基于PS技术的深圳市地面沉降监测

周红满，胡金星，柳 想，任 鹏

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.中科院深圳先进技术研究院地球空间信息技术实验室，广东深圳 518055）

地面沉降是沿海城市的主要地质灾害之一。地面沉降的成因主要分为2种：自然因素引起的沉降和人为因素引起的沉降。自然地质因素主要是：地表松散地层或半松散地层的自固压密、地质构造作用或地震、岩溶发育地区的岩溶塌陷等。人为活动因素主要是：大量开采地下资源，大规模工程建设，如地铁建设、沿海城市的填海工程等［1］。地面沉降已成为城市化进程中普遍存在的环境地质问题，由此导致的环境影响和社会危害日渐突出且日趋严重，成为制约社会经济可持续发展的重要地质灾害之一。

运用合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）及其差分技术（D－InSAR）进行地面微位移监测已经取得了不少令人瞩目的应用成果，对不同地区地面形变监测的研究结果表明，合成孔径雷达干涉测量及其差分技术在地震形变、冰川运移、活动构造、地面沉降及滑坡等研究与监测中有广阔的应用前景［2］。但是由于时间失相干、空间失相干以及大气效应的影响，极大地限制了InSAR及D－InSAR的测量精度［3］。为了提高测量精度，由A.Ferretti等人在2000年提出的一项InSAR领域的新技术—永久散射体（Permanent Scatterer，PS）干涉雷达测量技术［4－5］，目前已成为了一种新型的高精度形变监测技术。

1 点目标干涉测量分析技术

永久散射体干涉雷达技术（PSInSAR）是基于永久散射体（PS）提出来的，所谓永久性散射体是指某些地面物体对雷达波在相当长的时间内保持稳定的反射特性，不因时间和气候的变化而变化。点目标干涉测量分析技术IPTA（Interferometric Point Target Analysis）是一种改进的PS技术，其优点在于：①对于郊区或者是乡村的低相干区域，也可以提取足够数量的PS点；②可以利用更多的干涉对，即使长基线的干涉对；③仅针对提取的点目标的时间维和空间维的特征进行分析。这种技术已经被应用于监测广州市的地面沉降和香港国际机场的地面沉降。

本文利用点目标干涉测量分析法处理ASAR影像来得到深圳市城区的地面沉降图。IPTA是永久散射体干涉测量技术之一。该技术仅对干涉图中的点目标进行解译，因此，长空间基线的干涉对也可以使用，甚至超过极限基线。

IPTA的干涉相位模型和传统InSAR一样，解缠的干涉相位（φunw）是由地形相位（φtopo）、地表视线向形变相位（φdef）、大气扰动相位（φatm）和系统热噪声相位（φnoise）组成，即

其中，地形相位与垂直基线成正比。线性回归与垂直基线有关的部分。回归直线的斜率即为高程纠正值。因此，假设形变速率是一个定值的前提下，对短空间基线的干涉对中的点目标进行基于垂直基线和时间的二维回归分析。然后，对大数据，利用缠绕相位进行非线性回归。但是，对于小数据集，空间相位解缠要优于非线性回归。残余相位包括大气延迟相位、非线性形变相位和噪声相位。根据各部分相位在时域和空间域的不同特性，迭代方法用于分离各不同参数同时精化个参数，进而精化整个相位模型。

图1给出了IPTA方法的处理流程［6］。包括SAR SLC影像配准、候选点目标的选取、初始高程估计、初始基线计算、干涉点分析和模型精化。而结果包括高程纠正值、线性形变速率、大气相位、精化的空间基线、相位质量信息（时间相干性）和非线性形变历史。IPTA的一个重要步骤是不同参数的逐步迭代提高精度。主要提高包括低精度DEM的高程纠正、空间基线的精化和点目标列表的扩充。

图1 IPTA方法处理流程

之前的IPTA研究将地面控制点和IPTA结果比较，已证实平均形变速率的精度为1～2mm/a，而时间序列的形变精度为2～3mm［4－5，7］。

2 研究方法

2.1 ASAR数据和数据预处理

本文采用的试验数据为2008－01至2010－07期间获取的20幅深圳地区ENVISAT ASAR数据（VV极化、成像模式为IS2），研究区域如图2所示。综合考虑时间基线、垂直空间基线、多普勒基线等因素，选取时间为2009－03－04的影像作为主影像，表1显示了20个干涉对的空间垂直基线、时间基线和多普勒基线。为了从干涉相位中去除地形相位分量，使用了空间分辨率为3rad/s的SRTM DEM数据。

表1 ENVISAT ASAR影像数据参数

续表1

2.2 深圳市地表沉降监测结果

利用IPTA方法对表1中20景ASAR数据进行处理得到了相干点目标的雷达视线方向的形变，图3给出了2008－01到2010－07深圳市城区在雷达视线方向的平均形变速率叠加在Google earth卫星图上的效果。可以看出相干点目标分布非常密集但不均匀，在密集建筑群体、道路等地表稳定后向散射特征区域，相干点非常密集，而在一些易变化的反射体，如水体、植被覆盖区等，稳定点目标很少。这说明了选取的相干点目标的正确性。实验区内共监测到673 133个相干点，平均密度大约为200个/km2，点密度远高于水准测量观测点的密度。相干目标的沉降场如图3中所示图例中色标显示。最大的沉降速率为－17.9～－10mm/a，最大的抬升速率为6～9.8mm/a。根据Q.Zhao，2009，由地壳运动引起的地面形变速率大约为5mm/a。从图中可以看到研究区内有些地区存在严重的地面形变，这些区域的平均形变速率是正常的地壳运动引起的地面形变速率的2～3倍。

图4是相对于2008－01－09的19景雷达视线方向的地面沉降速率图，该图反映自2008－01－09至2010－07－07，深圳市城区沉降速率场的时间维跨度为2a的演变过程，每景图显示的是视线向沉降速率累加值。

图4 相对于2008－01－09的19景雷达视线方向的地面沉降速率图

因为本文中采用的影像只有20景，数据量较少，为了去除时间维不稳定的点目标，设置了较高的后向散射和较低的光谱相位差异，而使得填海区域检测到很少的相干点。但填海区的沉降趋势还是很明显，主要集中在宝安区的西北部，与东莞市相邻的茅洲河附近，以及宝安中心区、南山区、福田区、罗湖区也存在普遍的地面沉降现象。整体的地面沉降趋势与之前的研究成果一致。

图5给出了深圳市与东莞市相邻的茅洲河附近的地面沉降图，可以看到沿茅洲河出现较长的条带状沉降。由于茅洲河附近土质松软，且受河水长期冲刷，导致该区域地面沉降现象明显。

从图6中可以看到有个较长的条带状沉降，且与深圳地铁1号线路相符，由此可推断该条带沉降是由于地铁修建引起的。另外有3个明显的沉降漏斗位于宝安区和南山区，位于西乡街道的沉降漏斗半径大约为500m，漏斗中心部分沉降点平均形变速率达到－14～－10mm/a，图7为该沉降漏斗沿图6中黑线方向的剖面散点图，可清楚反映出漏斗的形状。

3 结论与展望

通过IPTA技术和ASAR影像得到深圳市城区的地面沉降，本文得到以下几点结论：

1）利用ASAR影像数据得到了2008—2010年深圳市城区的地面沉降图。最大沉降速率为－17.9～－10mm/a。最大的抬升速率为6～9.8mm/a。证明深圳市城区存在严重的地面沉降，与前人的结论一致。

2）深圳市城区的地面沉降主要集中在宝安区西北部和南部的填海区、南山填海区、盐田区、福田区。填海区由于地基不扎实，土质松软，故沉降较严重。检测结果与实际情况相符，证明了检测结果的正确性。

本文定量地给出了深圳市城区的地面沉降，尽管没有水准数据和GPS数据与IPTA的测量结果做比较，但地铁沿线严重的地面沉降，以及发生的地面塌陷事件与现实相符，都证明了测量结果的精确。同时，也证明了IPTA方法能够很好地应用于城市地面沉降监测，是地表缓慢形变研究中实施大范围、高精度和快速监测的一项非常有前景的技术。

［1］何庆成，叶晓滨，李志明，等.我国地面沉降现状及防治战略设想［J］.高校地质学报，2006，12（2）：161－168.

［2］朱大奎.深圳海岸海洋环境与空间规划研究［J］.第四纪研究，2005，23（1）：45－53.

［3］Crosetto M，Crippa B，Biescas E，et al.State of the Art of Land Deformation Monitoring Using Differential SAR Interferometry［R］.ISPRS Hannover Workshop 2005：High Resolution Earth Imaging for Geospatial Information 17－20May 2005，2005.

［4］Ferretti A，Claudio P，Rocca A.Nonlinera subsidence rate estimation using Permanent scatters in differential SAR interferometry［J］.IEEE Transaetions on Geoseienee and Remote sensing，2000，38（5）：2202－2212.

［5］Ferretti A，P rati C，Rocca F.Permanent Scatterers in SAR Interferometry［J］.IEEE TGARS，2001，39（1）：8－20.

［6］Werner，C，et al.Interferometric point target analysis for deformation mapping［R］.Toulouse，France，Proc.IGARSS，2003.

［7］Zhao Q，Lin H，Jiang L，et al.A study of ground deformation in the Guangzhou urban area with Persistent Scatterer Interferometry［J］.Sensors，2009，9（1）：503－518.

［8］刘国祥，丁晓利，陈永奇.使用卫星雷达差分干涉测量技术测量香港赤腊角机场沉降场［J］.科学通报，2001，46（14）：1224－1228.

［9］Zhao Qing，Lin Hui，Chen Fulong，et al.InSAR Detection of Residual Settlement of Ocean Reclamation Areas in Shenzhen，China［C］.Shenzhen：2011 19th International Conference on Geoinformatics，2011.