加上城市發(fā)展而導(dǎo)致的人工活動(dòng)頻繁，地表極易發(fā)生沉降塌陷、滑坡、地裂縫等各種地質(zhì)災(zāi)害。因此，本文利用短基線集技術(shù)(SBAS)研究泉州地區(qū)近年來的地表形變狀況，掌握地表形變時(shí)空演變過程和平均形變速率不僅具有很強(qiáng)的理論意義，更具實(shí)用價(jià)值，可為當(dāng)?shù)卣峁撛诘臑?zāi)害預(yù)警信息和決策依據(jù)。

1 短基線集(SBAS)技術(shù)原理

SBAS技術(shù)即短基線集差分干涉測量技術(shù)，由Berardino等人[11-13]在2002年提出。利用已有的SAR影像數(shù)據(jù)集，對時(shí)空基線設(shè)置閾值，自由組合生成若干子集合，子集內(nèi)采用最小二乘法提取形變信息，各子集間采用奇異值分解法進(jìn)行聯(lián)合求解，最終獲取地表的微小形變信息。

假定在(t0,t1，…,tN)時(shí)間獲取同一區(qū)域N+1幅SAR圖像，根據(jù)干涉條件自由組合，可組合成M個(gè)干涉圖，則

(1)

假設(shè)從tA,tB兩個(gè)時(shí)間獲得的SAR圖像產(chǎn)生第j幅干涉圖，去除平地和地形相位后，在x處的差分干涉相位為

(2)

式中：λ為雷達(dá)中心波長；d(tB,x)和d(tA,x)分別為相對于參考時(shí)間t0的雷達(dá)視線向累計(jì)形變；d(t0,x)=0;φ(tB,x)和φ(tA,x)分別為d(tB,x)和d(tA,x)引起的形變相位，利用線性模型估計(jì)N幅圖像形變量，即

(3)

式中：Φ表示待求點(diǎn)上的N時(shí)刻SAR圖像未知形變相位組成的矩陣;ΔΦ為M幅差分干涉圖上相位值組成的矩陣，系數(shù)矩陣A[M×N]每行對應(yīng)一幅干涉圖，每列對應(yīng)一個(gè)時(shí)間上的SAR圖像，主圖像所在列為+1，輔圖像所在列為-1，其余為0。如果M>N，且A的秩是N，則利用最小二乘法可得

(4)

如果所有的SAR圖像都屬于一個(gè)小基線集，利用最小二乘法可得到形變相位。但實(shí)際上，這樣的可能性很小，單個(gè)集合內(nèi)時(shí)間采樣不夠，ATA是個(gè)奇異矩陣，使得方程存在無數(shù)解。為了解決這個(gè)問題，利用奇異值分解(SVD)方法將多個(gè)小基線集聯(lián)合起來，求出最小范數(shù)意義上的最小二乘解。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)選用19景日本ALOS1.0級(jí)數(shù)據(jù)，傳感器為PALSAR，采用L波段，波長為23.5 cm,具有良好的穿透能力，在最大程度上保證干涉像對在植被覆蓋區(qū)域的相干性。獲取衛(wèi)星影像的時(shí)間跨度為2007-02-20—2011-03-03。

本文所用數(shù)據(jù)為0級(jí)數(shù)據(jù)，不能直接使用，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，將0級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1級(jí)數(shù)據(jù)，即將raw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能夠使用的SLC數(shù)據(jù)，研究區(qū)如圖1所示，其中紅色方框?yàn)檠芯繀^(qū)。監(jiān)測地區(qū)地處東經(jīng)118°38′45″～118°42′05″、北緯24°38′ 45″～25°02′33″之間。測區(qū)南北長約39 km，東西長約31 km，面積約為1 209 km2，覆蓋鯉城區(qū)、豐澤區(qū)、晉江市和石獅市的大部分，還有南安市、洛江區(qū)、惠安縣的小部分，其中晉江市占大部分，如圖1所示。

3 基于SBAS數(shù)據(jù)處理

3.1 生成連接圖

通過時(shí)間基線、空間基線閾值和系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

圖1 研究區(qū)域位置圖

輸入，生成SAR數(shù)據(jù)對連接圖。經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)置嘗試，本實(shí)驗(yàn)采用的空間基線閾值為300 m，時(shí)間基線閾值為415 d，最后得到77對干涉對, 如圖2所示。

3.2 感興趣區(qū)域裁剪。

由于影像覆蓋范圍大，達(dá)到70 km×70 km，處理數(shù)據(jù)量大且耗時(shí)，主要關(guān)注晉江市及周邊地區(qū)，因此對影像進(jìn)行裁剪。裁剪地區(qū)位于東經(jīng)118°38′45″～118°42′05″、北緯24°38′ 45″～25°02′33″，區(qū)域內(nèi)主要為城市地表，北部為山地，如圖3所示。

3.3 干涉工作流程

干涉工作分成3步：干涉圖生成及去平、自適應(yīng)濾波和相干性生成、相位解纏。對生成的相干系數(shù)圖、濾波后的干涉圖、相位解纏圖進(jìn)行分析，相干性圖是灰度圖像，顏色從黑色到白色，代表相干性由低到高；相位解纏圖也是灰度圖像，黑色代表沒有解纏結(jié)果的地方。相位解纏圖中不同的顏色表明地表發(fā)生不同的形變。對77對像對的干涉結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們的相干系數(shù)圖及相位解纏圖效果較好，濾波后的干涉圖質(zhì)量較高，但201012-201103、 201101-201103這兩幅濾波后的干涉圖中出現(xiàn)明顯的顏色條分帶(見圖4)，推斷由軌道誤差引起，因此將這兩個(gè)干涉對進(jìn)行剔除，使之不參與下一步數(shù)據(jù)處理。

圖2 干涉影像對時(shí)空基線圖

圖3 裁剪的感興趣研究區(qū)(小紅色方框)

圖4 濾波后的干涉圖

3.4 軌道精煉和重去平

該步是估算和去除殘余相位，主要包含大氣誤差和軌道誤差。選擇一景濾波后干涉圖作為輸入數(shù)據(jù)，選擇參考DEM，其中選擇相干性高、相位好、沒有形變或已知形變的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，選出的控制點(diǎn)如圖5所示。

圖5 控制點(diǎn)選取(紅色十字絲)

3.5 SBAS反演第一步

初步估計(jì)位移速率和殘余地形，用來對合成的干涉圖進(jìn)行去平，重新做相位解纏和精煉，生成更優(yōu)化的結(jié)果。基于模型計(jì)算出所有像對的形變(日期、速度、加速度和加速度變化)和高程(校正值和新的DEM)，包括無位移模型、線性模型、二次方模型、三次方模型4個(gè)模型。其中，線性模型最穩(wěn)定，其他模型需要密集的連接圖和高相干性才能得到可靠的結(jié)果。

3.6 SBAS反演第二步

該步的核心是計(jì)算時(shí)間序列上的位移，在上一步得到形變速率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，再利用控制點(diǎn)數(shù)據(jù)去除大氣相位和殘余的相位，從而得到時(shí)間序列上的精確的高程和形變速率結(jié)果。

3.7 地理編碼

對生成的形變圖進(jìn)行地理編碼，得到84坐標(biāo)系下的形變結(jié)果圖，如圖6所示。

圖6 研究區(qū)域形變時(shí)間序列圖(mm)

4 結(jié)果分析

從平均位移速率圖上可以看到該研究區(qū)域東北—西南軸線兩邊地表輕微抬升(見圖7)，其中大部分地區(qū)速率處于10mm/a以下，這與該地區(qū)由于受到歐亞板塊和西太平洋板塊擠壓在垂直方向上呈上升趨勢相吻合。

圖7 研究區(qū)域平均位移速率圖

從圖8中可以明顯看出，東南部地區(qū)即石獅市大部分地表出現(xiàn)沉降，其中大部分沉降速率處于-10～-20 mm/a之間。此外測區(qū)的西北角(南安市)也出現(xiàn)大片沉降，形變速率為-10 mm/a左右。而在兩江的入海口處，沉降最為嚴(yán)重，許多地方沉降速率達(dá)到-20～-40 mm/a。其中豐澤區(qū)以及洛江區(qū)的臨江地區(qū)下降尤為嚴(yán)重，有不少地方沉降速率達(dá)到-40 mm/a。經(jīng)過查找資料發(fā)現(xiàn)這里屬于入海口，土地為多年沙土堆積形成，地質(zhì)條件較差，加上這些地區(qū)的高層建筑逐漸增多，土地的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，進(jìn)而造成地表下降。在晉江臨海地區(qū)(陳埭鎮(zhèn))，即圖8中的4號(hào)地區(qū)，出現(xiàn)了沿著海岸線帶狀沉降，沉降帶長達(dá)10 km。經(jīng)過分析及考察，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)建筑密集，分布有多個(gè)工業(yè)區(qū)，如陳埭鎮(zhèn)江頭工業(yè)區(qū)、李埭洋工業(yè)區(qū)、溪邊工業(yè)區(qū)等，工業(yè)區(qū)內(nèi)建有大量工廠，其中主要為鞋廠。大量工廠對水的需求量較高，采水嚴(yán)重，再加上靠近海邊，土質(zhì)較為松軟，造成土地的大片下沉。

圖8 平均速率圖(疊加在強(qiáng)度影像圖)

5 與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較

為了保證水準(zhǔn)點(diǎn)位和雷達(dá)影像點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)確對應(yīng)，首先將視線向(LOS)的沉降速率投影到垂線向，在距離水準(zhǔn)點(diǎn)100 m的范圍內(nèi)搜索相干目標(biāo)點(diǎn)，選取距離最近的相干目標(biāo)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取2010—2011年兩期觀測結(jié)果，計(jì)算出水準(zhǔn)和雷達(dá)干涉的年形變量值(正值表示沉降，負(fù)值表示隆起)，見表1所示。

表1 2010年～2011年地面監(jiān)測形變值 mm

根據(jù)表2的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，InSAR和水準(zhǔn)監(jiān)測的形變量均值為1.9 mm,中誤差為-1.8 mm。大部分的比較結(jié)果都在2倍的中誤差范圍內(nèi)，可見結(jié)果是非常可靠的。

6 結(jié) 論

本文運(yùn)用SBAS時(shí)序分析方法對泉州東南部的城市地區(qū)2007-2011年間的地表形變進(jìn)行監(jiān)測，分析地表形變與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系(亞歐板塊和西太平洋板塊)以及與地下水開采的關(guān)系，并得到以下結(jié)論：

1)泉州東南部地區(qū)整體上呈抬升態(tài)勢，上升速率為5 mm/a左右，主要是受到亞歐板塊和西太平洋板塊互相擠壓的結(jié)果。

2)泉州東南部有多處出現(xiàn)地表沉降。沉降的結(jié)果與泉州市統(tǒng)計(jì)的地區(qū)地下水開采數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，因此沉降主要與地下水過度開采相關(guān)。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Monitoring the ground deformation in Quanzhou area withsmall baseline subset (SBAS)

CHEN Zhimou1,CHEN Jinzuo1, LUO Chuchu1,YAO Junqi1,CHEN Jinqing1,CUI Jiawu2

(1.Fujian Weizhi Surveying and Mapping Engineering Co., Ltd., Jinjiang 362200,China;2.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

DInSAR can monitor the ground deformation at centimeter or even more minute levels. This paper choses 19 Japan ALOS1/PALSAR images from February 2007 to March 2011, using the small baseline subset of differential interferometry (SBAS) to obtain the time series deformation and the average sedimentation rate in this area. The result shows that: a.The southeast of Quanzhou is uplifted in the whole area, and the rising rate is about 5mm/a, which is mainly due to the mutual extrusion of Eurasian plate and western Pacific plate; b.There are some surface subsidence in the southeast of Quanzhou, which coincides well with the groundwater exploitation data of Quanzhou. So the settlement is mainly related to the over-exploitation of groundwater.

interferometry synthetic aperture radar; small-baseline subset; land subsidence; monitoring

著錄：陳志謀，陳金座，羅楚楚，等.利用小基線集技術(shù)(SBAS)監(jiān)測泉州地區(qū)地表形變[J].測繪工程，2017，26(7)：36-40.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.008

2016-07-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41204012)

陳志謀(1976-)，男，高級(jí)工程師.

TU196

A

1006-7949(2017)07-0036-05