短基線集技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

謝榮安，周元華，胡 爭(zhēng)

(廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東廣州510800)

一、引 言

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，珠海人口日益增多，城市化水平明顯提高，且隨著主城區(qū)向次中心城的擴(kuò)展，再到外圍新城區(qū)至中心鎮(zhèn)的擴(kuò)展，使珠海已由當(dāng)年的小漁鎮(zhèn)發(fā)展到現(xiàn)在的海濱城市。然而，過快的城市化進(jìn)程中伴隨著大量的經(jīng)濟(jì)與工程活動(dòng)，增加了生態(tài)環(huán)境壓力，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生了各類地質(zhì)環(huán)境問題，如地面沉降、滑坡、塌陷、地下管道破裂等災(zāi)害日趨嚴(yán)重，對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了一定的危害和阻礙。因此，對(duì)該地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析顯得尤為重要，能夠?yàn)榉e極應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的有效治理措施提供決策支持。

近年來，迅速發(fā)展的差分干涉測(cè)量(DInSAR)技術(shù)具有高空間分辨率、高精度及大范圍空間連續(xù)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的形變監(jiān)測(cè)方法對(duì)比，能夠?yàn)榈乇硇巫儽O(jiān)測(cè)提供更為詳細(xì)的信息。但空間和時(shí)間去相關(guān)及不同時(shí)相大氣擾動(dòng)等因素會(huì)影響DInSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度。為削弱這些因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，研究者先后提出了干涉圖疊加法(Stacking)、永久散射體干涉測(cè)量(PS)技術(shù)及短基線集(small baselines subset，SBAS)技術(shù)。其中，干涉圖疊加法大多基于假設(shè)不相關(guān)的干涉圖中包含的大氣擾動(dòng)相位為隨機(jī)量，且地表形變信號(hào)近似為線性變化;永久散射體技術(shù)則需要較多的SAR影像(＞25)，且其精度與永久散射體的密度有著一定的關(guān)系，通常要想獲得高精度的形變信息，PS點(diǎn)密度要求大，而一般情況下在非城區(qū)PS點(diǎn)的密度較低;而短基線集技術(shù)對(duì)SAR影像數(shù)據(jù)要求較低(＞7)，通過選擇合適的時(shí)間、空間基線來減弱時(shí)空失相關(guān)對(duì)DInSAR的影響，再經(jīng)過一定的后續(xù)處理得到研究區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定相干點(diǎn)上的形變、高程殘差及大氣相位信息。本文采用SBAS技術(shù)對(duì)珠海市區(qū)域的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)該地區(qū)的地表形變的特征及成因進(jìn)行分析。

二、數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

1.研究區(qū)域

本文的研究區(qū)域位于廣東珠江口西南部，如圖1所示。該區(qū)域內(nèi)地形較為平坦，以平地為主，主要為農(nóng)田、小鎮(zhèn)，還有山地、丘陵及臺(tái)地，最高處高程為465 m。從地質(zhì)構(gòu)造條件上來看，本區(qū)域內(nèi)有東北—西南走向穿過斗門區(qū)的五桂山南麓斷裂，還有穿過三灶島的深圳斷裂，斷裂規(guī)模較小。從水文地質(zhì)來看，該區(qū)域毗鄰南海，內(nèi)部河網(wǎng)眾多，雨量豐富，能較好地對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給;且區(qū)內(nèi)淤泥質(zhì)軟土廣泛分布，軟土厚度小于43 m，分布面積高達(dá)812.7 km2，屬于第四系全新統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)域地理位置

2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

本文選取了從2004-01-11至2010-09-26期間的34景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，其具體信息見表1。

表1 選取的ASAR數(shù)據(jù)的參數(shù)

首先，將所有從影像統(tǒng)一與主影像進(jìn)行粗、精配準(zhǔn)，本文所選擇的主影像拍攝時(shí)間為2009-01-04;通過設(shè)置時(shí)間、空間基線閾值來削弱時(shí)空失相關(guān)對(duì)干涉對(duì)的影響，本文所選的時(shí)間基線閾值為2年，空間基線閾值為50 m，共得到53對(duì)符合條件的干涉對(duì)，如圖2所示。以其中一個(gè)干涉對(duì)為例進(jìn)行處理過程說明，先將精確配準(zhǔn)后主從影像進(jìn)行干涉處理，為了抑制噪聲，本文進(jìn)行了方位向距離向?yàn)?∶1的多視處理，得到的干涉對(duì)的空間分辨率約為20 m×20 m;采用90 m分辨率的SRTM v4.1去除地形相位，從而獲得差分干涉圖;利用改進(jìn)的Goldstein方法對(duì)這些差分干涉圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波;通過人工屏蔽的方式削弱或避免低相干區(qū)域(海域或者孤島)對(duì)相位解纏的影響，使其不參與相位解纏，同時(shí)通過設(shè)置一定的相干性閾值(＞0.5)來選擇相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)進(jìn)行最小費(fèi)用流(MCF)解纏。其中，某些解纏后的相位圖中仍殘留部分的非線性軌道相位，因此，本文進(jìn)一步采用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行去除。最后，本文通過選定的高相干點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)操作(SBAS)得到研究區(qū)域內(nèi)形變信息。

圖2 時(shí)空基線分布

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.試驗(yàn)結(jié)果

采用SBAS技術(shù)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到研究區(qū)域的地面沉降速率圖。圖3為研究區(qū)域內(nèi)沿雷達(dá)視線方向(LOS)上的平均形變速率圖，單位為cm/a。其中，正值代表靠近衛(wèi)星的方向?yàn)樘?負(fù)值代表遠(yuǎn)離衛(wèi)星的方向?yàn)槌两?底圖為ASAR影像的平均強(qiáng)度圖;正值色區(qū)代表靠近衛(wèi)星的方向(抬升)，負(fù)值色區(qū)代表原理衛(wèi)星的方向(沉降)，單位為cm/a;A為澳門路氹城填海區(qū);B為珠海橫琴口岸;C為珠海香洲區(qū);D為珠海金灣區(qū);E為珠海金海岸;F為珠海金灣區(qū)小林鎮(zhèn)。

圖3 珠海市LOS向平均沉降速率圖

本文選擇6個(gè)具有代表性的區(qū)域進(jìn)行詳述，如圖3中的實(shí)線方框所示。從圖3中可以看出，沉降區(qū)分布較為零散，多分布在沿?；蜓睾訁^(qū)域，部分為農(nóng)田區(qū)。沉降速率一般在15 mm/a左右，也有少數(shù)地區(qū)沉降較快，如珠海金灣區(qū)和金灣區(qū)小林鎮(zhèn)，其最大形變速率分別為18 mm/a、30 mm/a。珠海市區(qū)及山區(qū)周邊的形變較小，接近穩(wěn)定;此外，左下角處還存在微小的抬升，速率約為2 mm/a。

本文在這些代表性區(qū)域內(nèi)挑選了幾個(gè)明顯的沉降漏斗進(jìn)行等值線的繪制，以更好地對(duì)形變進(jìn)行解譯，如圖4所示，底圖為光學(xué)影像。由圖4可知，最大的形變發(fā)生在珠海金灣區(qū)政府周邊，其最大形變速率高達(dá) 30 mm/a，且存在多個(gè)形變速率大于20 mm/a的區(qū)域，如圖4中D區(qū)所示。

圖4 6個(gè)具有代表性的區(qū)域沉降及等值線

2.結(jié)果分析及驗(yàn)證

珠海地區(qū)的地表沉降主要分布在沿海、沿河處和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖區(qū)，且沉降速率較大，而在內(nèi)陸地區(qū)的沉降速率較緩和(＜3 mm/a)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，珠海的城市化進(jìn)程也在逐漸增大，由原來的香洲老城區(qū)慢慢擴(kuò)展至斗門區(qū)外圍的中心鎮(zhèn)，人口也得到了較大程度的增長(zhǎng)，1990—2001年僅11年間珠海的城市人口就增長(zhǎng)了26.3%?？焖俚某鞘谢枰^多的建筑用地來緩和人口的壓力，因而極大地增加了軟土的外部負(fù)載，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降。此外，由于區(qū)域內(nèi)軟土層較厚，且滲透性差，因而地表水很難滲透到地下，而是直接流入海里，因此地下水的補(bǔ)給較少。珠海沿海區(qū)域的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為廣泛，很多養(yǎng)殖戶私自抽取地下水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，且打井方式不科學(xué)，容易導(dǎo)致淺層、深層地下水混采超采，這也導(dǎo)致地下水在補(bǔ)給量少的情況下水位越來越低，進(jìn)而改變土層結(jié)構(gòu)。如圖4中B、C、D及F幾個(gè)區(qū)域所示，其中，D區(qū)所代表的金灣區(qū)政府所在區(qū)域內(nèi)更有一個(gè)接近30 mm/a的沉降漏斗，沉降范圍與地面沉降現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)論一致，但形變速率較緩。

為了驗(yàn)證InSAR結(jié)果所反映出的地表形變情況，本文對(duì)形變較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地考察，考察區(qū)域主要有珠海市金灣區(qū)、珠海市白蕉鎮(zhèn)燈籠村，分別如圖5、圖6所示。

圖5

圖6

其中，圖5(a)是InSAR所獲取的金灣區(qū)康德萊醫(yī)療城所在地區(qū)的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，顯示該地區(qū)正經(jīng)受著大面積的地面下沉。為了驗(yàn)證InSAR結(jié)果，對(duì)康德萊醫(yī)療城進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。圖5(b)顯示的是該地區(qū)的某空置樓盤，從圖5(c)和圖5(d)中可以明顯地看出，該樓盤的房屋與地表之間發(fā)生了嚴(yán)重的斷裂。結(jié)合珠海市的特殊地質(zhì)情況，經(jīng)分析可知該情況是由于大型建筑物人們一般會(huì)把地基打在較為穩(wěn)固的基巖上，而道路等地面設(shè)施則是直接覆蓋在軟土層之上，因此兩者之間的沉降速度會(huì)不一致，隨著地面沉降的越來越大，其必然會(huì)與沉降較慢的建筑物分離。此外，從圖5(d)中還可以看出，該建筑出現(xiàn)了墻體破裂的現(xiàn)象，這可能是由地面不均勻沉降所引起的。

從圖6(a)可看出，燈籠沙村也存在嚴(yán)重的地表下沉現(xiàn)象，且沉降分布較為集中。與珠海市金灣區(qū)不同的是，該地區(qū)的樓房均沉陷到地面以下，如圖6(b)和6(c)所示，校舍樓房的窗戶下沿已經(jīng)下沉到了與路面平，原操場(chǎng)的簡(jiǎn)易乒乓球臺(tái)基本與地面平，整所學(xué)校已廢棄。造成這種現(xiàn)象的原因是:一是該地區(qū)樓房均以平房或非框架結(jié)構(gòu)為主，因此其地基并未打至基巖上，致使樓房隨著地面一起快速下沉;二是周邊的養(yǎng)殖業(yè)抽取大量地下水，同時(shí)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，工程活動(dòng)頻繁，地表荷載加劇，從而造成了樓房下沉到路面以下的現(xiàn)象。而圖6(d)顯示了墻體裂縫說明該地區(qū)也存在不均勻沉降。

同時(shí)，將同期開展的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在珠海市白蕉鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)和小林鎮(zhèn)，一直綿延至高欄港的大面積不同程度的沉降帶，存在多個(gè)沉降中心發(fā)育趨勢(shì)，年沉降量超過30 mm/a。雖然水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)并非同一個(gè)時(shí)間段，水準(zhǔn)觀測(cè)周期相對(duì)較短、密度不夠大，僅有兩次觀測(cè)結(jié)果，同時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)存在的不同程度的工程活動(dòng)等原因影響，導(dǎo)致兩種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果在某些區(qū)域內(nèi)沉降趨勢(shì)有不相符現(xiàn)象，但總體而言，兩者所測(cè)的地表形變趨勢(shì)基本一致。表2是珠海區(qū)域水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)沉降對(duì)比情況。

表2 沉降漏斗中心區(qū)域水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果比較 mm/a

綜上所述，InSAR獲取的結(jié)果能夠很好地反映區(qū)域內(nèi)的沉降情況，相對(duì)常規(guī)的測(cè)量手段而言，其獲取覆蓋范圍更大，能夠從宏觀上反映地表沉降情況。此外，對(duì)區(qū)域內(nèi)小范圍、局部的劇烈沉降(沉降速率高達(dá)30 mm/a)也有充分表達(dá)。差異沉降非常明顯，主要表現(xiàn)在主建筑和輔建筑之間，如高樓和入戶臺(tái)階處、建筑物與地面的連接處等?？傮w而言，如果影像數(shù)量足夠多，運(yùn)用SBAS技術(shù)監(jiān)測(cè)城市區(qū)域的地表形變效果較明顯，可以捕捉到小范圍的地表微小形變。但是對(duì)于非城市區(qū)域，由于受植被影響較大，仍無法解決失相干的問題，致使有的區(qū)域無法得到干涉結(jié)果。另外，與常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)手段獲取的對(duì)比結(jié)果也驗(yàn)證了SBAS技術(shù)獲得形變信息的可靠性。

四、結(jié)束語

本文通過SBAS技術(shù)對(duì)覆蓋珠海市的34景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并成功獲取了研究區(qū)域內(nèi)的地表形變信息。從結(jié)果中可以看出，珠海市西北部區(qū)域存在較為嚴(yán)重的地表沉降，沉降速率多在15 mm/a左右，產(chǎn)生了較為明顯的沉降漏斗，沉降速率達(dá)到了30 mm/a。研究區(qū)域內(nèi)的沉降原因主要分為兩類:一是珠海市廣泛分布的軟土地基在高速城市化進(jìn)程下快速增長(zhǎng)的外部負(fù)載力，導(dǎo)致土體間的應(yīng)力發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降;二是較厚的軟土區(qū)內(nèi)的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，過度抽取地下水，從而導(dǎo)致的地表沉降。本次研究表明，利用SBAS技術(shù)在非城市區(qū)域進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)是完全可行的，并且具有精度可靠、覆蓋面廣、周期短成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于珠海地區(qū)地表植被覆蓋率高、水網(wǎng)發(fā)達(dá)、水面多等特點(diǎn)，還應(yīng)著重研究如何削弱失相干和大氣效應(yīng)的影響，以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)精度，使其發(fā)揮更好的作用。

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