利用D-InSAR技术监测盐城地区地表形变

何 敏，何秀凤

(河海大学卫星及空间信息应用研究所，江苏南京210098)

利用D-InSAR技术监测盐城地区地表形变

何 敏，何秀凤

(河海大学卫星及空间信息应用研究所，江苏南京210098)

利用Envisat获取的盐城地区2004年1月—2009年5月的6景SAR数据，通过合成孔径雷达差分干涉测量技术处理，得到了2004年1月—2005年1月、2005年6月—2005年11月和2008年12月—2009年5月盐城市地表形变场。研究结果表明，盐城主城区在2004年1月到2005年1月之间整体沉降量相对较小，仅存在一个平均沉降量为－5 mm左右的沉降小漏斗，不存在较大的沉降漏斗;在2005年6月到2005年11月之间沉降中心有所转移，出现了两个新的区域性沉降区域，最大沉降量可达－39.4 mm;2008年12月到2009年5月之间，盐城主城区区域性沉降区域的范围有所减小，但出现了新的沉降漏斗，平均沉降量可达－12 mm。沉降量的加大与盐城市地下水的过度开采有关。

合成孔径雷达;差分干涉测量;地表形变;盐城

一、引 言

江苏省盐城市地处我国东部沿海开放地带，近年来，由于市区地下水严重超采，已造成水位大幅度下降，引发了不同程度的地面沉降和水质咸化等环境地质问题［1-3］。从2001年开始，江苏省测绘局已布设了三个地面沉降监测网对盐城市的沉降状况进行监测。虽然水准测量监测精度和可靠性高，但存在监测周期长、布网密度稀疏等不足，限制了对区域范围内地面沉降发展趋势的认识程度。江苏省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统(JSCORS)建立后，随即应用到盐城市地面沉降监测工作中。JSCORS虽能实时监测地面沉降状况，但JSCORS在盐城市只布设了1个GPS站，要实现整个盐城市的沉降监测，空间观测密度是不够的。合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)［4-6］具有在大范围内实现亚厘米级甚至毫米级的地表形变监测能力，且时空分辨率高、几乎不受云雨天气限制，已成为区域地表形变监测的重要手段。

本文采用D-InSAR技术对盐城市区进行地面沉降监测，试验数据为2004年1月至2009年5月获取的6景Envisat ASAR数据。在数据处理中，选用空间垂直基线小于300 m的干涉对进行差分干涉处理，在相位解缠过程中采用Delaunay三角网和最小费用流(MCF)算法。本文研究获得了盐城市区的沉降场，试验结果给出了盐城市区的地面沉降空间分布特征及相对形变量。

二、数据处理

采用2004年1月到2009年5月期间获取的盐城地区6景Envisat ASAR数据进行试验研究。为减小空间去相关和地形误差项的影响，选择空间垂直基线小于300 m的3个干涉对进行差分干涉处理。表1显示了3个干涉对的空间垂直基线和时间基线。表中灰色区域为时间基线，以天为单位;白色区域为空间垂直基线，以米为单位。图1为获得的3幅差分干涉图。

为了消除干涉图中地形相位的影响，利用3弧秒的SRTM DEM数据［7］、DELFT和DORIS精确轨道数据反演只含有地形相位。该DEM数据的绝对高程误差小于16 m，本文使用的干涉像对的最大空间垂直基线约为300 m，按照其高程模糊度换算，理论上由DEM误差引入的误差相位可达到1/2个干涉条纹周期。由于盐城地区处于华东平原上，地形起伏很小，而SRTM DEM在平原地区的高程精度比其他地貌区高，绝对高程误差小于5 m，因此，研究中由DEM误差引入的相位误差可被忽略。

为了确保监测结果的可靠性，选择高相干像元进行分析。首先计算去除平地相位后的干涉图，然后采用自适应滤波器对干涉图进行噪声抑制，并同时计算相干系数，最后设定阈值为0.5，选择在所有相干图中相干值大于0.5的像素进行后续操作。图2为3个干涉对的相干系数图。由图2可见，本文研究区不但有相干性较好的居民区，还有大面积的农田、水域和其他植被覆盖区等低相干地区。本文采用了基于Delaunay三角网和最小费用流(MCF)算法，对不能形成连通区域的高相干点进行解缠。利用最小费用流法解缠时，利用图2显示的相干系数图作为权重文件，分别对两组干涉对中的高相干像元的解缠相位值进行累加，就得到这些高相干像元所对应的地面形变相位。根据ASAR IS2成像模式的参数进行换算，可得到在地表只有垂直形变假设下的形变量。

图1 SAR差分干涉图

图2 相干系数图

三、试验结果

由图3(a)和图4(a)可以看出，2004年1月—2005年1月，平均沉降量为－3.9 mm，最大沉降量为－42.2 mm，2005年6月—2005年11月，平均沉降量为－13.1 mm，最大沉降量为－50.3 mm，2008年12月—2009年5月，平均沉降量为－11.9 mm，最大沉降量为 －40.5 mm。由此可知，2004年1月—2009年5月，盐城市总体表现为沉降趋势，且沉降速率在不断加快。

图3 盐城地区形变图(单位：m)

为了详细分析盐城市主城区的沉降趋势，将主城区的形变速率图叠加到城市交通图上，结果如图5所示。2004年1月—2005年1月，盐城主城区整体沉降量相对较小，不存在较大的沉降漏斗，仅在双元路、盐马路、大庆中路与解放南路所包围的区域，存在一个平均沉降量为－5 mm左右的沉降小漏斗，如图5(a)中椭圆形区域所示;2005年6月—2005年11月，盐城主城区沉降速率加大，且沉降中心转移，在2004年1月—2005年1月出现的沉降漏斗沉降趋势区域平缓，但在小洋河沿线以及人民北路沿线出现了新的区域性沉降区域，最大沉降量可达－39.4 mm，如图5(b)中椭圆形区域所示;2008年12月—2009年5月，盐城主城区区域性沉降区域的范围有所减小，但出现了新的沉降漏斗，如图5(c)中矩形区域所示，矩形区域内的平均沉降量可达－12 mm，在以后的监测中应对这一区域进行重点监测。

图4 形变速率统计

图5 盐城主城区沉降图(单位：m)

据有关资料显示，2004年先后封掉44眼地下水深井，地下水开采量减少，因此2004年1月—2005年1月，盐城市的地表沉降相对较小。据江苏省水利厅调查，从2005年开始又迎来了盐城市地下水开采的第二个高峰期，由于地下水的过度开采，导致2005年6月—2005年11月和2008年12月—2009年5月，盐城市地表沉降速率的加大。由此可知，D-InSAR的监测结果与实际情况相符合。

四、结束语

本文利用D-InSAR技术研究了2004年1月—2009年5月盐城市的地面沉降趋势。由于获取的SAR数据有限，本文仅利用常规D-InSAR技术对盐城市的地面沉降进行了分析，没有考虑时间-空间去相关及大气效应对监测结果的影响。随着更多Envisat SAR数据的获取，将采用永久散射体技术分析盐城市的地面沉降趋势，减少大气延迟相位对监测结果的影响。此外，在有水准或GPS监测数据的情况下，将利用本文监测的结果与其进行比较，以验证结果的可靠性。

［1］ 黄广勇.盐城市地下水降落漏斗现状分析［J］.水文水资源，2002(2)：36.

［2］ 邓正殿.盐城市浅层地下水开发利用探讨［J］.水文水资源，2009(7)：16-17.

［3］ 付延玲.盐城市地下水资源预测评价［J］.资源调查与环境，2005，26(1)：54-59.

［4］ MASSONNE D，HOLZER T，VADON H.Land Subsidence Caused by the East Mesa Geothermal Field，Calfornia，Observed Using SAR Interferometry［J］.Geophys Res Lett，1997，24(8)：901-904.

［5］ TEATINI P，TOSI L，STROZZI T，et al.Mapping Regional Land Displacements in the Venice Coastland by an Integrated Monitoring System［J］.Remote Sensing of Environment，2005，98(4)：403-413.

［6］ 罗海滨，何秀凤.基于DInSAR方法监测南京地表沉降的结果与分析［J］.高技术通讯，2008，18(4)：418-421.

［7］ 何敏，何秀凤.利用星载InSAR技术提取镇江地区DEM及其精度分析［J］.计算机应用，2010，30(2)：537-539.

Monitoring Ground Deformation of Yancheng Using D-InSAR

HE Min，HE Xiufeng

0494-0911(2010)11-0001-03

P258

B

2010-07-13

国家自然科学基金(50579013);中国科技部-欧洲空间局“龙”计划二期合作项目(ID5343);江苏省资源环境信息工程重点实验室(中国矿业大学)开放基金资助项目(JS200902)

何 敏(1980—)，女，四川内江人，博士，主要从事形变监测方面的研究。