基于SBAS的河口周邊地面沉降監測探究

晏王波

(江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，城市的工程建設越來越頻繁。諸多的人類活動往往對于地面有一定的影響，典型的如隧道修建、地下水抽取等[1-3]。這些人類的活動往往會引起地面的沉降，即在自然或人為因素共同或單獨作用下，逐步、緩慢地實現地面下沉或地陷的現象[4-5]。地面沉降作為一種地質災害，是由于地質構造松散巖層逐步壓縮，在一定范圍內的地面高程降低的現象，但其具有緩慢性等特點，難以被察覺，因而通常以年均沉降毫米進行定量衡量[6-7]。地面沉降的地質現象不可逆、影響范圍廣等特點，容易引起地基塌陷、房屋開裂、管道破損等問題[8-9]。

我國從1920年開始發生地面沉降，到1970年，華東地區的長江三角洲平原及主要城市、京津冀地區的主要平原地區也相繼出現地面沉降，從最初的點狀沉降到面的大范圍沉降，這樣導致的沉降范圍變大，也容易形成聚集性的地面沉降，對人類的正常生產、生活都有較大的影響，因而，預防地面沉降是極為重要且有意義的[10-11]。

為了有效預警與監測地面沉降，業界很多專家都進行了深入的研究，如利用傳統的測量方式進行點位的測量，通過對比分析每年的實際高程，測算出是否存在地面沉降的情況。但需要注意的是傳統的測量方式存在成本高、監測面積小等不足，因而，有學者引入合成孔徑雷達技術進行檢測，即利用覆蓋面積大的影像進行持續性的監測，提升了監測范圍與監測頻次，通過進行不同影像間的差分干涉，實現具體的地面沉降現象捕捉與探索。但由于對合成孔徑雷達影像的解譯與分析技術存在諸多影響因素，因此，如果不有效地進行誤差因素剔除，則會產生錯誤的結果。業界學者通過短基線(SBAS)技術、永久散射體干涉測量技術對城市的地面沉降監測進行分析，成為獲取地面沉降或地表形變的重要技術方向，這些方法也能夠有效地實現對雷達影像的處理，有效提升了地面沉降監測的應用場景與效益[12-14]。

隨著社會經濟的不斷發展，灌河口周邊也出現了城鎮化的現象。通過越來越多的工廠聚集，吸引了多數勞動力在此工作與生活，同時也對環境產生了一定的影響。因此，針對這些環境變化與監測需求，本文采用了25景RADARSAT-2雷達影像，基于短基線方法，嘗試探索河口周邊的地面沉降信息，同時，進一步反演地面沉降的具體過程，為河口周邊的發展與環境保護提供技術支撐。

1 研究過程

1.1 數據

為了有效地進行地面沉降監測，本文針對研究區灌河口的實際情況，選用覆蓋研究區的影像進行監測，具體的數據源時間周期為2015—2018年，數量為25景，空間分辨率約為25 m，以最初始的影像作為主影像，其余為輔助影像，進行垂直基線的計算。

DEM采用公開的30 m分辨率DEM數據。

1.2 研究方法

通過對研究區域進行研究，本文選擇短基線(SBAS)方法進行地面沉降監測分析。短基線方法是利用在固定的時間周期內，通過設定一定空間閾值內的自由組合干涉對，降低時空失相關對數據分析的影響，以達到監測的目的，這種方法是較為常見的合成孔徑雷達處理方法。在影像數據明確的情況下，可以逐漸形成較多的干涉對，進一步提升觀測質量，增加多余的觀測數量，以便有利于提升雷達影像結算的具體精度。

例如，針對研究區域覆蓋了N+1個雷達影像數據，通過設定時空兩個角度的基線閾值，形成組合干涉對，并從干涉圖剔除相應的地形因素影響，得到兩兩圖像之間的差分干涉圖，具體可用公式(1)進行計算：

(N+1)/2≤M≤[N×(N+1)]/2

(1)

在公式(1)的基礎上，對干涉圖的干涉相位進行定量求解，具體如公式(2)所示：

δΦj=Φ(tB)-Φ(tA)≈4π[d(tB)-d(tA)]/λ

(2)

式中：Φ(tA)和Φ(tB)表示tA和tB相位；d(tA)和d(tB)表示地表形變量；λ表示雷達波長。

在公式(2)的基礎上，對差分干涉相位進行具體求解，具體如公式(3)所示：

δΦj=Φ(tIEj)-Φ(tISj)，j=1,…,K

(3)

上式是由N個未知數的M個方程式組成的方程式，具體如公式(4)所示：

δΦj=AΦ

(4)

式中，A是一個M×N的系數矩陣，可將A轉換為公式(5)：

(5)

將未知數轉變為相鄰影像獲取時間內像元點沿LOS向的平均速率，將公式(5)進行轉換，具體如公式(6)所示：

(6)

對公式(6)進行轉換，具體如公式(7)、公式(8)所示：

(7)

Bv=δΦ

(8)

式中：B表示主從影像之間的矩陣；v表示形變速率。

綜合考慮高程的因素對相位數據的影響，可以利用相應的沉降模型來進行高程誤差的估算，再根據每個周期的沉降速率進行時間域上綜合，可得到不同周期內地表形變的具體數值。

2 數據處理與分析

2.1 InSAR數據處理結果

SBAS方法的處理步驟主要包括：

①針對研究區的雷達影像進行統一的配準，實現同一坐標系下的處理，在此基礎上，生成相應的干涉組合；②在干涉組合生成的基礎上，利用濾波等方法過濾掉相應的失相干噪聲；③利用高程數據對相位進行數值模擬，以去除相應的地形影響因素；④利用相位解纏的方式實現干涉圖的求解，并有效剔除大氣相位，確保數據更加精確；⑤在步驟④的基礎上，進行平均位移速率和相應的時間序列變化的結果分析。

為了明確干涉圖的解譯效果，可以通過調整相應的雷達影像相干性閾值進行分析，經過多次試驗對比，設置對應的閾值為0/35。在選取相應干涉點的基礎上，構建三角網來進行建模解算，利用lowest cost方法進行干涉解纏，同時，將相應的雷達影像相位校正到相干性較高的參考點上，求解相應的周期范圍內(2015—2018年)研究區地面沉降形變的年均沉降速率。

從具體的雷達影像解譯結果可以看出，研究區周邊存在多個明顯的沉降漏斗，其中堆溝化工園區相對最為嚴重，年均沉降速率最高達到-75.7 mm/a；此外，臨港產業園和陳家港化工園區也有沉降漏斗出現。

2.2 水準數據驗證

為了進一步驗證研究區監測范圍內短基線方法的有效性，本文搜集了研究區周邊12個水準數據，其監測的周期為2015—2019年，通過對比兩種不同的方法得到的形變監測值，來評估短基線方法進行地面沉降監測的有效性。

綜合比較實際監測的結果與短基線方法解譯雷達影像數據得到的結果，如表1所示。

表1 水準點與InSAR監測結果對比 單位：mm/a

兩種方法最大差值為6.74 mm/a，最小的差值為-6.45 mm/a，利用相應的均方根誤差指標定量評估兩種方法的差值，具體如公式(9)所示：

(9)

式中：N為具體的水準測站的數量；?Hi為水準監測的地表形變結果； ?hi為短基線方法監測出的地表形變結果。利用公式(9)對表1中的數據進行綜合分析，最終得到均方根誤差為4.52 mm/a，說明短基線方法在研究區范圍內的沉降監測是有效的，結果是可信的。

3 結論

隨著社會經濟的發展，對城市進行有效的地面沉降監測是極為重要的。本文嘗試利用短基線方法對研究區灌河口周邊進行地面沉降的檢測，監測的周期為2015—2018年，并獲取了相應的年均沉降速率、地面沉降空間分布特征，其中，最大的年均沉降速率達-75.7 mm/a。

(1)從時間角度來看。在本研究的監測周期范圍內，地面沉降的漏斗存在集中成片的趨勢，這主要由于人類生產、生活頻繁，特別是研究區內的化工企業不斷增加，工業產能逐步提高，導致對地面的負荷逐漸增大，同時，抽取地下水數量更為明顯，因而導致地面沉降。

(2)從空間角度來看。沉降漏斗存在的地區相對較為集中，即明顯聚集于化工園區，這類地區相較其他地區開采地下水更為嚴重，大量的人類生產、生活導致了地面沉降塌陷。

(3)從實驗方法來看。短基線方法能夠在研究區灌河口周邊實現有效的監測。