基于InSAR技术的地面沉降监测研究

2020-02-27方磊

资源导刊(信息化测绘) 2020年1期

方磊

( 广东省地质测绘院，广东广州 510800)

1 引言

地铁建设、人防工程、地下水开采等因素引发的地面沉降[1]，已成为城市地区普遍发育的环境地质灾害，尤其非均匀沉降对城镇线状工程设施稳定性构成威胁，且已造成严重损失[2]。目前水准测量、GNSS 测量等现有地表形变监测方法测量精度较高，应用领域广泛，但存在采样点稀疏、观测周期长、测量成本高、测量点不稳定等问题，给地面沉降等地质灾害的监测和分析带来较大困难[3]。近年来，星载合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术，凭借高精度、实时动态、大范围的特点，在地震、滑坡、地质灾害监测等领域展现出巨大的应用潜力，为开展城市地面沉降、地裂缝等典型地质灾害监测与研究提供了新的方法[4]。

近年来，国内部分学者采用该技术在京津沉降区开展了研究。侯安业等[5]利用北京地区31 景ASAR影像分别进行小基线与PS-InSAR 处理，验证了PSInSAR 技术可靠性。基于北京平原区PS-InSAR 技术反演形变时空演化特征，陈蓓蓓等[6]综合分析了地面沉降风险范围与风险程度。罗三明等[7]就回灌等措施的沉降防治效果进行了评价。针对天津地区、廊坊市区地面沉降问题，雷坤超等[8]分别利用16 景、21 景降轨ASAR SLC 数据，采用改进后的PS-InSAR 方法实施监测并就其时空分布特征与成因进行了分析。随着城镇化进度加快，各类沉降致因均较发育，但形变监测与分析研究程度较低，不能满足区域高空间分辨率沉降灾害风险评估与区域地球形变物理场监测研究需求。本文针对某城市地面沉降，利用2012 年8 月31日～2013 年9 月9 日的17 景TerraSAR-X 数据进行分析处理，提出基于点密度的数据抽稀方法对原始PS 点集抽稀，选取PS 点，获取沉降时间序列与沉降速率信息开展研究区沉降监测，并开展地面沉降星地同步观测实验，利用水准观测结果对InSAR 监测精度进行分析与评价。

2 InSAR 地面沉降监测技术原理

合成孔径雷达干涉测量技术包括合成孔径差分干涉测量、永久散射体干涉测量、短基线干涉测量等方法。

地面目标的SAR 回波信号包括幅度信息A、相位信息φ，SAR 影像上每个像元的后向散射信息可以表示为复数Αeiφ。相位信息包含SAR 系统与目标的距离信息和地面目标的散射特性，即：

通常重复轨道InSAR 观测的几何关系如图1 所示，其中S1、S2分别表示获取主、辅影像传感器所在位置，B为基线距，α为基线与水平方向夹角，θ为主影像视角，H为获取主影像的传感器相对地面高度，R1和R2分别为主、辅影像斜距，P为地面目标点，其高程为h。

图1 InSAR成像几何关系图

3 InSAR 地面沉降监测案例

3.1 研究区概述

项目研究监测区为中部某城市，平均海拔高程85 ～200m，地势西南高、东北低。研究区主要活动为断裂，国家地震局物体中心放射性氡气测量成果、人工地震勘探及重力勘探资料显示，断裂构造有NW 向和EW 向两组断层。城市化进程的加快，让地面沉降、地裂缝等典型地质问题日益突出。因此，利用InSAR 技术分析研究该区域地面沉降、地裂缝空间分布状况，为灾害防控和治理提供科学依据。

3.2 数据获取

利用研究区2012 年8 月31 日～2013 年9 月9 日的17 景TerraSAR-X 数据，成像模式为SpotLight，极化方式为HH，分辨率为0.91m×1.97m。采用SRTM DEM 作为高程数据，消除干涉图中的地形相位影响。为验证InSAR 技术监测结果的可靠性，同步实施二等水准测量，并对两种监测结果进行对比分析。二等水准测量的作业时间与卫星过境时间基本一致，共进行3 次二等水准观测，第一次观测时间为2012 年11 月2日～9 日，第二次观测时间为2013 年6 月24 日～7月1 日，第三次观测时间为2013 年8 月18 日～23 日。

3.3 PS 点抽稀方法

采用振幅离差阈值方法和光谱离差方法确定PS 点8631425 个，PS 点密度5225 个/km²，具体分布如图2所示。点密度统计半径为30m，密度分布如图3 所示。

图2 PS点分布图

图3 PS密度分布图

PS 点主要分布在市区，人工建筑密集区密度大，最大密度值1674 个，郊区居民地分布较密。农田区零星分布PS 点，主要是农田灌溉设施。基于点密度的数据抽稀方法对原始PS 点集抽稀，点密度阈值设为50，低于50 的点保留，不做抽稀；高于50 的点，依照时间序列相干值进行抽稀，相干值阈值设为0.8，抽稀步长设为10 个像元。抽稀后的PS 点分布如图4所示，图中高点位密度区（建筑物区域）的PS 点数量明显降低，同时保留了低点位密度区（农田区域）的PS 点数量，避免产生较长的arc，PS 点统计信息如表1 所示。结合图表分析可知，抽稀后的PS 点集有较高的时间序列相干值均值、较小的相位标准差均值，表明PS 点对应的相位值有可靠的相位值。

图4 PS点分布图(抽稀后)

表1 PS点信息统计表

3.4 时间序列分析

采用多主影像方式组合干涉对，组合准则设为：时间基线阈值77 天，垂直基线阈值120 米。形成26 对短基线集组合干涉对，网络中没有孤立的干涉对，保证结果的连通性。对抽稀后的PS 点进行时间序列分析，得到的残差相位包含大气延迟、非线性形变和噪声相位。以2013 年7 月16 日和2013 年7 月27 日的干涉对对应的残差相位图为例，多视视数采用10×10，滤波窗口设为15×15，插值方法采用反距离加权方法，执行时间为7.5s，直接采用窗口大小为150×150 的滤波器，需要执行56.6s。可知由多视平均、空间滤波和空间插值技术组成的大气延迟相位滤波方法效率明显高于传统滤波方法。图5 为分离的大气延迟相位，图6 为去除大气延迟相位的残差图，最终的残差相位中只剩下高频信号部分，表明大气延迟相位滤波法的可靠性。

图7 为2012 ～2013 年研究区地面沉降速率图，沉降区主要分布在市区北部、西北部及东部。其中北部最为严重，已构成连片沉降区，且形变漏斗具有向外缘扩展趋势。中心城区和南部比较稳定，可监测到的最大形变速率为-111.2mm/a，形变速率大于20mm/a的面积为304 平方公里，占全市面积的12.79%。

图5 大气延迟相位图

图6 残差相位图

图7 某城市地表形变速率图（底图为SPOT5影像）

4 InSAR 地面沉降监测精度分析与评价

本文以水准与InSAR 同步观测的方式，以某城市为研究区开展地面沉降星地同步观测实验，在合成孔径雷达卫星过境获取图像的同时开展水准测量，对InSAR 地面沉降监测精度进行分析与评价。

4.1 InSAR、水准地面沉降监测数据源

利用改进干涉点目标分析技术获取的研究区2012 ～2013 年地面沉降序列图，作为InSAR 地面沉降监测精度分析与评价的数据源。地面沉降采用二等水准测量，观测时间与卫星过境时间一致。（如表2 所示）

表2 水准与SAR图像同步获取时间表

4.2 InSAR、水准监测数据时空基准统一

研究采用水准与InSAR 同步观测方式，实现InSAR与水准观测数据时间基准上的统一。因水准观测间隔不足一年，不能直接计算年沉降速率，水准的年沉降量根据3 次水准观测值采用一次回归分析拟合而出。将InSAR、水准监测结果统一投影到WGS-84 坐标系，实现空间基准的统一。水准监测点的WGS-84 坐标采用某省地质信息连续采集系统获取，而InSAR 监测结果利用转换参数转换成地图结构即WGS-84 坐标系。

4.3 参考基准统一与精度分析

（1）参考基准的统一

采用线性回归模型对水准与对应InSAR 监测结果进行回归分析，回归方程为：

公式（2）中：x和y为InSAR 和水准测量值；a为回归系数，b为常数。通过回归分析得到三个时间段及年均的回归方程（如表3 所示）对应y轴的截距b即为InSAR 与水准之间的整体偏差。以水准为基础调整对应的InSAR 值，对InSAR 值进行补偿，补偿值如表4 所示，实现InSAR 与水准参考基准的统一。

表3 最邻近距离、克里金插值回归分析结果

表4 最邻近距离、克里金插值参考基准统一

（2）精度分析与评价

误差评价采用如下公式：

公式（3）和（4）中，dLi、dli为水准、InSAR 观测值。由此可得三个时间段及年均监测精度。利用公式计算得到2012.11 ～2013.6、2012.11 ～2013.8、2013.6 ～2013.8 及2012 ～2013 年（年均）参考基准统一前后的InSAR 误差。（如表5 和表6 所示）可以看出，克里金插值结果普遍优于最邻近距离法，除参考基准统一前2012.11 ～2013.6、2012.11 ～2013.8 两个时间段最邻近距离法的中误差超过±10mm，其余精度均在毫米级；参考基准统一后的结果普遍优于之前结果。基于克里金法的基准统一后，除年均验证率稍低，其他平均误差、中误差、验证率指标均优于最邻近距离的结果，说明基于克里金插值更适合InSAR 精度分析与评价。