基于PSInSAR的成都地區(qū)地表沉降空間分布研究

張通德 馮 曉 黨 升

(重慶交通大學(xué) 測(cè)繪與國土信息工程系 重慶 400074)

0 引言

近年來,成都市作為西南部重點(diǎn)開發(fā)城市各方面發(fā)展十分迅速,取得了一系列重大的成就,但成都市的快速發(fā)展也帶來了一些不容忽視的問題,如地表沉降等,時(shí)刻威脅著市民的生命安全,因此，對(duì)成都市的地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)是十分必要的。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)是20世紀(jì)50年代末研制成功的一種利用主動(dòng)微波傳感器對(duì)地面進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)。其全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)在許多應(yīng)用領(lǐng)域都展示出巨大的優(yōu)勢(shì),成為探測(cè)地球的重要手段。目前為止,應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測(cè)的InSAR技術(shù)主要包括常規(guī)差分干涉測(cè)量技術(shù)(Differential InSAR,DInSAR)、永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Permanent Scatterer InSAR,PSInSAR)和差分干涉測(cè)量短基線集時(shí)序分析技術(shù)(Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR)。

2008年,中南大學(xué)胡波應(yīng)用PSInSAR技術(shù)對(duì)上海進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè),取得較好結(jié)果,并分析出導(dǎo)致沉降的因素[1];2013年,聶運(yùn)菊等提出一種改進(jìn)的永久散射體 (Persistent Scatterer，PS)點(diǎn)識(shí)別方法,更進(jìn)一步提高了結(jié)果的精度[2]。2016年劉曉等利用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)北京地面沉降,取得較好成果,并且與精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步證實(shí)了PSInSAR技術(shù)的可靠性。

由于本次選擇的研究區(qū)域?yàn)槌鞘袇^(qū)域,既能很好地滿足PSInSAR技術(shù)對(duì)地物高的散射能力，又能保持良好干涉的條件需求,并且能夠在符合條件的目標(biāo)區(qū)域達(dá)到較高的測(cè)量精度,可達(dá)到毫米級(jí)。故本文主要運(yùn)用PSInSAR對(duì)成都市局部研究區(qū)域進(jìn)行沉降空間分布研究。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)

該研究區(qū)域位于103°48′～104°22′E,30°31′～30°54′N之間。大致可分為4個(gè)部分：溫江,新都,成都市中區(qū)和郫縣,約2 600 km2范圍。Sentine lA衛(wèi)星是歐洲航天局2014年發(fā)射的載有合成孔徑雷達(dá)的衛(wèi)星,本次研究選取成都市2018年1月26日至2019年12月23日的24景SentinelA SLC數(shù)據(jù),每月一景,極化方式為垂直極化(VV)，90 m分辨率的輔助數(shù)據(jù)SRTM數(shù)字高程模型(Shuttle Radar Topography Mission 1 arc-second Digital Elevation Model,SRTM1 DEM)以及Sentine lA在研究時(shí)段內(nèi)24 d的精密軌道數(shù)據(jù),對(duì)該時(shí)段內(nèi)成都市區(qū)域產(chǎn)生的地表合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,最后得出形變結(jié)果。

2 PSInSAR技術(shù)原理及數(shù)據(jù)處理流程

2.1 PSInSAR技術(shù)原理

PSInSAR技術(shù)是針對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)間的多景(一般20～30景)原始SAR影像。如果有研究區(qū)域的N+1幅SAR圖像,那么便會(huì)產(chǎn)生N幅干涉圖,根據(jù)輸入的高精度DEM數(shù)據(jù)來對(duì)地形相位進(jìn)行去除,就能夠得到N幅差分干涉圖。

(1)

(2)

式(2)中,φn-res是殘留相位;tn是干涉像對(duì)的時(shí)間基線。如果對(duì)相鄰的永久散射點(diǎn)進(jìn)行差分便能夠減少因?yàn)榇髿猱a(chǎn)生的誤差相位,就能解出i,j兩點(diǎn)的相位。

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行差分,求出相位差分方程

(4)

式(4)中,Δφn是對(duì)干涉相位差分值;ΔδH是對(duì)干涉后的高程值作差;Δθ是變形速度差值;φn-res是殘余相位差值。

以上分析可以得出,若能對(duì)相鄰的兩永久散射體點(diǎn)位的沉降速率差值Δθ及改正之后的高程值差值ΔδH做一個(gè)準(zhǔn)確的估值,并且可以滿足|φn-res|<π,那么就不難解出相位差分值Δφn。若把這兩個(gè)估值作為φn的梯度就可以進(jìn)一步得到纏繞相位φn,最后便可以根據(jù)已有條件解算出地表形變值。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

PSInSAR技術(shù)第一步先要設(shè)置或讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)在多幅不同時(shí)期包含研究區(qū)的SAR影像中選擇一副效果較好的影像作為配準(zhǔn)工作的主影像,然后將計(jì)算機(jī)選擇出來的主影像與其余的SAR影像進(jìn)行配準(zhǔn)處理,建立主-從數(shù)據(jù)對(duì)。數(shù)據(jù)對(duì)的時(shí)空基線如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)對(duì)連接圖

根據(jù)影像在一段時(shí)間內(nèi)的振幅和相位信息的穩(wěn)定性,便可以得到若干相關(guān)性高且穩(wěn)定性好的PS點(diǎn)。然后再經(jīng)過去除地形相位、干涉處理等方法來獲取帶有PS點(diǎn)信息的差分干涉相位,最后將相鄰PS點(diǎn)的差分干涉相位再進(jìn)行一次差分就可以去除掉大氣的影響,得到基于兩次差分后的形變相位模型。通過求解形變相位和分離大氣延遲相位,就能夠得出研究區(qū)的形變信息和地形殘余信息。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 PS處理流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果如圖3所示。正值代表的是地表的抬升,負(fù)值代表的是地表沉降。出現(xiàn)抬升的研究區(qū)域如圖3中深色區(qū)域所示,主要集中分布郫縣區(qū)及成都市中區(qū)。出現(xiàn)沉降的研究區(qū)如圖3中淺色區(qū)域所示,主要集中在新都區(qū)及溫江和雙流交界處。從圖3中可以看出，成都市區(qū)的西北至東南方向地表在近2年內(nèi)出現(xiàn)了抬升的現(xiàn)象,且最大抬升值達(dá)到18 mm;成都的東北至西南方向在近2年內(nèi)出現(xiàn)了地表沉降的現(xiàn)象,且最大沉降量達(dá)到了24 mm。從整體上看,主要是由于受東南部龍泉山脈和西部邛崍山脈及北部的龍門山脈的擠壓，從而導(dǎo)致出現(xiàn)東北部至西南部出現(xiàn)線狀沉降帶,西北至東南出現(xiàn)局部抬升現(xiàn)象。

圖3 研究區(qū)沉降分布

該實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域大致可分為4個(gè)部分：溫江區(qū),新都區(qū),成都市中區(qū)和郫都區(qū),每個(gè)部分的變形情況統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

(a)溫江區(qū)

圖4中,橫坐標(biāo)表示PS點(diǎn)的序號(hào),縱坐標(biāo)表示沉降值。可以看出各區(qū)域的地表變形值大都處于正常范圍內(nèi)。溫江區(qū)地表形變值大致處于-5～4 mm之間,但溫江與雙流交界處的區(qū)域有明顯的沉降發(fā)生,沉降值在15 mm左右。近幾年,隨著成都市向東、南部開發(fā),該地方的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也逐漸興起,可能是導(dǎo)致該區(qū)域地表發(fā)生明顯沉降的因素。新都區(qū)地表變形值大致處于-8～6 mm之間,從整體上來看,成都市中心一環(huán)、二環(huán)的地表相對(duì)來其他地區(qū)更加穩(wěn)定,地表的變形值較小,大部分處于-6～6 mm之間,地質(zhì)情況較為穩(wěn)定,但局部地區(qū)出現(xiàn)地表抬升的現(xiàn)象,最大抬升值達(dá)到16 mm。郫都區(qū)的地表變形值大致處于-4～6 mm之間,呈現(xiàn)西北方向抬升,東南方向沉降的趨勢(shì)。

總體上看來,成都市中心及成都市中心的東、南、東北部地區(qū)的地表沉降情況比較穩(wěn)定,沒有發(fā)生過較大的沉降或者抬升情況,并且沉降或抬升量都在一個(gè)較小的變形值附近的范圍內(nèi)波動(dòng)。但是由于成都平原所處的地理位置受到不同地質(zhì)板塊的擠壓,造成了成都市中區(qū)的東南部和西北部地表抬升現(xiàn)象比較明顯。近年來,成都市部分地區(qū)快速發(fā)展起來的房地產(chǎn)行業(yè),地下軌道的建設(shè),以及地下水資源的開采也造成了東北部及西南部局部地區(qū)的沉降情況較為明顯。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用PSInSAR技術(shù)基于四川省成都市部分區(qū)域的SAR數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)地表沉降的分布和變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究。研究表明：

(1)在該研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)域最大沉降量達(dá)到24 mm,出現(xiàn)在新都區(qū);最大抬升量達(dá)到18 mm,出現(xiàn)在成都市中區(qū)東南部。

(2)成都市中區(qū)的西北至東南方向地表在近2年內(nèi)出現(xiàn)了抬升的現(xiàn)象,東北至西南方向在近2年內(nèi)出現(xiàn)了地表沉降的現(xiàn)象。

(3)分析主要原因?yàn)榈刭|(zhì)運(yùn)動(dòng)、房地產(chǎn)及地鐵線路的開發(fā)、人口增長(zhǎng)導(dǎo)致地下水源減少等。