PSInSAR技术在广州市南沙区地面沉降监测中的应用研究

2019-07-05吴龙飞陈凌伟彭卫平

城市勘测 2019年3期

吴龙飞，陈凌伟，彭卫平

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

1 引言

城市地面沉降如今已成为常见的一种环境地质灾害，对城市经济发展和人民财产安全造成了巨大影响。目前，我国常用的地面沉降监测手段仍以水准测量为主，其精度虽高，但也存在外业工作量大、覆盖范围小、时效性差等缺点。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是正在发展的微波遥感技术，其中，被监测表面的三维信息和高程变化就可以通过SAR的相位信息来获得，进而可以根据所获取到的地表高程信息进行地面沉降监测，而且监测精度能够达到厘米级，这在很大程度上节省了人力、物力乃至财力[1]。尽管如此，InSAR技术还受到时间失相干和空间失相干等各类误差的影响，为了削弱此类误差的影响，意大利米兰工业大学的Ferretti等人提出了永久散射体雷达干涉测量技术(PSInSAR)，其用于分析的PS点通常是房屋、桥梁、岩石等具有稳定散射特性的硬目标，因为这些物体具备稳定散射的特性，不容易受时间、空间基线失相关等误差的影响，故而雷达的后向散射特性随时间而发生变化的概率较小，因此，可以将大气延迟相位与形变相位分离出来，将其在城市地面沉降监测中的精度提高到毫米级[2，3]。

本文以广州市南沙区为例，详细介绍了PSInSAR监测地面沉降的原理与数据处理流程，获取了南沙区2015年～2018年平均沉降速率，证明PSInSAR技术在城市地面沉降监测中具有广泛的应用前景，也可为今后类似的城市地面沉降监测提供经验。

2 PSInSAR原理与处理流程

2.1 PSInSAR监测地面沉降的原理

PSInSAR技术的基本原理是，首先对所有覆盖在相同区域的多景时序InSAR影像，基于时空基线选取其中一幅作为主影像，剩下的作为辅影像并与其进行配准处理，依据影像在时间序列上的幅度和相位信息的稳定性，我们可以从中获取出许多相关性高、稳定的点，这些点称之为永久散射体(persistent scatterer，PS)[3]；随后，通过剔除地形相位和干涉处理等方法，对带有永久散射体目标信息的差分干涉相位进行获取，再对相邻目标的差分干涉相位进行二次差分；最终，建立基于两次差分后的干涉相位组成信息的形变相位模型，并通过形变相位的求解以及大气延迟相位的分离，以此得到目标区域的形变信息和地形残余信息[4～7]。

2.2 PSInSAR数据处理流程

假设研究区共有N+1幅InSAR影像，选取其中一幅作为主影像，并将剩余的影像作为辅影像，将其配准到主影像所在的空间，同时从对每一辅影像与主影像的干涉处理中获得N个干涉对，并借助已知数字高程模型DEM进行差分干涉处理以剔除地形相位，由此得到N幅差分干涉图，进而来获得各像素的时间序列差分干涉相位[4，8～11]。通过一定的算法选取出PS点，如单一阈值法的相关系数阈值法、相位离差阈值法、振幅离差指数阈值法，双阈值法的相干系数和振幅离差双阈值法、振幅信息双阈值法；可以得到PS点的差分干涉相位集，从而构建一个合理的函数模型来求解PS点的高程误差和地表形变。PSInSAR的数据处理流程如图2所示，其主要处理步骤如下[12，13]：

(1)选择N+1幅InSAR影像，选取其中一幅作为主影像，然后将剩余的作为辅影像配准到主影像空间，通过对每一辅影像与主影像分别进行干涉处理，以得到N幅干涉图；

(2)采用已有的DEM数据，对N幅干涉图进行差分干涉处理后剔除地形相位，获得N幅差分干涉图；

(3)对N+1幅InSAR影像进行辐射定标处理并配准定标后的InSAR影像；

(4)从经过定标和配准处理后的N+1幅InSAR影像中探测出一定数量的永久散射体(PS点)；

(5)根据N幅差分干涉图和PS点，获得PS差分干涉相位集；

(6)用干涉图对PS点建立差分干涉相位函数模型，并通过对模型的求解得到PS点的线性形变速率、DEM误差以及大气相位；

(7)通过原始差分干涉相位可以剔除线性形变分量和DEM误差分量，然后对残余相位进行时空滤波，从中可以分离出大气相位和非线性形变量，继而通过克里金插值等方法获取整个研究区最终的形变值。

图1 PSInSAR数据处理流程图

3 南沙区InSAR监测数据及结果

3.1 南沙区概况

广州南沙区位于广州市最南端，地处珠江三角洲的地理几何中心，具有重要的战略地位。全境基本都有软土分布，成因类型主要是三角洲相沉积，地表主要为第四纪沉积物，软土层呈大面积厚层状，局部直接裸露在地表，大部分都位于地表硬壳之下，分布厚度由西北方向向东南方向逐渐加深，北部的榄核镇、东涌镇、大岗镇软土厚度约 3 m～15 m，中部的黄阁镇、横沥镇、珠江街道软土厚度约 15 m～25 m，南部的龙穴岛、万顷沙软土厚度大都在 20 m～45 m之间，部分填海造陆区域软土厚度达 50 m。由于境内软土发育以及近年来大规模的工程建设，南沙区一直是地面沉降灾害发生严重的地区。

3.2 南沙区InSAR监测数据

本文选取广州市南沙区作为研究区域，其不仅有居民区建筑物等相干性较好的地区，还有低相干区域，如大面积的农田、水域以及其他植被覆盖，故其实验数据具有代表性。采用欧空局(ESA)提供的哨兵-1(Sentinel-1)卫星2015年～2018年对南沙区的InSAR观测数据作为沉降监测数据，根据振幅离差指数阈值法总共提取了南沙区92 749个PS点，点的密度为 118.32个/km2，将其与电子地图相叠加(如图2所示)，从图中可以看出PS点主要集中在北部的建筑群区，而在河道、植被以及农田等不稳定的区域只有少数PS点分布。

图2 Sentinel-1卫星监测PS点分布图

采用Delaunay方法对之前选取的PS点进行构网(如图3所示)，然后分析与PS点相连的网中相邻点连接而成的基线，构建起相邻点之间的相位差与形变速率增量、高程误差增量相关的数学模型，通过对模型的求解可以得到所有PS点的形变速率，然后在ArcGIS软件中对所有PS点的形变速率进行统计分析，可获得其沉降速率分布情况及年平均沉降速率，如图4、图5所示。

图3 PS点构成的不规则三角网图

图4 PS点沉降速率频数分布图

图5 2015年6月～2018年6月南沙区年平均沉降量

3.3 数据分析及比较

由PSInSAR技术处理后得到的沉降速率频数分布图(图4)及南沙区2015年～2018年平均沉降速率图(图5)可以看到，南沙区大部分区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龙穴岛、万顷沙镇等区域的年平均沉降速率在 15 mm/y～35 mm/y，局部地区如龙穴岛中部、万顷沙镇中部地区年平均沉降速率超过了 35 mm/y。对比《广州市地面沉降与岩溶地面塌陷调查与规划应对策略(南沙区、白云区、从化区)》报告中南沙区所布设的23个沉降监测点累计7年(2011年～2018年)的沉降观测数据可知[14]，PSInSAR的监测数据与现有沉降监测点的观测数据高度一致，证明PSInSAR技术在城市地面沉降监测中的应用是可行的。

结合南沙区的实际情况分析可知，随着城市发展建设的加快，南沙区北部、中部和西部的部分三角洲平原变成了工业基地，并不断向南发展，而这些地区土质自身比较松软，在自重固结沉降未完成的软土区进行填土加载、开发建设甚至填海造陆，人为地加速软土的排水固结—压缩沉降的过程，从而加快了这些区域的地面沉降速率，在今后的建设中应加强监测与灾害预防工作。