PSInSAR技術在廣州市南沙區地面沉降監測中的應用研究

吳龍飛，陳凌偉，彭衛平

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

城市地面沉降如今已成為常見的一種環境地質災害，對城市經濟發展和人民財產安全造成了巨大影響。目前，我國常用的地面沉降監測手段仍以水準測量為主，其精度雖高，但也存在外業工作量大、覆蓋范圍小、時效性差等缺點。合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是正在發展的微波遙感技術，其中，被監測表面的三維信息和高程變化就可以通過SAR的相位信息來獲得，進而可以根據所獲取到的地表高程信息進行地面沉降監測，而且監測精度能夠達到厘米級，這在很大程度上節省了人力、物力乃至財力[1]。盡管如此，InSAR技術還受到時間失相干和空間失相干等各類誤差的影響，為了削弱此類誤差的影響，意大利米蘭工業大學的Ferretti等人提出了永久散射體雷達干涉測量技術(PSInSAR)，其用于分析的PS點通常是房屋、橋梁、巖石等具有穩定散射特性的硬目標，因為這些物體具備穩定散射的特性，不容易受時間、空間基線失相關等誤差的影響，故而雷達的后向散射特性隨時間而發生變化的概率較小，因此，可以將大氣延遲相位與形變相位分離出來，將其在城市地面沉降監測中的精度提高到毫米級[2，3]。

本文以廣州市南沙區為例，詳細介紹了PSInSAR監測地面沉降的原理與數據處理流程，獲取了南沙區2015年～2018年平均沉降速率，證明PSInSAR技術在城市地面沉降監測中具有廣泛的應用前景，也可為今后類似的城市地面沉降監測提供經驗。

2 PSInSAR原理與處理流程

2.1 PSInSAR監測地面沉降的原理

PSInSAR技術的基本原理是，首先對所有覆蓋在相同區域的多景時序InSAR影像，基于時空基線選取其中一幅作為主影像，剩下的作為輔影像并與其進行配準處理，依據影像在時間序列上的幅度和相位信息的穩定性，我們可以從中獲取出許多相關性高、穩定的點，這些點稱之為永久散射體(persistent scatterer，PS)[3]；隨后，通過剔除地形相位和干涉處理等方法，對帶有永久散射體目標信息的差分干涉相位進行獲取，再對相鄰目標的差分干涉相位進行二次差分；最終，建立基于兩次差分后的干涉相位組成信息的形變相位模型，并通過形變相位的求解以及大氣延遲相位的分離，以此得到目標區域的形變信息和地形殘余信息[4～7]。

2.2 PSInSAR數據處理流程

假設研究區共有N+1幅InSAR影像，選取其中一幅作為主影像，并將剩余的影像作為輔影像，將其配準到主影像所在的空間，同時從對每一輔影像與主影像的干涉處理中獲得N個干涉對，并借助已知數字高程模型DEM進行差分干涉處理以剔除地形相位，由此得到N幅差分干涉圖，進而來獲得各像素的時間序列差分干涉相位[4，8～11]。通過一定的算法選取出PS點，如單一閾值法的相關系數閾值法、相位離差閾值法、振幅離差指數閾值法，雙閾值法的相干系數和振幅離差雙閾值法、振幅信息雙閾值法；可以得到PS點的差分干涉相位集，從而構建一個合理的函數模型來求解PS點的高程誤差和地表形變。PSInSAR的數據處理流程如圖2所示，其主要處理步驟如下[12，13]：

(1)選擇N+1幅InSAR影像，選取其中一幅作為主影像，然后將剩余的作為輔影像配準到主影像空間，通過對每一輔影像與主影像分別進行干涉處理，以得到N幅干涉圖；

(2)采用已有的DEM數據，對N幅干涉圖進行差分干涉處理后剔除地形相位，獲得N幅差分干涉圖；

(3)對N+1幅InSAR影像進行輻射定標處理并配準定標后的InSAR影像；

(4)從經過定標和配準處理后的N+1幅InSAR影像中探測出一定數量的永久散射體(PS點)；

(5)根據N幅差分干涉圖和PS點，獲得PS差分干涉相位集；

(6)用干涉圖對PS點建立差分干涉相位函數模型，并通過對模型的求解得到PS點的線性形變速率、DEM誤差以及大氣相位；

(7)通過原始差分干涉相位可以剔除線性形變分量和DEM誤差分量，然后對殘余相位進行時空濾波，從中可以分離出大氣相位和非線性形變量，繼而通過克里金插值等方法獲取整個研究區最終的形變值。

圖1 PSInSAR數據處理流程圖

3 南沙區InSAR監測數據及結果

3.1 南沙區概況

廣州南沙區位于廣州市最南端，地處珠江三角洲的地理幾何中心，具有重要的戰略地位。全境基本都有軟土分布，成因類型主要是三角洲相沉積，地表主要為第四紀沉積物，軟土層呈大面積厚層狀，局部直接裸露在地表，大部分都位于地表硬殼之下，分布厚度由西北方向向東南方向逐漸加深，北部的欖核鎮、東涌鎮、大崗鎮軟土厚度約 3 m～15 m，中部的黃閣鎮、橫瀝鎮、珠江街道軟土厚度約 15 m～25 m，南部的龍穴島、萬頃沙軟土厚度大都在 20 m～45 m之間，部分填海造陸區域軟土厚度達 50 m。由于境內軟土發育以及近年來大規模的工程建設，南沙區一直是地面沉降災害發生嚴重的地區。

3.2 南沙區InSAR監測數據

本文選取廣州市南沙區作為研究區域，其不僅有居民區建筑物等相干性較好的地區，還有低相干區域，如大面積的農田、水域以及其他植被覆蓋，故其實驗數據具有代表性。采用歐空局(ESA)提供的哨兵-1(Sentinel-1)衛星2015年～2018年對南沙區的InSAR觀測數據作為沉降監測數據，根據振幅離差指數閾值法總共提取了南沙區92 749個PS點，點的密度為 118.32個/km2，將其與電子地圖相疊加(如圖2所示)，從圖中可以看出PS點主要集中在北部的建筑群區，而在河道、植被以及農田等不穩定的區域只有少數PS點分布。

圖2 Sentinel-1衛星監測PS點分布圖

采用Delaunay方法對之前選取的PS點進行構網(如圖3所示)，然后分析與PS點相連的網中相鄰點連接而成的基線，構建起相鄰點之間的相位差與形變速率增量、高程誤差增量相關的數學模型，通過對模型的求解可以得到所有PS點的形變速率，然后在ArcGIS軟件中對所有PS點的形變速率進行統計分析，可獲得其沉降速率分布情況及年平均沉降速率，如圖4、圖5所示。

圖3 PS點構成的不規則三角網圖

圖4 PS點沉降速率頻數分布圖

圖5 2015年6月～2018年6月南沙區年平均沉降量

3.3 數據分析及比較

由PSInSAR技術處理后得到的沉降速率頻數分布圖(圖4)及南沙區2015年～2018年平均沉降速率圖(圖5)可以看到，南沙區大部分區域年平均沉降速率小于 10 mm，其中北部、中部的零星以及南部的龍穴島、萬頃沙鎮等區域的年平均沉降速率在 15 mm/y～35 mm/y，局部地區如龍穴島中部、萬頃沙鎮中部地區年平均沉降速率超過了 35 mm/y。對比《廣州市地面沉降與巖溶地面塌陷調查與規劃應對策略(南沙區、白云區、從化區)》報告中南沙區所布設的23個沉降監測點累計7年(2011年～2018年)的沉降觀測數據可知[14]，PSInSAR的監測數據與現有沉降監測點的觀測數據高度一致，證明PSInSAR技術在城市地面沉降監測中的應用是可行的。

結合南沙區的實際情況分析可知，隨著城市發展建設的加快，南沙區北部、中部和西部的部分三角洲平原變成了工業基地，并不斷向南發展，而這些地區土質自身比較松軟，在自重固結沉降未完成的軟土區進行填土加載、開發建設甚至填海造陸，人為地加速軟土的排水固結—壓縮沉降的過程，從而加快了這些區域的地面沉降速率，在今后的建設中應加強監測與災害預防工作。

4 結 語

利用PSInSAR技術監測城市地面沉降以及進行分析，可以獲取具有高時空分辨率的大面積地表形變信息，在大區域進行高效、經濟且快速的高密度和高精度地面沉降監測，減少人力和物力，彌補了傳統一二等水準測量的不足。

通過對本文中PSInSAR技術的原理、數據處理流程的詳細介紹以及對PSInSAR監測數據的分析比較，可為今后類似的城市地面監測項目提供借鑒。