基于InSAR技术的珠三角地面沉降监测应用

张杏清

（1.广东省地质测绘院，广东 广州 510800）

基于InSAR技术的珠三角地面沉降监测应用

张杏清1

（1.广东省地质测绘院，广东 广州 510800）

运用InSAR技术开展珠三角地面沉降监测，研究其产生的机理、发展趋势和防治措施,就该区运用InSAR技术进行监测获取地表沉降动态结果，进一步研究了在植被覆盖密度大及水网密布区域开展InSAR监测的规律和特性，验证了监测结果的可靠性，分析了地表沉降的主要原因。

珠三角；地面沉降；InSAR；监测

InSAR 是近年发展起来的一种先进的遥感技术[1-5]，具有方便快捷、覆盖范围广、空间分辨率高、不受云层干扰等特点。目前，InSAR主要应用于DEM的生成（m 级精度）和高精度地表形变的监测[6,7]（mm～cm 级精度）。近几十年来，InSAR 技术一直是国际遥感研究的热点，并已广泛应用于大面积的地表沉降监测项目中。为准确把握珠三角地区地面沉降动态，为政府制定具体防治措施和保证重要大型工程项目的建设安全，更好地为区域的经济建设服务，运用InSAR技术实施了该地区的地面沉降监测。

1 研究区概况

珠江三角洲平原位于广东省中南部，是我国东南沿海河口区域最大的三角洲平原，是华南地区改革开放和经济发展最快的地区，形成了以广州、深圳、珠海为中心的城市群，包括中山、佛山、江门、肇庆、东莞、惠州等市，面积约10 000 km2。珠江三角洲呈倒置三角形，北江、东江、西江和珠江三角洲诸河构成珠江水系，形成河网密布、水道纵横交错的水网，水塘泽地星罗棋布。地貌类型以三角洲平原为主体，三角洲前缘及西北部有低山、丘陵分布，中部则缀有零星低丘及台地，珠三角地处低纬南亚热带，属亚热带典型的季风气候，温暖潮湿，雨量充沛，植被茂盛，珠三角平原广泛分布数米乃至数10 m的高压缩淤泥及淤泥质软土。

2 InSAR技术原理

图1显示了InSAR技术测量地面沉降的基本原理[4,6,7]，随着时间的变化，地面沉降为2次SAR成像中的斜距差δR（δR=R2- R1）。

图1 InSAR技术测量地面沉降的基本原理示意图

根据干涉测量原理，InSAR的干涉相位表示为:

式中，φfat、φtop、φdef、φatm和φnoi分别为平地相位、地形相位、形变相位、大气延迟相位以及随机相位噪声；λ 为雷达波长；R1和R2分别为主从影像斜距。

根据轨道信息结合外部DEM（如SRTM、ASTER GDEM等），可以计算出平地相位和地形相位，即

式中，B为干涉空间基线长度；α为基线与水平方向的夹角；θ0为雷达视线的名义侧视角（即相对于参考椭球面的侧视角）；B‖0和B⊥

0分别为名义平行基线和垂直基线；h为地面点高程。

而对于大气延迟相位φatm则通过外部水汽数据进行校正，或者是通过空间维低频滤波的方法进行估计，得到其估计值φ^atm并去除。而随机相位噪声φnoi分别为平地相位、地形相位、形变相位、大气延迟相位，采用空间维相位降噪的方法去除。最终，将φfat、φtop、φatm和φnoi从式（1）中减去，即得到形变相位的估计结果：

通过式（4）可以计算得到地表形变引起的斜距差。通常城市区域的地表形变以沉降为主，如果不考虑水平方向的移动，则地面沉降Δ h为：

式中，θ为雷达入射角。

3 监测数据处理

3.1 研究区域数据

根据珠三角地区数据的存档情况，选取了C波段的ENVISAT/ASAR影像，从2007～2014年不同时间段选取了不同的数据源。2007-04～2009-09之间选取Track 297 Frame 441和459的36景，2003-04～2009-12之间选取Track 175 Frame 441的33景ENVISAT/ ASAR影 像， 另 一 种 是TerraSAR影 像：2014-05～2014-07之间的11景TerraSAR影像，4个分幅覆盖珠三角监测区域。C波段（波长5.6 cm）和X波段（波长3.2 cm）的雷达影像具有波长短监测精度高的特点，比较适合城市区域的地表形变分析。数据情况如图2所示。

图2 ENVISAT/ASAR与TerraSAR影像覆盖图

图2a是ENVISAT/ASAR影像在珠三角区域的覆盖图，其中红色覆盖区域为将要监测的区域，每个红色矩形框（即每个Frame）覆盖为100 km×100 km；图2b是TerraSAR影像在珠三角区域的覆盖图，其中蓝色矩形框为监测区域内TerraSAR影像覆盖，每个蓝色矩形框（即每个Frame）覆盖为30 km×50 km。

3.2 数据处理流程

虽然珠三角地区城市化程度高、建筑物密集、地物的散射特性好，但由于珠三角地区雨量充沛、气候适宜、土质肥沃，造就了植被覆盖率相当高，加之河网密布、鱼塘多，形成了相对较为特殊的地表环境，因此在数据处理（尤其是对TerraSAR数据）时需要进行精细的误差去除。结合采用的数据情况，项目采用GAMMA软件进行SAR影像处理，包括影像拼接、影像配准、影像重采样、生成干涉图、去除平地相位和地形相位、相位解缠以及生成形变图等，同时采用具有自主知识产权的软件包去除大气延迟误差以及基准统一处理，数据处理具体方法步骤如图3所示。

图3 InSAR数据处理流程图

数据处理过程的关键是相位误差处理：对于轨道误差的处理，采用全局多项式拟合方法去除该误差；对于大气延迟误差的处理，根据大气误差在空间维属于低频的这一特征，同时假定区域内地面沉降的空间维尺度不超过一定的范围，且假定大气误差的尺度大于地面沉降空间范围的尺度。根据这些假定，采用局部滤波的方法去除大气延迟误差，从而得到形变信号占主导的解缠相位图。

3.3 数据处理方案

由于珠三角区域影像覆盖范围大，直接用PS-InSAR的方法处理整个区域数据将极为耗时，另外一般而言地面沉降出现的区域也会因地域不同而有所差异。故采用两级分辨率处理策略：首先运用SBAS-InSAR技术对该区域进行形变概略分析（空间分辨率在90 m左右，ASAR影像4×20多视），获得大尺度全覆盖的平均形变速率图。通过该平均形变速率图可以提取和识别重点形变区域的位置和形变速率，为下阶段的PS-InSAR精细处理提供依据。另外，SBAS-InSAR技术的优点是可以极大限度地克服时间和空间去相干的影响，同时由于空间分辨率的降低也减轻了数据处理的运算量和复杂度。其次,根据SBAS-InSAR形变概查分析的结果，选取重点沉降区域，运用PS-InSAR技术进行局部高空间分辨率分析，获取高空间分辨率（约20 m）的地表形变序列。对于城市区域，运用传统PS-InSAR技术获取地表时间序列形变是容易实现的；对于非城市区域利用Delft大学Hooper教授公开的StaMPS软件进行处理，该软件算法最初是运用于火山区域的形变监测，近年该软件算法又结合了部分SBAS-InSAR技术的优点，使该软件算法不仅适用于城市区域，而且对于非城市区域也有较好的适应性。通过该种数据处理流程和策略，应该完全可以满足本监测项目的技术指标要求。

4 结果分析

本项目中运用InSAR技术监测珠江三角洲地区2007～2014年将近7 a的年平均沉降量，获得了监测区域的地表形变速率图、局部形变区域的形变序列，同时运用水准测量、GPS观测监测重点沉降区域（中山、珠海、南沙等地区）的沉降变化，本文选取2012-12～2013-06约半年的2种方法监测的地面沉降量作对比分析。虽然3种地面沉降监测方法在监测时间上存在不一致性，但能在一定程度上反映监测区域的整体沉降趋势。

图4展示了重点监测区域内19个监测点GPS与水准监测结果。从沉降曲线图可知，在大部分监测点上GPS和水准监测结果相差在15 mm内。由于GPS测量受环境等因素影响，个别点沉降量相差较大，总体而言，GPS监测结果与水准监测结果基本相符。

图4 GPS监测和水准监测沉降量曲线图

对照重点监测区域内水准测量与InSAR监测沉降等值线图，由于InSAR适合城市环境的地面沉降监测，在非城市区域内农作物或其他植被覆盖较多，影像相干性较差或者失相干，导致在这些区域内无监测结果。

对比图5左右两幅图可见，南部多个沉降中心及其发育趋势大致相同，年沉降量超过30 mm/a，其中个别地方累计沉降量超过1 m。总体而言，二者所测得的地表形变趋势基本一致。

由于两种方法监测时间的不一致性，水准观测周期相对较短、密度不够大、仅2次观测结果，同时监测区域内存在的工程活动等原因影响，两种方法在某些区域内沉降趋势不相符。如果能在监测区域内建立更密的水准监测网络和进行更长时间的水准监测，并采用同时期的SAR数据来分析InSAR监测地表形变量，将更能在时间上和空间上体现两种方法对比的科学性和准确性。

图5 重点监测区水准测量与InSAR监测等值线图比较

通过实地调查验证，其InSAR监测结果与水准测量、GPS测量结果和现状基本相符。红旗镇三板村及小林镇东村同样由于大量抽取地下水进行养殖业，累计沉降超过1 m，房屋的窗台基本与地面齐平。位于临海的平沙镇由于软土自重固结沉降，加上抽取地下水和工程建设活动造成软土荷载的改变，均加剧了地面沉降，房屋与地面由于差异沉降造成腾空现象，如图6所示。

图6 InSAR监测结果与实地现状调查比较

从水准测量、GPS测量和InSAR监测结果综合分析，可以得出珠三角区域沉降的规律和特性：①由于软土自重固结而产生的自然地面沉降，一般年沉降量为10～30 mm；②在软土地区抽取地下水加剧了地面沉降，年沉降量可达40～80 mm；③在软土地区填土、进行工程建设活动，软土荷载的改变加剧了地面沉降，年沉降量可达60～210 mm。

5 结 语

珠三角地区采用InSAR技术监测地面沉降，成功地获取了珠三角地区的平均沉降速率和形变序列。运用InSAR技术监测城市区域的地表形变效果比较明显，可以捕捉到小范围的地表沉降，对于重点城市群、重大项目和高铁、铁路、公路等生命线的地面沉降监测有很强的示范作用，其监测成本低、效率高、精度可以满足要求。但对于非城市区域，由于时间去相干和大气等因素的影响，目前效果还不是很理想，技术和算法需要进一步改进。应着重研究解决时间去相干和大气效应对结果的影响，可以利用精密水准测量和高精度GPS观测结合InSAR技术构成综合地面沉降监测方法，能够有效提高InSAR监测的精度。建立利用精密水准测量和高精度GPS观测结合InSAR技术的跨时空综合监测体系，可以更快捷、更准确、更经济、更实时地获取珠江三角洲地区地面沉降变化及发展趋势，是今后的发展方向。

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（摘自国家测绘地理信息局地图技术审查中心网站，网址：http://dtsc.sbsm.gov.cn/）

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0123-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.044

张杏清，硕士，高级工程师，主要从事测绘生产技术管理和新技术应用研究。

2015-05-27。

项目来源：广东省财政产业技术研究与开发资金资助项目（2011-9）。