時序InSAR廣佛地區(qū)地表形變監(jiān)測與分析

陳帥強 夏元平

（東華理工大學(xué) 測繪與空間信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）興起于20 世紀(jì)60年代末，它來源于Thomas Young 提出的“楊氏雙縫干涉實驗”［1］，這項技術(shù)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源來獲取地表的三維信息和變化信息［2］。1969年，Roger和Ingalls［3］第一次使用InSAR 技術(shù)成功地獲取金星和月球表面的高程。差分干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR）的監(jiān)測周期過短，不能長期監(jiān)測某一地區(qū)也不能獲取時間形變序列，若時空基線過長，就極易失相干［4］。為克服大氣和時空失相干的影響，F(xiàn)erretti 等［5］提出永久散射體干涉測量技術(shù)（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR），但PS-InSAR使用的是單張主影像，仍然不可避免會存在失相干的問題，Berardino等［6］針對這一問題，提出了多張主影像的小基線集干涉測量技術(shù)（small baseline subset interferometric synthetic aperture radar，SBAS-InSAR），該技術(shù)通過設(shè)置合適的時空基線閾值來確定干涉對，增加了干涉對的數(shù)量，進(jìn)而也增加了多余觀測數(shù)，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。SBAS-InSAR 技術(shù)監(jiān)測地面沉降已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，楊業(yè)成等［7］用該項技術(shù)對西藏江達(dá)縣金沙江流域的滑坡進(jìn)行時序形變分析，與實地考察的結(jié)果基本一致；周呂等［8］應(yīng)用SBASInSAR技術(shù)對北京市進(jìn)行了地面沉降監(jiān)測。

突發(fā)性的沉降會對國民的生命和財產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失，因此對廣佛地區(qū)進(jìn)行地面監(jiān)測是非常有必要的。Ng A 等［9］、劉琦等［10］、高輝等［11］、張永利等［12］、王成等［13］分別利用InSAR 技術(shù)在不同的時間段對廣州和佛山的不同區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。同時，中低緯度區(qū)域大氣成分往往不可忽略，張雙成等［14］利用多種方法從干涉圖中分離出大氣延遲相位。結(jié)果表明，經(jīng)過通用型InSAR 大氣校正在線服務(wù)（generic atmospheric correction online service for InSAR，GACOS）數(shù)據(jù)校正的形變結(jié)果與GPS 的結(jié)果更為符合；周定義等［15］對昆明市形變監(jiān)測，使用GACOS產(chǎn)品對大氣改正具有一定的效果?？紤]到南方水汽比較大，受到大氣的影響較為嚴(yán)重，故本文使用哨兵1 號（Sentinel-1A）數(shù)據(jù)，采用GACOS 數(shù)據(jù)去除大氣延遲誤差，異于時空濾波去除大氣延遲的方法，使用SBAS-InSAR技術(shù)獲取廣佛地區(qū)從2018—2022 年時間序列形變。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與處理方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江三角洲，集中在廣州市的海珠區(qū)、番禺區(qū)和南沙區(qū)，佛山市的禪城區(qū)和順德區(qū)，其經(jīng)緯度范圍分別為112.97°～113.56 °E、22.70°～23.16 °N。研究區(qū)內(nèi)分布的河流眾多，土地利用類型主要有耕地、建筑用地、水體、森林，其中耕地主要位于南沙區(qū)。其氣候類型屬于東亞季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫在20 ℃～22 ℃，降雨量充沛，其中4—9 月降雨量最多。研究區(qū)地勢平坦，高程主要集中在0～15 m（圖1中的黑色矩形）。

圖1 研究區(qū)范圍及DEM高程

1.2 實驗數(shù)據(jù)

本文所使用的數(shù)據(jù)為Sentinel-1A SAR 影像的升軌數(shù)據(jù)，工作模式為干涉寬幅模式（interferometric wide swath，IW），波段為C 波段，分辨率距離向和方位向分別為5 m×20 m，極化方式為垂直發(fā)射垂直接收的同向極化方式（vertical vertical，VV）；研究時間為2018 年10 月21 日到2022 年4 月3 日；精密軌道數(shù)據(jù)來自歐洲空間局官網(wǎng)（https：//scihub.copernicus.eu/gnss/#/home）；數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）是2000 年獲取的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命（shuttle radar topography mission，SRTM），其分辨率為30 m；大氣延遲產(chǎn)品由GACOS 官網(wǎng)獲取（http：//www.gacos.net/）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文以2020年11月3日的影像為主影像，對配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了方位向去斜；為提高影像的相干性同時又降低噪聲，對影像距離向和方位向采用了10∶2的多視處理；設(shè)置合適的時空基線閾值；利用雷達(dá)坐標(biāo)系下的DEM 數(shù)據(jù)去除地形相位，生成差分干涉圖，采用自適應(yīng)濾波提高相干性以及用最小費用流的解纏方法；利用GACOS數(shù)據(jù)去除大氣誤差，采用干涉圖堆疊技術(shù)得到年平均形變速率，同時用奇異值分解方法解算出時間序列形變，形變結(jié)果由視線向轉(zhuǎn)為垂直方向。

2 實驗結(jié)果

2.1 GACOS使用效果

以兩幅干涉圖為例，說明引入GACOS數(shù)據(jù)去除大氣延遲誤差的效果，干涉圖的日期分別為2019-03-14—2019-07-12 和2020-12-09—2021-03-15，兩幅干涉圖的時空基線分別為120 T、11 m和96 T、26 m，如圖2 所示。對使用GACOS 前后干涉圖的相位進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)去大氣前的干涉圖相位值都偏大，去除大氣后的干涉圖相位都集中-2～2 rad。從中可以看出，使用GACOS 數(shù)據(jù)可以有效地減弱大氣誤差對干涉圖的影響。

圖2 兩種方法對比的干涉圖

2.2 形變結(jié)果及精度評定

研究區(qū)處于抬升的區(qū)域主要位于番禺區(qū)的南部、研究區(qū)的東南部以及順德區(qū)的中西部，沉降區(qū)域主要位于禪城區(qū)的西部、順德區(qū)的北部以及研究區(qū)內(nèi)的南沙區(qū)。本文獲取了2018—2022 年的平均形變速率圖，見圖3（a），廣佛地區(qū)的年平均形變速率為-36～18 mm/a，大部分形變主要集中在-4.9～5.9 mm/a，整體上處于穩(wěn)定的狀態(tài)。利用干涉圖堆疊技術(shù)獲取年平均形變的標(biāo)準(zhǔn)差，見圖3（b），標(biāo)準(zhǔn)差的大小代表研究區(qū)內(nèi)的數(shù)值與平均值之間的差異，本文的標(biāo)準(zhǔn)差主要集中在0～2.9 mm/a，說明整體的形變處在可控范圍。

圖3 2018—2022年平均形變速率圖及年平均速率的標(biāo)準(zhǔn)差

3 結(jié)果分析

3.1 地鐵沿線分析

對研究區(qū)內(nèi)的地鐵沿線建立500 m 的緩沖區(qū)，以此來反演出地鐵周圍的時空變化機(jī)理。實驗結(jié)果表明位于禪城區(qū)西部的佛山2號線存在明顯的沉降，位于海珠區(qū)的廣州2 號線以及廣州3 號線也有明顯的沉降，其他地鐵沿線處于穩(wěn)定狀態(tài)。廣州地鐵1 號線至8 號線（除7 號線外）距本文的研究時間都超過了三年之久，在這幾條地鐵沿線沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沉降區(qū)域（除2、3 號線的局部沉降之外）。據(jù)相關(guān)資料顯示，地鐵在建立期間以及運營的前三年時間里，會引起地表變形，在此之后對地表的影響將會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。7 號線和13 號線分別于2016 年和2017 年年末開通，在研究區(qū)內(nèi)均未觀測到明顯的形變；但是佛山2號線［圖4（P1）］、廣州2號線［圖4（P2）］、廣州3號線［圖4（P3）］觀測到沉降區(qū)域，因此需要對它們重點分析。

圖4 地鐵沿線形變圖

P1 研究區(qū)（圖4）位于佛山2 號線的湖涌站-綠島湖站-智慧新城站，此地鐵于2021 年末開通運營，地鐵從2015 年12 月初進(jìn)入地下開挖，在對綠島湖站到湖涌站施工時，于2018年2月7日，在這兩個站點之間發(fā)生了坍塌事件。分析沉降原因，該地區(qū)不存在抽取地下水的情況，該地區(qū)的土壤類型為軟土，軟土的厚度在10～20 m，沉降區(qū)域是位于建筑物上面，初步推測沉降是由于地鐵開挖、地鐵運營、在地表修建人工設(shè)施等造成的地表負(fù)荷過大，軟土層厚度分布不均及地基下土層承載力較低所引起的。廣州2號線的沉降（P2）主要位于廣州海珠區(qū)的南洲站的下方，該區(qū)域的年沉降速率最大為11 mm，在沉降區(qū)域內(nèi)有一條廣州環(huán)城高速、廣州市第十七中學(xué)等；沉降區(qū)域（P3）主要位于海珠區(qū)的大塘站西側(cè)的海珠同創(chuàng)匯區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)建筑物密集，P2、P3處的沉降主要是由于地鐵運營以及自身建筑物密集擠壓地表所導(dǎo)致的。

分別獲取P1、P2、P3 研究區(qū)內(nèi)的沉降特征點A、B、C（圖4），得到三個特征點的時間序列形變（圖5），首先發(fā)生沉降是A點，但是C點的沉降最為明顯，這三處明顯的沉降點應(yīng)該引起人們的關(guān)注。

圖5 特征點時間形變序列

3.2 對研究區(qū)內(nèi)的其他沉降地區(qū)進(jìn)行分析

沉降主要集中在順德區(qū)的北部以及研究區(qū)內(nèi)的南沙區(qū)，順德區(qū)沉降的位置分別位于卓越萬科朗潤園、岳步工業(yè)區(qū)附近、美的大道附近，工業(yè)區(qū)附近的沉降主要是因為工業(yè)區(qū)內(nèi)有造紙廠、塑料廠、金屬制品廠、家具廠等，在生產(chǎn)這些物品的過程中都需要消耗水，推測沉降原因為開采地下水引起的沉降；南沙區(qū)內(nèi)的沉降較為明顯，獲取的像素點主要都位于建筑物、公路等設(shè)施上，南沙區(qū)的土質(zhì)是較為深厚的軟土層，主要是由于南沙區(qū)位于濱海與河湖相交互沉積的軟弱黏性土，考慮沉降原因主要是建筑物會壓實地面，從而使土層壓縮。獲取這幾個沉降地區(qū)的某一處特征點（圖3 中的P4～P7），來獲取它們的時間形變序列，如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文基于SBAS-InSAR 技術(shù)對廣佛地區(qū)從2018 年10 月21 日到2022 年4 月3 日進(jìn)行地表形變分析，引入GACOS 產(chǎn)品輔助去除大氣誤差，得出研究區(qū)內(nèi)的年平均形變速率以及時間形變序列。結(jié)果表明：

（1）研究區(qū)內(nèi)的年平均形變速率主要集中在-4.9～5.9 mm/a，標(biāo)準(zhǔn)差主要集中在0～2.9 mm/a，處于抬升的區(qū)域主要位于番禺區(qū)的南部、研究區(qū)的東南部以及順德區(qū)的中西部，沉降區(qū)域主要位于禪城區(qū)的西部、順德區(qū)的北部以及研究區(qū)內(nèi)的南沙區(qū)，整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）對研究區(qū)內(nèi)的地鐵沿線建立500 m 的緩沖區(qū)進(jìn)行分析，并著重對地鐵沿線的沉降區(qū)域進(jìn)行時空沉降誘因機(jī)制分析，發(fā)現(xiàn)越靠近地鐵沉降越明顯；對研究區(qū)內(nèi)其他沉降進(jìn)行分析，選取了四個沉降區(qū)域進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)時間序列形變呈現(xiàn)非線性的趨勢，但是整體趨勢是沉降。

（3）研究區(qū)內(nèi)沉降主要是由于地鐵建設(shè)、地鐵運營、建筑物密集、地下水的抽取以及與自身的土質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

（4）研究區(qū)內(nèi)的植被比較茂密，在夏季的相干性低，故在未來的研究中，可以利用不同波段的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。