基于高分辨率SAR影像的上海临港新城沉降格局分析

杨梦诗，蒋亚楠，廖明生，王寒梅

（1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

上海正着力建设成为国际经济、金融、贸易和航运中心之一，经济快速增长，也给土地供应带来巨大压力[1]。临港新城即通过围垦促淤、人工吹填工程在东海之滨兴建而成[2,3]，其距上海市中心城区75km，分为主城区和产业区，主城区是以5.6km2的滴水湖为中心的城市综合生活服务区，产业区是以产业开发为主的功能区块。上海临港新城特殊的地理位置和地质条件，也易受台风、暴雨、天文大潮、洪汛的侵袭，对其地表进行长期、持续的监测十分重要[4～7]。

在过去几十年里，差分合成孔径雷达干涉测量（D-ΙnSAR）由于其卓越优势被认为是当前最具前景的形变监测技术[8]。传统的D-ΙnSAR方法由于时间和几何去相干以及大气干扰等因素大大限制了其应用。近年来，针对常规D-ΙnSAR技术问题，许多学者进行了基于高相干点的形变序列反演技术研究[9,10]。该方法在长时间序列上识别相位和幅度变化稳定的点，利用这些稳定点，实现大气扰动、DEM误差等等影响因子的估计，以精确获得形变信息量。

本文充分考虑高分辨率SAR影像的特征以及影像数量，结合高相干点时间序列反演方法，从少量影像数据提取稳健高相干点，进而完成地表沉降反演。基于该方法反演上海临港新城2009～2010年的时间形变场，并利用研究区的水准实测数据对结果进行验证分析。

1 研究方法与数据准备

1.1 研究方法

考虑到SAR影像分辨率已经得到显著提升，在成像时，单个像元仍对应着地面多个散射体的相干综合，在每个分辨单元内总会存在稳定散射体，它相对于其他散射体来说更加稳定、显著，这就是时间序列方法研究的高相干点。针对高分辨率数据特征，在少量序列数据条件下，选取高相干点，稳健地完成形变量的估计。其数据处理流程如下[9]：

（1）干涉组合

从Ν+1景影像中生成Ν幅差分干涉图，主影像选择的依据是最大化差分干涉图的总体相干系数，考虑时间基线、空间基线以及多普勒频率差来完成。可用简单的公式来表达总体相干系数ρtotal：

（2）相干点选取

首先利用振幅离差进行初选点，在信噪比较好的条件下，振幅离差可以很好地代表相位标准偏差。计算如下：

其中，σA和μA是时间序列幅度值的标准偏差和均值。

进一步，以其中一幅干涉影像i中的像元χ为例，经过去平处理的差分干涉相位包含有五项：

这里，W{·}指一种缠绕运算，φdef.x.i是由于地表移动而引起的视线方向上相位，φatm.x.i是两次成像内大气扰动引起的相位，φord.x.i是轨道不精确带来的相位残差，φθ.x.i是由于视角误差引起的相位差，φn.x.i是由于散射体变化、热噪声、配准误差等等因素引起的噪声相位。

形变项、大气项、轨道项均是空间相关；由于DEM误差也是空间相关，因此视角误差项也是部分空间相关[9,10]。根据这四项的空间相关性，采用带通滤波去估计空间相关性相位成份，得到Ψint.x.i。以δ来代表这四项中经过空间相关估计之后的残余项，Δφnc代表时间相位误差中的非空间相关部分，代表相位噪声的非空间相关部分，因此有：

再通过最小二乘估计Δφnc，因此可以定义相位

噪声水平的测量作为选点的指标[9]。

（3）形变估计

一旦高相干点确定之后，将完成三维时空解缠，根据前面的选点分析，已估计了每个像素上的视角非相关成份，因此有：

再根据形变相位时空相关，而大气、轨道以及视角相位的时间不相关特性，在时间维上高通滤波，再从空间维上高通滤波。故而得到 。

1.2 数据准备

本文采用覆盖上海临港新城的11景高分辨SAR数据，时间跨度从2009年12月25日到2010年12月23日，获取传感器为TerraSAR-X，数据范围与研究区域见图1。影像的数据产品类型是SSC，成像模式为StripMap，分辨率约为3m。差分干涉处理中需要DEM数据来模拟地形相位以及作为地理编码的参考，采用研究区域约90m分辨率的SRTM DEM数据。最后利用上海市地质调查研究院提供的对应时段14个水准点实测数据，对结果进行了验证分析。

图1 TerraSAR-X数据范围及研究区域Fig.1 The area coverage of TerraSAR-X and research area

根据数据基线分布情况，以最大化总体相干系数为干涉组合原则，选择2010年7月11日的数据作为主影像，其余影像均配准到该主影像，详细数据见表1。

表1 影像及干涉对信息Table 1 The basic description of interferogram

从表中可以看出，序列干涉对的总体相干性较好，平均在0.74左右，最大可达0.9。

2 结果分析与验证

上节中给出了数据信息，按照已介绍的处理方法，进行时间序列反演。干涉处理完成后，以0.4作为初选点的振幅离差阈值，0.68作为复选点的相位噪声阈值，从序列中选取113101个高相干点进行分析。在此基础上得到了临港新城2009年12月～2010年12月的平均沉降速率（图2）。

2.1 沉降场空间分析

临港新城是通过人工吹填建造，吹填土土质松软、含水率高且孔隙比大、强度低、土质极不均匀，在一定时间段内，地层固结压缩会带来沉降[11,12]，这个过程不可避免且沉降量大。另外，堆石体本身也有固结压实的过程，而工程建设的施工作业与外部荷载等因素也会导致土层压缩沉降。

图2 TerraSAR 2009～2010年临港新城平均沉降速率Fig.2 The deformation velocity of Lingang New City in 2009～2010 by TerraSAR

图2显示出研究区的年平均沉降速率为-30～5mm/a，近海地区的沉降比内陆地区更为显著，最严重区域主要分布在海堤附近。区内的大型线状地物，如海堤和主干道路，存在非均匀性沉降态势。

临港新城的沉降分布情况还与其建设历史及施工顺序有密切关系。施工是分段进行[13]，岸边先填筑，再不断加固扩展，先填筑的压实固结渐趋稳定，而后填筑的沉降仍在持续。具体可分为九四塘以西的老填土和九四塘以东的新填土。老填土经长期压实作用，大多数沉降速率小，且部分出现微弱回弹。新冲填土固结时间短，沉降量比较大，新筑海堤附近的最大沉降速率约达35mm/a。

研究区地面沉降分布的空间格局，与之前采用Envisat ASAR影像所作的分析基本一致。图3是2007年10月到2010年10月的24景Envisat ASAR影像获取的平均沉降图，反映出九四塘以西的老冲填土区出现回弹，九四塘以东的平均沉降速率约25mm/a[14]，与本次TerraSAR-X结果揭示的规律性相同。

不同传感器数据处理结果虽较一致，也由此看出一些不同特点。ASAR数据集的时间跨度大，可以看出2007～2010年九四塘以西的显著回弹，而TerraSAR-X数据集的时间跨度小，九四塘以西的老冲填土区已趋于稳定，新冲填土区沉降速率则较大；传感器工作波段不同，对形变的敏感程度也有差异，TerraSAR-X短波长对细微形变的反映更出色，其获得的新冲填土区的沉降速率更大。TerraSAR-X的高分辨率优势在于，对地物细节的呈现，其高相干点与地面分辨单元对应关系更加明确，可以提高选点的准确性。TerraSAR-X数据处理时，设置了相位噪声阈值，剔除噪声大于阈值的相干点，避免了噪声影响结果的稳健性。

图3 Envisat ASAR 2007～2010年临港新城平均沉降速率Fig.3 The deformation velocity of Lingang New City in 2007～2010 by Envisat ASAR

2.2 反演精度验证

利用上海市地质调查研究院提供的2009～2010年的14个水准点数据，进行实验结果验证。由于水准点有限，加之没有与水准点位置完全精确符合的高相干点作为验证对比，因此验证点的选取方法是在水准点位置50m内，考虑地貌条件差异选择最邻近点。采用该方法的原因在于，TerraSAR-X是高分辨率SAR数据，对地物的细部描述更加具体。一般采用的算术平均法是用水准点附近100m的所有高相干点均值与水准实测沉降速率对比，这样的方法比较适用于ENVΙSAT ASAR中等分辨率的数据。对于海堤这样复杂的情况，验证点的选取很重要，海堤护坡外侧石堆及草地和防浪墙及内侧与连接的交通干道，这几个位置上形变值差异很大，故一定要选择与水准点位相符的作验证。

表2显示了相应时间段内ΙnSAR反演结果与水准实测形变速率值的对比，以中误差、平均误差作为衡量精度的指标。相干点目标的沉降速率与水准点数据进行比较，得到平均误差为1.510mm，中误差为2.016。

我国对城市地面沉降的精度要求是，偶然中误差5mm/km、全中误差10mm/km。偶然误差最大的12号水准点位于堤岸内坡公路内侧，与之相比较的相干点目标则分布在内坡旁边的公路上，但验证点选择时考虑了距离因子，因此D-ΙnSAR反演结果可满足沉降监测需求，并具有精度保证。

图4 形变速率的水准测量与D-ΙnSAR反演结果对比Fig.4 The results comparison of deformation velocity between leveling and D-ΙnSAR

图4是水准实测数据与反演结果对比图，可以看出其结果基本符合，D-ΙnSAR反演结果略微偏大，7号水准点符合最好，相差0.055mm，达到亚毫米级精度，12号水准点偏差最大，但仍未超过5 mm。

本文所利用的水准监测数据大都位于海堤上，而临港新城尚缺乏面积水准监测数据，这些区域难以利用传统的监测手段快速获取区域沉降动态情况，而建立健全水准监测网需相当长时间，重复观测周期也较长，且水准点自身沉降也会影响监测精度。所以采用时序SAR影像监测特殊区域形变有独特优势。

3 结语

本文采用TerraSAR-X影像，对由围海造地兴建的上海临港新城的沉降状况作了分析，结果表明，九四塘以西的老冲填土区已趋于稳定，九四塘以东的新冲填土区形变量较大；利用水准监测数据对结果进行验证，误差满足城市形变监测的工作精度。时间序列SAR数据反演沉降，结果是合理的。采用时间序列ΙnSAR技术，对滨江沿海围垦促淤新成陆地区的沉降监测具有独特优势。

致谢：感谢北京视宝公司、ASTRΙUM公司和德国宇航局（DLR）提供TerraSAR-X数据和上海市地质调查研究院提供水准点验证数据。

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