基于C波段和L波段的SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測廣州地面沉降

王會強,馮光財,喻永平,毛曉康,丁　超,陳晨月

(1.中南大學(xué) 雷達遙感研究室,湖南 長沙 410083；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510000)

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基于C波段和L波段的SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測廣州地面沉降

王會強1,馮光財1,喻永平2,毛曉康1,丁超1,陳晨月1

(1.中南大學(xué) 雷達遙感研究室,湖南 長沙 410083；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510000)

近10年來廣州市頻繁發(fā)生地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，造成巨大的生命財產(chǎn)損失，而且目前仍然在加劇。傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)如GPS、水準(zhǔn)測量等難以開展大范圍、高精度和高空間分辨率的地表沉降監(jiān)測工作，而合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR)正逐漸成為城市地表沉降監(jiān)測的有效手段。文中采用短基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)，通過17景ENVISAT/ASAR數(shù)據(jù)和21景ALOS/PALSAR數(shù)據(jù)，探測廣州佛山地區(qū)2006—2011年的地表形變信息。將其與研究區(qū)內(nèi)已有的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進行比較，從而驗證InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果的可靠性。最后圈定了研究區(qū)的重點沉降區(qū)域并對沉降成因進行分析。

廣州地區(qū)；地面沉降；SBAS-InSAR；形變場

珠江三角洲特別是廣州地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，但同時也是遭受地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重的區(qū)域。近10年來廣州及其周邊地區(qū)頻繁發(fā)生地面沉降、塌陷，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮纳敭a(chǎn)損失，而且這種趨勢還在惡化，引起了相關(guān)部門的重視。傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)如GPS、水準(zhǔn)測量等很難實現(xiàn)大范圍、高精度和高空間分辨率的監(jiān)測，而近些年發(fā)展起來的InSAR技術(shù)在城市地表沉降監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，它不僅彌補了傳統(tǒng)測量手段的不足，而且兼具高精度、省時省力等監(jiān)測優(yōu)勢[1-2]。雖然目前已經(jīng)有部分工作利用InSAR技術(shù)監(jiān)測廣州及其周邊地區(qū)的沉降，獲得了覆蓋局部區(qū)域某時間段的平均形變速率圖[3-6]，但他們所采用的SAR數(shù)據(jù)量較少，平臺比較單一，也缺乏系統(tǒng)的比較驗證。這里同時采用C波段和L波段的SAR數(shù)據(jù)來監(jiān)測廣州佛山地區(qū)的沉降，并利用水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對本文獲得的結(jié)果進行驗證。L波段較C波段穿透性更強，即使在植被覆蓋區(qū)也能具有很好的相干性[7-8]。

為了準(zhǔn)確把握這一地區(qū)地面沉降動態(tài)和沉降區(qū)分布狀況及規(guī)律，建立完善的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控體系，為政府制定具體防治措施和保證重要大型工程項目的建設(shè)安全提供參考資料，本文基于時序InSAR監(jiān)測技術(shù)中的短基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)[9]，通過17景ENVISAT/ASAR數(shù)據(jù)(時間跨度為2006—2009年)和21景ALOS/PALSAR數(shù)據(jù)(時間跨度為2007—2011年)，分別獲得了廣州、佛山地區(qū)在影像時間跨度內(nèi)的形變場，兩組數(shù)據(jù)的結(jié)果可以相互對比驗證。然后，以研究區(qū)內(nèi)已有的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，與InSAR監(jiān)測結(jié)果進行比較，從而驗證了監(jiān)測結(jié)果的可靠性。最后，圈定了研究區(qū)的重要沉降區(qū)域，并對監(jiān)測結(jié)果的特征和成因進行分析。

1　研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

本文的研究區(qū)域涵蓋了廣州、佛山兩個市的城區(qū)，即從東經(jīng)112°46′至113°36′，北緯22°48′至23°36′的范圍，該地區(qū)地勢大致呈現(xiàn)北部高、南部低，地面起伏不大。研究區(qū)屬于南亞熱帶典型的季風(fēng)氣候，冬夏季風(fēng)交替，雨量充沛，而且每年的3月至10月為雨季，降雨量大，而每年的11月至次年的2月，降雨量小，區(qū)內(nèi)各地多年平均降雨量為1 665.0～1 678.0 mm。研究區(qū)內(nèi)廣州番禺區(qū)和佛山北滘鎮(zhèn)、陳村一帶軟土層分布廣泛且厚度不均，廣花盆地地區(qū)地下隱伏巖溶(灰?guī)r)分布多、發(fā)育強烈，特別是淺部巖溶[10-14]。研究區(qū)SAR影像覆蓋范圍如圖1所示。

圖1　研究區(qū)SAR影像覆蓋范圍ASAR數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和PALSAR數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，研究區(qū)則是兩種數(shù)據(jù)覆蓋相同的區(qū)域。

實驗采用ENVISAT/ASAR和ALOS/PALSAR影像，時間跨度分別為2006-10-30至2009-08-10和2007-01-08至2011-01-19。具體數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

表1　ASAR和PALSAR數(shù)據(jù)參數(shù)列表

續(xù)表1

2　InSAR數(shù)據(jù)處理

利用GAMMA軟件將SAR數(shù)據(jù)配準(zhǔn)重采樣到相同的空間坐標(biāo)系下，然后基于較短的時空基線閾值選取合適的干涉對進行DInSAR的數(shù)據(jù)處理，其中所選的干涉對和基線集情況如圖2所示。數(shù)據(jù)處理中，將ASAR數(shù)據(jù)進行多視處理為2×10(影像分辨率約為40 m×40 m)，將PALSAR數(shù)據(jù)進行多視處理為3×8(影像分辨率約為25 m×25 m)。采用的外部DEM是美國宇航局(NASA)提供的SRTM數(shù)據(jù)，分辨率是30 m×30 m，利用該DEM來去除干涉圖中的地形相位部分。而軌道誤差的去除則采用多項式曲面擬合的方法，作為常用的軌道誤差改正模型，該方法對于該地區(qū)的軌道趨勢去除效果比較明顯，特別是PALSAR數(shù)據(jù)[15-16]。該地區(qū)大氣影響嚴(yán)重，而且缺少相同時間段的用于改正大氣的外部數(shù)據(jù)源，所以根據(jù)干涉圖中大氣誤差的時空特性(空間域低通，時間域高通)，采用時空濾波的方法進行大氣延遲相位的去除。短基線集(Short BAseline Subsets，SBAS)作為一種先進的InSAR時間序列分析技術(shù)，解決了DInSAR的應(yīng)用局限性(時空去相干，大氣延遲等)，為InSAR技術(shù)的拓展研究和應(yīng)用提供了廣闊的空間。該技術(shù)將多景解纏后的多視差分干涉圖進行相位建模，通過奇異值分解(SVD)的方法最終生成平均形變速率圖和時間序列形變圖[2,9,16]。

圖2　基線集

3　監(jiān)測結(jié)果與驗證

3.1監(jiān)測結(jié)果

如圖3所示，根據(jù)相同覆蓋區(qū)域的ASAR數(shù)據(jù)和PALSAR數(shù)據(jù)，分別獲取了廣州地區(qū)2006年至2011年的地面沉降速率場。

圖3顯示，ALOS/PALSAR影像相干性較好，比ENVISAT/ASAR影像獲取的監(jiān)測點更多，這與前者的穿透能力較強有關(guān)。另外，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)存在局部小范圍的沉降，沉降速率大約在4～14 mm/a。圖3中結(jié)果是利用不同的SAR數(shù)據(jù)采用相同的InSAR形變監(jiān)測方法獲得的，通過對比幾乎可以認為兩個數(shù)據(jù)探測到的形變場是一致的，這從SAR數(shù)據(jù)內(nèi)部驗證了SBAS-InSAR技術(shù)用于監(jiān)測廣州地區(qū)地表沉降結(jié)果的可靠性。

圖3　SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果

3.2形變結(jié)果驗證分析

為了進一步驗證監(jiān)測結(jié)果的可靠性，將其與研究區(qū)已有水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較。由于InSAR 監(jiān)測的形變結(jié)果為雷達視線向的形變，而水準(zhǔn)數(shù)據(jù)則是垂直向的形變，二者存在著差異，故需要利用式(1)把水準(zhǔn)數(shù)據(jù)垂直方向的形變量轉(zhuǎn)換為雷達視線向。

(1)

式中：dLOS為轉(zhuǎn)換后的視線向的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，d垂直向為轉(zhuǎn)換前垂直向的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，θ為雷達入射角。

然后以水準(zhǔn)結(jié)果為基準(zhǔn)，即視為真值，將轉(zhuǎn)換后的InSAR結(jié)果與其進行比較。這里給出已有水準(zhǔn)點的分布情況，如圖4所示。

(a)空間分布　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)比較驗證圖4　水準(zhǔn)點的空間分布和比較驗證

圖4(a)中顯示藍色方框為上述兩種SAR數(shù)據(jù)覆蓋的空間范圍，圖中紅色和白色符號代表用于比較的62個水準(zhǔn)點，其中紅色三角符號共有14個，代表發(fā)生形變的水準(zhǔn)點，而白色圓形符號則代表48個沒有發(fā)生形變的水準(zhǔn)點。由于已有的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)只有一定時間段內(nèi)的沉降量，所以將其轉(zhuǎn)換為年平均形變速率，利用InSAR獲取的平均形變速率分別與沒有發(fā)生形變的水準(zhǔn)點和發(fā)生形變的水準(zhǔn)點進行比較，結(jié)果如圖4(b)所示。圖4(b)顯示，對于穩(wěn)定水準(zhǔn)點ASAR數(shù)據(jù)監(jiān)測的平均形變速率與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)之差的均值達到了-0.9 mm/a，其標(biāo)準(zhǔn)差(精度)為0.8 mm/a，而PALSAR數(shù)據(jù)的結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)之差的均值為-0.5 mm/a，與ASAR結(jié)果相差不大，其精度也達到了0.7 mm/a。對于形變水準(zhǔn)點，我們發(fā)現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)的精度較穩(wěn)定點的監(jiān)測精度低，ASAR數(shù)據(jù)較差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.3 mm/a和1.6 mm/a；而PALSAR數(shù)據(jù)較差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差則為-0.6 mm/a和1.2 mm/a?？傮w而言，獲取的InSAR結(jié)果可靠性較高。

就ASAR和PALSAR數(shù)據(jù)而言，理論上對于同一區(qū)域，二者獨立監(jiān)測的結(jié)果應(yīng)該是一致的，結(jié)果中在形變大小和形變范圍方面也幾乎相同，與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較也說明ASAR數(shù)據(jù)和PALSAR數(shù)據(jù)都能達到很高的精度。然而兩種數(shù)據(jù)所采用的波段不同，ASAR數(shù)據(jù)采用C波段(波長約為5.6 cm)和PALSAR數(shù)據(jù)(波長約為23.6 cm)采用L波段，由于L波段穿透性更強，使得L波段數(shù)據(jù)較C波段即使在相干性較低的區(qū)域(如廣花盆地一帶的植被覆蓋區(qū))也能獲得更多的監(jiān)測信息，相干性更高。

3.3沉降成因分析

考慮到兩種數(shù)據(jù)共同監(jiān)測的形變區(qū)域，在圖3中共圈定了3個主要形變區(qū)域，即佛山市北滘鎮(zhèn)陳村一帶(a區(qū))、廣花盆地一帶(b區(qū))和佛山丹灶鎮(zhèn)一帶(c區(qū))。初步分析a、c區(qū)域沉降多與軟土層的分布和城市化的快速發(fā)展(如地鐵線和高樓大廈的興建)有關(guān)[10-12]。經(jīng)查，該沉降區(qū)域多為工廠區(qū)和密集居民樓區(qū)。有可能是軟土層厚度分布不均及地基下土層承載力較低，隨著建筑區(qū)的荷載不斷增加和軟土地基受力不均等原因引起地面沉降。如2008-07-21，佛山市順德區(qū)北滘職業(yè)技術(shù)學(xué)校全校幾乎所有的建筑都出現(xiàn)了不同程度的沉降現(xiàn)象，并導(dǎo)致許多墻體開裂。

另外在廣州廣花盆地一帶(b區(qū))也存在局部沉降區(qū)，如金沙洲、大坦沙地區(qū)以及龍歸鎮(zhèn)等，該區(qū)沉降范圍較小。廣花盆地是地面沉降塌陷的重點監(jiān)測區(qū)，如金沙洲、大坦沙地區(qū)地下隱伏巖溶(灰?guī)r)分布多、發(fā)育強烈，而且江村水源地和新華水源地是該地區(qū)地下水集中開采地帶，近幾十年來，由于這兩個水源地大量抽取地下水，已造成水源地附近的多處農(nóng)田區(qū)的生產(chǎn)井附近發(fā)生塌陷沉降[12]。加之，近年來廣州城市總體規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略確定該地區(qū)為廣州發(fā)展的重點，地鐵、高速等重大工程項目不斷在此開展[12-14]。據(jù)調(diào)查，2006-08以來，受武廣高鐵金沙洲隧道施工抽排地下水的影響，金沙洲地區(qū)發(fā)生了數(shù)十起巖溶地面塌陷、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致多個單位，居民區(qū)的數(shù)十棟樓房相繼發(fā)生傾斜、變形。

正是因為這些復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境和人類活動的綜合作用，致使該地區(qū)出現(xiàn)地面沉降、塌陷、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

4　結(jié)束語

本文首先基于相同覆蓋區(qū)域的ASAR數(shù)據(jù)和PALSAR數(shù)據(jù)，分別獲取了廣州地區(qū)2006年至2011年的地面沉降速率場，兩種數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果一致性較高。然后利用研究區(qū)內(nèi)已有的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對InSAR技術(shù)監(jiān)測的形變結(jié)果進行了比較分析，驗證了InSAR技術(shù)獲取結(jié)果的可靠性。最后，確定了廣州地區(qū)的主要沉降區(qū)域，即佛山北滘鎮(zhèn)、丹灶鎮(zhèn)一帶是研究區(qū)中沉降較為明顯的地區(qū)，沉降速率最大可達到14 mm/a左右，而廣花盆地一帶存在小范圍局部沉降。據(jù)相關(guān)資料分析，前者沉降可能與該地區(qū)軟土層分布有關(guān)，而后者沉降估計與該地區(qū)的隱伏巖溶分布有關(guān)。但是這些復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境應(yīng)該是地面沉降、塌陷發(fā)生的前提條件，沉降分析暗示人類活動與這些災(zāi)害的發(fā)生有很大關(guān)系。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Ground subsidence monitoring in Guangzhou with SBAS-InSAR technique based on C- and L-band

WANG Huiqiang1, FENG Guangcai1, YU Yongping2, MAO Xiaokang1, DING Chao1, CHEN Chenyue1

(1.Laboratory of Radar Remote Sensing, School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083,Chaina; 2.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institure, Guangzhou 510000,China)

In recent 10 years, frequently reported geological disasters such as ground subsidence have occurred in Guangzhou area, causing huge damages to people’s life and property. More seriously, these disasters are continuing and further developing. However, traditional monitoring means, such as leveling and GPS surveying cannot meet the requirements of large-scale, high-resolution and high-precision monitoring for the surface subsidence. InSAR technique has gradually become an efficient way in monitoring surface subsidence. This paper uses the SBAS-InSAR technology based on high coherent and strong steady points to monitor the deformation field of Guangzhou and Foshan areas from 2006 to 2011 with 17 ENVISAT/ASAR images and 21 ALOS/PALSAR images respectively. Then the InSAR results are compared with the leveling data in the research area to validate InSAR technique’s reliability. Ultimately, analysis is made on the main subsidence areas and the reasons of ground subsidence.

Guangzhou area; ground subsidence; SBAS-InSAR; deformation field

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.012

2016-01-18

廣州市珠江科技新星項目(2013J2200072)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41574005)

王會強(1990-)，男，碩士研究生.

P642.26

A

1006-7949(2016)11-0060-05