基于高分辨率SAR影像的上海臨港新城沉降格局分析

楊夢詩，蔣亞楠，廖明生，王寒梅

（1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

上海正著力建設(shè)成為國際經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易和航運(yùn)中心之一，經(jīng)濟(jì)快速增長，也給土地供應(yīng)帶來巨大壓力[1]。臨港新城即通過圍墾促淤、人工吹填工程在東海之濱興建而成[2,3]，其距上海市中心城區(qū)75km，分為主城區(qū)和產(chǎn)業(yè)區(qū)，主城區(qū)是以5.6km2的滴水湖為中心的城市綜合生活服務(wù)區(qū)，產(chǎn)業(yè)區(qū)是以產(chǎn)業(yè)開發(fā)為主的功能區(qū)塊。上海臨港新城特殊的地理位置和地質(zhì)條件，也易受臺風(fēng)、暴雨、天文大潮、洪汛的侵襲，對其地表進(jìn)行長期、持續(xù)的監(jiān)測十分重要[4～7]。

在過去幾十年里，差分合成孔徑雷達(dá)干涉測量（D-ΙnSAR）由于其卓越優(yōu)勢被認(rèn)為是當(dāng)前最具前景的形變監(jiān)測技術(shù)[8]。傳統(tǒng)的D-ΙnSAR方法由于時間和幾何去相干以及大氣干擾等因素大大限制了其應(yīng)用。近年來，針對常規(guī)D-ΙnSAR技術(shù)問題，許多學(xué)者進(jìn)行了基于高相干點的形變序列反演技術(shù)研究[9,10]。該方法在長時間序列上識別相位和幅度變化穩(wěn)定的點，利用這些穩(wěn)定點，實現(xiàn)大氣擾動、DEM誤差等等影響因子的估計，以精確獲得形變信息量。

本文充分考慮高分辨率SAR影像的特征以及影像數(shù)量，結(jié)合高相干點時間序列反演方法，從少量影像數(shù)據(jù)提取穩(wěn)健高相干點，進(jìn)而完成地表沉降反演。基于該方法反演上海臨港新城2009～2010年的時間形變場，并利用研究區(qū)的水準(zhǔn)實測數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗證分析。

1 研究方法與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究方法

考慮到SAR影像分辨率已經(jīng)得到顯著提升，在成像時，單個像元仍對應(yīng)著地面多個散射體的相干綜合，在每個分辨單元內(nèi)總會存在穩(wěn)定散射體，它相對于其他散射體來說更加穩(wěn)定、顯著，這就是時間序列方法研究的高相干點。針對高分辨率數(shù)據(jù)特征，在少量序列數(shù)據(jù)條件下，選取高相干點，穩(wěn)健地完成形變量的估計。其數(shù)據(jù)處理流程如下[9]：

（1）干涉組合

從Ν+1景影像中生成Ν幅差分干涉圖，主影像選擇的依據(jù)是最大化差分干涉圖的總體相干系數(shù)，考慮時間基線、空間基線以及多普勒頻率差來完成?？捎煤唵蔚墓絹肀磉_(dá)總體相干系數(shù)ρtotal：

（2）相干點選取

首先利用振幅離差進(jìn)行初選點，在信噪比較好的條件下，振幅離差可以很好地代表相位標(biāo)準(zhǔn)偏差。計算如下：

其中，σA和μA是時間序列幅度值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值。

進(jìn)一步，以其中一幅干涉影像i中的像元χ為例，經(jīng)過去平處理的差分干涉相位包含有五項：

這里，W{·}指一種纏繞運(yùn)算，φdef.x.i是由于地表移動而引起的視線方向上相位，φatm.x.i是兩次成像內(nèi)大氣擾動引起的相位，φord.x.i是軌道不精確帶來的相位殘差，φθ.x.i是由于視角誤差引起的相位差，φn.x.i是由于散射體變化、熱噪聲、配準(zhǔn)誤差等等因素引起的噪聲相位。

形變項、大氣項、軌道項均是空間相關(guān)；由于DEM誤差也是空間相關(guān)，因此視角誤差項也是部分空間相關(guān)[9,10]。根據(jù)這四項的空間相關(guān)性，采用帶通濾波去估計空間相關(guān)性相位成份，得到Ψint.x.i。以δ來代表這四項中經(jīng)過空間相關(guān)估計之后的殘余項，Δφnc代表時間相位誤差中的非空間相關(guān)部分，代表相位噪聲的非空間相關(guān)部分，因此有：

再通過最小二乘估計Δφnc，因此可以定義相位

噪聲水平的測量作為選點的指標(biāo)[9]。

（3）形變估計

一旦高相干點確定之后，將完成三維時空解纏，根據(jù)前面的選點分析，已估計了每個像素上的視角非相關(guān)成份，因此有：

再根據(jù)形變相位時空相關(guān)，而大氣、軌道以及視角相位的時間不相關(guān)特性，在時間維上高通濾波，再從空間維上高通濾波。故而得到 。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文采用覆蓋上海臨港新城的11景高分辨SAR數(shù)據(jù)，時間跨度從2009年12月25日到2010年12月23日，獲取傳感器為TerraSAR-X，數(shù)據(jù)范圍與研究區(qū)域見圖1。影像的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型是SSC，成像模式為StripMap，分辨率約為3m。差分干涉處理中需要DEM數(shù)據(jù)來模擬地形相位以及作為地理編碼的參考，采用研究區(qū)域約90m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)。最后利用上海市地質(zhì)調(diào)查研究院提供的對應(yīng)時段14個水準(zhǔn)點實測數(shù)據(jù)，對結(jié)果進(jìn)行了驗證分析。

圖1 TerraSAR-X數(shù)據(jù)范圍及研究區(qū)域Fig.1 The area coverage of TerraSAR-X and research area

根據(jù)數(shù)據(jù)基線分布情況，以最大化總體相干系數(shù)為干涉組合原則，選擇2010年7月11日的數(shù)據(jù)作為主影像，其余影像均配準(zhǔn)到該主影像，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 影像及干涉對信息Table 1 The basic description of interferogram

從表中可以看出，序列干涉對的總體相干性較好，平均在0.74左右，最大可達(dá)0.9。

2 結(jié)果分析與驗證

上節(jié)中給出了數(shù)據(jù)信息，按照已介紹的處理方法，進(jìn)行時間序列反演。干涉處理完成后，以0.4作為初選點的振幅離差閾值，0.68作為復(fù)選點的相位噪聲閾值，從序列中選取113101個高相干點進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上得到了臨港新城2009年12月～2010年12月的平均沉降速率（圖2）。

2.1 沉降場空間分析

臨港新城是通過人工吹填建造，吹填土土質(zhì)松軟、含水率高且孔隙比大、強(qiáng)度低、土質(zhì)極不均勻，在一定時間段內(nèi)，地層固結(jié)壓縮會帶來沉降[11,12]，這個過程不可避免且沉降量大。另外，堆石體本身也有固結(jié)壓實的過程，而工程建設(shè)的施工作業(yè)與外部荷載等因素也會導(dǎo)致土層壓縮沉降。

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

圖2顯示出研究區(qū)的年平均沉降速率為-30～5mm/a，近海地區(qū)的沉降比內(nèi)陸地區(qū)更為顯著，最嚴(yán)重區(qū)域主要分布在海堤附近。區(qū)內(nèi)的大型線狀地物，如海堤和主干道路，存在非均勻性沉降態(tài)勢。

臨港新城的沉降分布情況還與其建設(shè)歷史及施工順序有密切關(guān)系。施工是分段進(jìn)行[13]，岸邊先填筑，再不斷加固擴(kuò)展，先填筑的壓實固結(jié)漸趨穩(wěn)定，而后填筑的沉降仍在持續(xù)。具體可分為九四塘以西的老填土和九四塘以東的新填土。老填土經(jīng)長期壓實作用，大多數(shù)沉降速率小，且部分出現(xiàn)微弱回彈。新沖填土固結(jié)時間短，沉降量比較大，新筑海堤附近的最大沉降速率約達(dá)35mm/a。

研究區(qū)地面沉降分布的空間格局，與之前采用Envisat ASAR影像所作的分析基本一致。圖3是2007年10月到2010年10月的24景Envisat ASAR影像獲取的平均沉降圖，反映出九四塘以西的老沖填土區(qū)出現(xiàn)回彈，九四塘以東的平均沉降速率約25mm/a[14]，與本次TerraSAR-X結(jié)果揭示的規(guī)律性相同。

不同傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)果雖較一致，也由此看出一些不同特點。ASAR數(shù)據(jù)集的時間跨度大，可以看出2007～2010年九四塘以西的顯著回彈，而TerraSAR-X數(shù)據(jù)集的時間跨度小，九四塘以西的老沖填土區(qū)已趨于穩(wěn)定，新沖填土區(qū)沉降速率則較大；傳感器工作波段不同，對形變的敏感程度也有差異，TerraSAR-X短波長對細(xì)微形變的反映更出色，其獲得的新沖填土區(qū)的沉降速率更大。TerraSAR-X的高分辨率優(yōu)勢在于，對地物細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，其高相干點與地面分辨單元對應(yīng)關(guān)系更加明確，可以提高選點的準(zhǔn)確性。TerraSAR-X數(shù)據(jù)處理時，設(shè)置了相位噪聲閾值，剔除噪聲大于閾值的相干點，避免了噪聲影響結(jié)果的穩(wěn)健性。

圖3 Envisat ASAR 2007～2010年臨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 反演精度驗證

利用上海市地質(zhì)調(diào)查研究院提供的2009～2010年的14個水準(zhǔn)點數(shù)據(jù)，進(jìn)行實驗結(jié)果驗證。由于水準(zhǔn)點有限，加之沒有與水準(zhǔn)點位置完全精確符合的高相干點作為驗證對比，因此驗證點的選取方法是在水準(zhǔn)點位置50m內(nèi)，考慮地貌條件差異選擇最鄰近點。采用該方法的原因在于，TerraSAR-X是高分辨率SAR數(shù)據(jù)，對地物的細(xì)部描述更加具體。一般采用的算術(shù)平均法是用水準(zhǔn)點附近100m的所有高相干點均值與水準(zhǔn)實測沉降速率對比，這樣的方法比較適用于ENVΙSAT ASAR中等分辨率的數(shù)據(jù)。對于海堤這樣復(fù)雜的情況，驗證點的選取很重要，海堤護(hù)坡外側(cè)石堆及草地和防浪墻及內(nèi)側(cè)與連接的交通干道，這幾個位置上形變值差異很大，故一定要選擇與水準(zhǔn)點位相符的作驗證。

表2顯示了相應(yīng)時間段內(nèi)ΙnSAR反演結(jié)果與水準(zhǔn)實測形變速率值的對比，以中誤差、平均誤差作為衡量精度的指標(biāo)。相干點目標(biāo)的沉降速率與水準(zhǔn)點數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到平均誤差為1.510mm，中誤差為2.016。

我國對城市地面沉降的精度要求是，偶然中誤差5mm/km、全中誤差10mm/km。偶然誤差最大的12號水準(zhǔn)點位于堤岸內(nèi)坡公路內(nèi)側(cè)，與之相比較的相干點目標(biāo)則分布在內(nèi)坡旁邊的公路上，但驗證點選擇時考慮了距離因子，因此D-ΙnSAR反演結(jié)果可滿足沉降監(jiān)測需求，并具有精度保證。

圖4 形變速率的水準(zhǔn)測量與D-ΙnSAR反演結(jié)果對比Fig.4 The results comparison of deformation velocity between leveling and D-ΙnSAR

圖4是水準(zhǔn)實測數(shù)據(jù)與反演結(jié)果對比圖，可以看出其結(jié)果基本符合，D-ΙnSAR反演結(jié)果略微偏大，7號水準(zhǔn)點符合最好，相差0.055mm，達(dá)到亞毫米級精度，12號水準(zhǔn)點偏差最大，但仍未超過5 mm。

本文所利用的水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)大都位于海堤上，而臨港新城尚缺乏面積水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些區(qū)域難以利用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段快速獲取區(qū)域沉降動態(tài)情況，而建立健全水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)需相當(dāng)長時間，重復(fù)觀測周期也較長，且水準(zhǔn)點自身沉降也會影響監(jiān)測精度。所以采用時序SAR影像監(jiān)測特殊區(qū)域形變有獨(dú)特優(yōu)勢。

3 結(jié)語

本文采用TerraSAR-X影像，對由圍海造地興建的上海臨港新城的沉降狀況作了分析，結(jié)果表明，九四塘以西的老沖填土區(qū)已趨于穩(wěn)定，九四塘以東的新沖填土區(qū)形變量較大；利用水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗證，誤差滿足城市形變監(jiān)測的工作精度。時間序列SAR數(shù)據(jù)反演沉降，結(jié)果是合理的。采用時間序列ΙnSAR技術(shù)，對濱江沿海圍墾促淤新成陸地區(qū)的沉降監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢。

致謝：感謝北京視寶公司、ASTRΙUM公司和德國宇航局（DLR）提供TerraSAR-X數(shù)據(jù)和上海市地質(zhì)調(diào)查研究院提供水準(zhǔn)點驗證數(shù)據(jù)。

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