基于短基线集技术的城市地表沉降监测研究

2016-08-10邱志伟岳建平汪学琴

测绘通报 2016年7期

关键词：基线监测点监测

邱志伟，岳建平，汪学琴，岳　顺，刘　斌

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京211000；2.河南城建学院测绘学院，河南平顶山467036）

基于短基线集技术的城市地表沉降监测研究

邱志伟1，2，岳建平1，汪学琴1，岳顺1，刘斌1

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京211000；2.河南城建学院测绘学院，河南平顶山467036）

通过对合成孔径雷达干涉测量的去相干分析，提出了基于短基线集（SBAS）技术进行地表形变监测的方法。该方法能够克服DInSAR易受时间、基线去相干等因素的影响，通过对短时-空基线组合的影像对进行干涉处理以提取高相干点，利用大气延时相位与相位噪声在频域不同特性以达到二者分离的目的，最终获取监测区域长时间缓慢地表形变的演变规律。本文利用2007—2011年16景南京地区ALOS数据进行了短基线差分干涉试验，并通过实测水准数据进行了对比，结果表明该技术能够较准确地反演出地表的形变场及累积形变量。

短基线集（SBAS）；形变监测；差分干涉；形变场

地表形变监测是进行地表形变分析研究并采取相应防治对策的重要基础。随着科学技术的不断提高，地表形变监测从以往的以光学水准测量为主，逐步向采用GPS技术，并进而以合成孔径雷达干涉测量（InSAR）为主要方式，从而使其在监测范围、监测实效等方面都有了显著的提高。

InSAR技术成功地融合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，该技术能利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化。但常规差分干涉测量方法（DInSAR）受时间、空间去相干和大气延时相位的影响，严重限制了DInSAR方法在地表形变监测，尤其是长时间缓慢地表形变监测中的应用［1-2］。短基线集（SBAS）技术充分利用短时空基线影像的相干信息，能有效地抑制相位噪声对地形相位的影响，从而获取长时间缓慢地表形变的演变规律。本文以南京市为例对该技术在城市沉降监测方面进行深入探讨和研究。

一、基于短基线集技术的沉降监测方法

短基线集（SBAS）技术继承了常规DInSAR方法的优点，利用较短时空基线的影像对产生干涉图提高相干性，下面对基于SBAS的地表沉降监测方法进行简要的论述［3-4］。

假设（t0，t1，…，tN）时刻获取了覆盖同一区域N+1幅SAR影像图，并且假设所有SAR影像已配准到同一坐标系下，从而可以得到M对时空基线均小于某一阈值的多视差分干涉对，且M满足以下条件

假设从tA、tB两个时间获得的SAR图像产生第j幅干涉图，并假设tB〉tA，去除地形相位后，可建立未考虑大气相位、地形误差及失相关噪声等的简化模型，则干涉图在像元x处的干涉相位可表示为

式中，λ为雷达波长；d（tB，x）、d（tA，x）分别为tA和tB时刻像元相对于初始时刻t0的LOS方向地表形变，即有d（t0，x）=0；假设相位δφ（x）为解缠后的相位，所有干涉图经过配准，并选取相同的解缠起始点（稳定点或形变已知点）。该方法对干涉图进行逐像元的时间序列分析，因此，以下讨论均以某一像元为例来建立方程。

假设主影像时序集IE=｛IE1，IE2，…，IEM｝和从影像集IS=｛IS1，IS2，…，ISM｝，且满足

则所有差分干涉图相位可以组成如下观测方程

对所有干涉图，可将式（4）的线性模型表示为矩阵形式δφ=Aφ，其中A为M×N维矩阵。当M≥N时，则该矩阵秩为N，可对式（4）进行最小二乘法即可求解出φ的估计值 ^φ

通常为了减少基线去相干影响，会将干涉对进行分组，这样矩阵A的M常小于N时，相应法方程系数阵秩亏，可采用奇异值分解法求解［5-7］。

采用较短基线（通常小于200 m）干涉纹图集可以降低几何去相干对它们的影响。此外，由于较大的高程模糊度也使得它们对DEM误差的敏感性降低。通过累积差分干涉纹图测量地壳形变，是该方法与永久散射体相干技术的共同点，但在去除大气效应时采用组合多景干涉纹图平均去除仍然带有一定的不确定性，因此增加了该方法的复杂度。该方法的优点是可测量非线性形变，SBAS方法的数据处理流程如图1所示。

图1　短基线集技术流程

二、应用分析

图2为试验区对应的SAR幅度影像，以南京市区为中心，北至八卦洲，南至将军山，西至老山森林公园，东至仙林以西，试验范围几乎覆盖整个南京市辖各区，如图3所示。选择日本ALOS卫星的PALSAR 16景升轨数据，时间跨度从2007—2011年。监测区域植被覆盖大，地形复杂，包括山区、长江漫滩平原及水体等，数据采集密度小，时间跨度大，易受大气效应影响。试验数据的详细情况见表1。

图2　试验研究区域的SAR幅度

图3　试验研究区域的Google Earth影像

表1　ALOS SAR影像数据参数

经过对各SAR影像进行空间及时间基线的分析与比较，采用以2009年8月23日获取的影像为主影像进行配准及干涉，从其余各数据以此景影像为参照得到的垂直基线数据可以看出，最短的垂直基线为328.96 m，最长则达到2 982.11 m。由于基线较长且时间跨度近5年，因此依据短基线集技术原理，在进行差分干涉配对时进行了空间与时间基线的约束，最终得到了94组干涉对，详细的组合情况如图4所示。为了充分考虑时序上相位变化信息，采用了三维解缠方法即加入时序维进行空间时间三维解缠，SAR影像的Delaunay三维连接图如图5所示。

图4　SAR影像时间空间分布图

图5　SAR影像Delaunay三维连接图

考虑到空间及时间基线较大的数据特点，通过对数据集中最大空间基线的干涉对对应的相干图（如图6所示）与最大时间基线的干涉对对应的相干图（如图7所示）进行相干分析，可以看出相干像元分布基本覆盖南京市区，在两种极限情况下城区依旧表现出较高的相干性，但是水体与有植被的山区相干性较差，均无法达到高相干点的提取要求。在数据处理过程中，为抑制相位噪声与大气相位带来的影响，选择相干阈值为0.35，小于该值的相干点认为失相干严重，不予采用。这里采用的参考DEM为SRTM3，其精度优于16 m，满足去除地形相位的要求；解缠参考点依据以下原则进行选取:①高相干且无形变点或已知形变点；②远离形变区，由于SAR数据覆盖江北区域，为避免由于跨江造成的解缠误差，此处分别选取两处参考点:紫金山附近地质稳定点、老山附近地质稳定点。由配准后的干涉处理、去平地效应及解缠后查验结果可以发现，存在严重的地形误差及因时间失相干引起相位误差，这些结果会影响线形形变信息的正确提取，因此需要从结果中予以去除。经过筛查后，得到结果较为准确的78组干涉对来进行后续的大气分离和形变反演。图8为获取的南京市及其周边的形变速度场。

图6　最长空间基线干涉对相干图

图7　最长时间基线干涉对相干图

图8　研究区域视线向形变速度场（mm/a）

从形变速度场图中可以看出，存在4个较为明显的沉降区域:C区为秦淮河以西的地区（简称河西），D区为月牙湖附近，E为南京长江二桥及南岸一带，F为江北南京高新技术产业开发区附近。为验证利用SBAS技术进行研究区域地表沉降监测的精度，本文重点结合河西区2007—2009年的地面监测点的时序沉降数据进行对比分析（如图9所示），这里选择集庆门西监测点、滨江风光带监测点以及鼓楼区汇贤居监测点进行累积沉降对比。从序列图可以看出，3个监测点的地面监测结果与SAR累积沉降序列基本一致。由于监测的时间与SAR数据获取的观测时间并不对应，需要将地面水准数据进行插值处理，难免会出现插值误差，且由于解缠参考点的选取及残留大气相位噪声等误差的存在，使SAR数据得到的累积沉降量无法与地面监测数据完全吻合，但经时序对比可以看出，短基线集技术能够准确地获得试验区的沉降趋势。

图9　地面监测结果与SAR累积沉降序列对比

进行监测点对比验证后，通过对所有地面监测数据进行空间插值得到河西地区地表沉降趋势分布图，与SAR获取的地表沉降速度场进行对比验证，结果如图10所示。从图中可以看出，河西地区的沉降存在自北向南较明显的条带分布特点，从龙江经莫愁湖到集庆门都有较为显著的沉降趋势，因此，地面监测结果与SAR获取的沉降趋势基本一致，但由于SAR获取的信息丰富，能够得到更多的沉降细节，相对而言，地面监测点由于点位分布稀少，通过插值获取的分布图会有较多的孤岛区域，与实际情况不符。

图10　地面监测沉降趋势与SAR地表形变场对比

结合本地区的地质结构，可以得到地面沉降有以下几个主要原因:

1）C、E地区主要是长江漫滩，软土层较厚，固结沉降仍然在进行中，具有较小的地基承载力。C地区主要是由于城市不断发展，地上建筑迅速增加，地面荷载对其影响明显，且伴随着地下空间的利用，致使该地区产生较大的沉降变形；E地区是南京市新生圩港，常有万吨级货轮在此进行装卸活动，并且临近长江，易受江水水位变化影响。

2）D、F地区主要是由于城市建设较快，建筑荷载和工程施工中的抽取地下水可能引起地基不均匀的变形。需特别注意的是F区临近山区，地质结构理应稳定，但依然出现沉降，可能与当地山体开挖活动有关。

3）从沉降速率图中可以发现，尽管南京一桥与二桥两座桥体上的高相干点较少，但不难发现均出现较明显的沉降，有关单位应引起重视加强监测，以免出现安全隐患。