基于PS-InSAR技術的淄博市地面沉降監測

邢立鵬，曲國慶，黃潔慧，鄧曉景

(山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

淄博市礦產資源豐富，煤礦、鐵礦、鋁土礦等資源的大量開采產生了大面積的采空區，容易造成地面不均勻沉降。據相關資料顯示，地面沉降已成為淄博市的主要地質災害之一。地面沉降會使建筑物、構筑物墻體開裂，損害鐵路與道路路基，還會破壞現有管道設施，影響人們的生產和生活安全[1]。山東省全球導航衛星連續運行參考站綜合服務系統(Shandong Continuous Operational Reference Systerm，SDCORS)在淄博市有12個站點，空間密度過小，難以獲得連續的空間形變分布場[2]，而利用水準測量的方法監測地面沉降工作量大，觀測周期長。

與傳統測量技術相比，合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry，D-InSAR)利用遙感衛星多時相的雷達圖像相位信息，提取地表形變量，具有連續空間覆蓋和髙度自動化監測地表形變的能力[3-4]。相關專家學者利用D-InSAR技術對香港、臺灣、天津、北京、江蘇鹽城等地區進行了地面沉降研究，分析了D-InSAR在地面沉降監測領域的技術要點，證明D-InSAR技術精度可達亞厘米級[5-9]。部分學者利用InSAR技術研究了山東省內的沂沭斷裂帶、黃河三角洲以及濟寧等地區的地表形變，對地表形變與板塊運動、地下水采集和礦產開采之間的關系展開分析[10-12]，豐富了山東地區沉降監測研究領域。由于D-InSAR技術受時空基線、大氣效應和數據質量的制約，導致難以獲取連續的地表形變場。基于永久性散射體(Permanent Scatterers，PS)的InSAR技術有效地解決了傳統D-InSAR技術大氣效應和時空去相干的影響[13-15]，從穩定的PS單元上獲得高密度的地表形變場，監測精度可達毫米級[16-17]。自2001年Ferretti等人率先提出PS概念以來，PS-InSAR技術在地面沉降監測領域中的應用越來越多，不僅解決了非線性運動的檢測問題，還通過與傳統InSAR技術比較，證明了PS-InSAR技術在地面沉降監測中具有明顯的優勢[18]。

1 PS-InSAR技術地面沉降監測原理

(1)

和

(2)

(3)

(4)

式(3)、(4)表明，PS-InSAR技術獲取的高程以及形變速率精度是時間相干性和時空基線分布的函數，該模型與干涉像對的組合方式無關。

2 淄博市地面沉降分析

2.1 數據處理

實驗采用2007年10月3日—2011年2月26日的25景L波段的ALOS PALSAR SLC影像，影像的軌道方向為升軌，極化方式為HH極化，時間信息如表1所示，在25景數據中，22景相鄰數據相隔1個重訪周期(ALOS的重訪周期為46 d)，3景相鄰數據之間相隔2個重訪周期，保證了實驗數據的連續性。

表1 SLC影像獲取時間表

實驗綜合考慮時空基線對干涉像對的影響，選取2010年1月8日的SLC影像作為主影像，其它SLC影像作為輔影像與主影像進行配準和干涉處理，得到24幅干涉圖，各干涉像對的空間基線如表1所示，24個干涉像對的空間基線均小于1/2 ALOS PALSAR數據的空間基線閾值(±9 797.055 m)，保證了干涉像對的質量，其中最短空間基線為321.939 m，最長空間基線為3 564.540 m。在PS點的篩選方面，采用振幅離差指數法與設定相干系數閾值相結合的方法來提取相干點目標，在一定程度上提高了低相干區域PS點的密度和估算精度。

2.2 形變場分析

實驗共得到203 265個相干性大于0.8的PS點，PS點的密度約為50個/km2。PS點在城市地區和鄉鎮居民區密度較大，在博山區南部和西南部以及淄川區東南部等山地、丘陵地區PS點較少。從圖1可以看出，2007年10月3日—2011年2月26日期間，影像覆蓋范圍內平均沉降速率在10 mm/a以內，淄博市內共存在四個沉降嚴重的區域。其中，沉降區1位于張店區東北部與臨淄區的交界處，最大沉降速率為37 mm/a，最大沉降量為126 mm；沉降區2位于張店區西南部與淄川區北部，最大沉降速率為66 mm/a，最大沉降量為206 mm；沉降區3位于周村區西南部與淄川區西部交界地帶，最大沉降速率為45 mm/a，最大沉降量為141 mm；沉降區4位于博山北部—淄川中部，最大沉降速率為60 mm/a，最大沉降量為182 m。

圖1 2007-10-03—2011-02-26形變速率圖Fig. 1 The deformation rate from 20071003 to 20110226

為解譯區域沉降結果，實驗采用Kriging算法對沉降區內的PS點進行插值，剔除沉降較小的區域，繪制等值線圖，選取沉降量和沉降范圍較大的沉降區4進行重點分析，如圖2和圖3所示。通過Kriging插值和等值線繪制，能夠直觀看出沉降區4的沉降詳情及其空間分布特征，沉降區整體沿張博鐵路呈西南—東北分布，沉降最大的區域位于博山區西南部，最大沉降量為182 mm。

圖2 沉降區4沉降量克里金插值Fig.2 Settlement Kriging interpolation of the settlement area 4

圖3 沉降區4沉降量等值線圖 Fig.3 Contour map of the settlement area 4

如圖4所示，通過對淄博市地表形變場的時間序列處理，獲取了研究區的地表演變過程。圖4(a)中整個研究區內沉降量較小，最大沉降量為85 mm，沉降較大的PS點分布較分散，無明顯的沉降區。圖4(b)中4個沉降區已初顯輪廓，最大沉降量為107 mm；至2010年10月11日，沉降區的空間分布更加明顯，沉降區范圍和沉降量均有所增大，最大沉降量為151 mm，如圖4(c)所示。圖4(d)中沉降區1的沉降水平最低，沉降較大的PS點分布相對離散，沉降區4的沉降水平最高，沉降較大的PS點分布比較集中。綜上所述，淄博市的地面沉降在時間和空間上存在明顯的差異，沉降主要集中在4個區域，在2008年10月5日—2010年10月11日期間沉降區范圍擴展較快，沉降量逐年增大。

(a)2007-10-03—2008-10-05 (b)2007-10-03—2009-10-08

(c)2007-10-03—2010-10-11 (d)2007-10-03—2011-02-26圖4 淄博市2007-10-03—2011-02-26地面沉降演變圖Fig.4 Evolution Chart of ground subsidence in Zibo from 20071003 to 20110226

綜合圖4(d)、圖5、圖6，通過對比分析沉降區分布、礦山地質環境影響分布和地質災害分布情況，發現4個沉降區均處于礦山地質環境影響嚴重區和采空塌陷地質災害易發區，說明礦產開采是造成淄博市地面沉降的主要因素。

圖5 淄博市礦山地質環境影響分布圖Fig.5 Distribution of geological and environmental effects by mines in Zibo

2.3 精度分析

相關研究顯示，在雷達影像大于或等于25景的條件下，距地面參考控制點(Ground Control Point，GCP)小于5 km范圍內PS點的形變速率精度最高可達0.1 mm/a。實驗選取25景ALOS PALSAR SLC數據，每3到5 km選取一個形變量小于0.1 mm的GCP點，理論精度可達毫米級。

(5)

(6)

對淄博市地表形變場精度進行驗證與評估，見表2、表3。在研究區內選擇了兩個SDCORS站點，運用最臨近點位法、最小差值法、100 m算數平均法、200 m算數平均法和300 m算數平均法統計了SDZB站與ZCHW站距離最近的PS點、差異最小的PS點以及周邊100 m、200 m、300 m范圍內所有PS點的形變速率精度以及在相同時間內與CORS站監測結果的差異。如表2所示，四種方法求得的形變速率精度均小于3 mm/a，說明形變速率的內符合精度為毫米級。在表3中，SDZB站的監測結果與最接近該站的PS點的形變量誤差為-7.76 mm，ZCHW站的監測結果與最接近該站的PS點的形變量誤差為-3.75 mm；CORS站周邊100 m范圍內與SDZB站監測結果相差最小的PS點與其誤差為-0.12 mm，與ZCHW站監測結果相差最小的PS點與其誤差為-0.62 mm；CORS站周邊100 m、200 m和300 m內所有PS點形變量的平均值與CORS站的監測結果誤差都在1 cm以下，說明實驗的外符合精度也為毫米級。綜合表2與表3，驗證了PS-InSAR技術對淄博市地面沉降的監測精度在毫米級。

表2 地面沉降監測結果內符合精度評定

表3 地面沉降監測結果外符合精度評定

3 結束語

利用PS-InSAR技術，采用ALOS PALSAR SLC數據獲取了淄博市的地表形變速率場，明確了淄博市主要沉降區的演變過程，結果表明：

1)研究區內存在4個大范圍沉降區，主要分布在張店區東北和西南部、周村區南部、博山區北部、淄川區中部和西北部等區域，其分布與淄博市的主要礦區、采空區分布較為一致。

2)礦產資源開采使得淄博市各沉降區發育異常，地面沉降時空分布差異性大，在2007年10月3日至2011年2月26日期間，淄博市最大沉降點位于張店區，沉降速率為66 mm/a，沉降量為206 mm。

3)通過與SDCORS站數據的比較驗證，證實PS-InSAR對淄博市地面沉降的監測精度為毫米級。

4)試驗中的PS點均為相干性大于0.8的房屋角點或者裸露的巖石，在地形起伏較大的山區與丘陵地區PS點較少，對于一些非線性形變和形變較大區域的監測略顯不足，可以利用D-InSAR技術輔助進行沉降監測，或利用SBAS-InSAR的方法彌補。