基于干涉点目标技术的地面沉降监测应用研究

唐升峰，王冠雅，刘全海

(1.广东省地质测绘院，广州 花都 510800； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083； 3.常州市测绘院，江苏 常州 213002)

基于干涉点目标技术的地面沉降监测应用研究

唐升峰1*，王冠雅2，刘全海3

(1.广东省地质测绘院，广州 花都 510800； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083； 3.常州市测绘院，江苏 常州 213002)

选取覆盖广州地区的29景ENVISAT/ASAR影像，基于干涉点目标技术(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)提取了广州地区的地表形变结果，并对结果进行了分析与讨论。通过对4个沉降现象明显地区以及相应沉降严重地段的分析可知，广州地区地面沉降的发生由两种因素导致，一是该地区独特丰富的水文地质构造条件；二是设施建设、工业生产、经济发展等人类活动使该地土壤负载力增加，地下水需求与开采加剧，从而在多处地段呈现出不同程度的地面沉降现象。

地面沉降；形变监测；InSAR；干涉点目标技术

1 引 言

随着合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术的快速发展，合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR)技术作为InSAR技术的延伸，在地表形变监测方面表现出全天时、全天候、高空间分辨率和大范围监测的优势，目前已被广泛用于城市地面沉降监测。但是，传统DInSAR技术存在监测精度易受时间失相关、空间失相关和大气扰动影响严重等问题[1]。针对上述问题，Ferretti等[2]于2000年首次提出了永久散射体干涉合成孔径雷达测量(Persistent ScattererInterferometric SAR，PSI)技术，该技术不仅可以间接地有效克服传统DInSAR技术存在的缺陷[3]，还具有时间采样率高和空间分辨率高等诸多优点，使得传统DInSAR技术在长时间缓慢累积地表沉降监测方面的应用更具优势[4]。但是，由于该技术对SAR数据量的要求过高，数据处理时间长，不适用于短期实际测量工程[3]。为了弥补该技术的缺陷，近年来，国内外学者提出了更为成熟的时序干涉形变提取方法，如干涉点目标分析(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)方法[5]、相干目标(Coherent Target Monitoring，CTM)方法[6]、短基线集(Small Baseline Subset，SBAS)方法[7，8]等。在各种算法的基础上，研究人员也开发出多种PSI技术处理软件对算法进行实现，如GAMMA、StaMPS[9]等。本文所用IPTA方法为国际知名SAR处理软件GAMMA的一个模块。该方法通过探测出在时间序列InSAR影像中表现出很好相干性的相干点目标，分离出残余相位各个分量值，达到去除大气扰动项，获得精准形变结果的目的。探测图像上频谱稳定的点目标，并对其相位信息进行时间维与空间维的复合分析，获得研究区域的可靠形变信息，达到降低时空失相干与大气扰动影响的目的[10]。

广州地处广东省中南部，濒临南海，位于珠江三角洲北缘，是我国南方最大的海滨城市，也是中国的南大门。伴随城市化的发展进程，城市规模不断扩张，人口密度急剧增加，加之广州所在珠三角地区地质环境条件复杂，淤泥和淤泥质软土层分布广泛，城区内许多地段已产生地面沉降并呈现加剧趋势，对房屋、交通、水利和地下管线等基础设施造成了较为严重的破坏。因此，为准确把握这一地区地面沉降动态，向政府制定具体防治措施和保证重要大型工程项目的建设安全提供决策依据，对该地区地面沉降进行监测具有重要的现实意义和必要性。由于广州属于亚热带季风气候，温度高、雨量充足、植被茂盛，其独特的地理气候条件使得该区域SAR数据受时空失相干和大气影响严重，本文将基于IPTA技术对该地区地面沉降进行监测，并根据监测结果对地表形变的特征与驱动因素进行分析。

2 数据源及数据处理

2.1 研究区域

本文研究区域位于广东省中南部，覆盖了广州市的全部城区和佛山市部分区域，如图1所示。该区域位于珠江三角洲北部边缘，总体呈现出东北高、西南低的地势特征。东北部为丘陵地带，海拔标高一般在 300 m以下，地形高差 250 m左右，坡度15°～35°。西部为河流沉积而成的冲积平原，南部为珠江三角洲平原且含少量丘陵与台地。亚热带季风的多雨气候使得该地区水网密布，珠江、东江与流溪河在此处呈树枝状交汇。赋存于地层间的地下水因岩性复杂而种类丰富。在地质构造方面，广州地区的中、新生代构造运动强烈，构造裂隙发育，例如广从断裂、瘦狗岭断裂等相互交错，构成不同类型的水文地质单元[11，12]。伴随广州市经济的发展，城区扩张和人口增长带来的工业和生活用水需求增大，近年来地面沉降等地质灾害频繁发生。进行区域大面积地面形变监测工作迫在眉睫。

图1 研究区域数字高程模型及SAR影像覆盖

2.2 实验数据及处理

本实验选用2007年4月23日～2010年8月30日的29景C波段ENVISAT/ASAR数据进行实验，影像获取的相对轨道号(Track)为297。C波段雷达影像波长短，适合城市地表形变监测分析，具体信息如表1所示。

本文选取的ASAR数据参数 表1

GAMMA中的IPTA方法模块主要包括点目标探测、点目标相位分析、回归分析、残差相位分析等步骤。根据点目标的强反射特性和在时间序列中稳定的散射特性[12]，该方法通常采用振幅信息分析方法对点目标进行探测，通过对干涉点进行相位回归分析计算出高程改正值、线性形变速率和残余相位等，根据残余相位中各分量在时间域和空间域表现的不同特性进行时空滤波，不断迭代精化模型，最终获得去除大气效应的精确形变值。IPTA数据处理流程如图2所示。

图2 IPTA数据处理流程图

首先，输入多景配准后的单视复数影像(Single Look Complex，SLC)和相应的SLC参数文件以及相应研究区域的数字高程模型(DEM)。本文选择2008年9月29日获取的影像作为主影像，具体时空基线分布如图3所示。根据配准后的SLC，可以确定一个由高强度和相位稳定性的候选点组成的目标列表。同时，在候选点目标列表对应的掩膜列表中对该点进行有效标志，使其可以在拒绝低质量点的同时保持其余相关点数据堆的稳定性。初始选点完成后，提取候选点的强度值和相位值，并与基线信息分别保存为二进制文件，随后计算差分干涉图，借助初始基线数据和可用的DEM对差分干涉图解缠后获得的干涉相位进行模拟。由于差分干涉后足够大的数据堆在时间上具有贯穿性，应首先对其进行时间域分析，利用线性回归得到的回归线斜率进行相对高度改正。回归分析得到的相位离差用作探测或拒绝不合适作为IPTA点目标的质量评估标准，再利用所得的高程改正值、线性沉降率、残差相位和解缠干涉相位等信息对模型进行精化。通过迭代改进差分参数，获取高质量的形变结果，迭代过程中为了包含更多的点会对点列表进行扩展。

图3 时空基线分布图

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

基于干涉点目标技术的广州市地面沉降监测结果如图4所示。图4显示为研究区域的地面沉降速率，单位mm/y。其中，正值(绿色)代表靠近卫星方向的形变，负值(紫色)代表远离卫星方向的形变。本文成果图为Google Earth软件平台展示效果图。

本文选择了4个地面沉降明显，具有代表性的区域进行详细描述。如图4中红色实现方框所示：A为广州白云区，B为广州海珠区，C为广州番禺区，D为佛山顺德区。由图可知，研究区域内的沉降区分布零散，主要集中在河流沿岸的经济商业中心或工业厂房密集地区。大部分地区沉降速率在 5 mm/y～15 mm/y之间，少部分地区沉降速率超过 20 mm/y。总体看来，广州市区形变较小，比较稳定，山区周边还存在细微抬升，抬升速率约 5 mm/y。

注：绿色代表靠近卫星方向，紫色代表远离卫星方向，单位mm/y。A广州白云区，B广州海珠区，C广州番禺区，D佛山顺德区北滘镇。

图4 基于干涉点目标技术的广州市地面沉降速率图

为更形象地对形变结果进行解译，本文提取了P1、P2、P3、P4四个点的形变速率图分别代表A、B、C、D四个区域中形变速率较大的点目标，如图5所示。研究区域覆盖佛山部分城区，通过比对可知广州地面沉降较佛山而言程度较轻，面积较小且零散。就广州当地而言，白云区地面沉降强度相对较大且分布零散，大洲岛、板冲地段沉降较为严重，P1点显示沉降速率大约为 20 mm/y；海珠区大部分都存在地面沉降现象，但沉降强度较小，最大沉降速率不超过 15 mm/y；图4右下角显现明显沉降，该地段位于广州番禺区。

图5 A.B.C.D四区域代表性沉降点：P1广州白云区；P2广州海珠区；P3广州番禺区；P4佛山顺德区。

3.2 结果分析及验证

广州地区地面沉降主要分布在沿江、河与道路沿线地区，商业中心与工厂分布密集区。自然地理条件与人类活动等因素的综合效应导致该地区地面沉降呈现上述分布状态。

广州地处亚热带季风气候，全年雨量充足，地表水系发育，多条江河流经广州市区并在此交汇，地下水资源极为丰富。但是，研究区域多为平原和低丘台地地区，由于河流流速放缓，泥沙在此淤积而形成的沿江平原地带土壤多为泥质丰富的红色层岩与砂页岩。此类地质环境中的岩石裂隙与裂缝多呈现闭合状态，地表则多覆盖透水性差的黏性厚土层。因此，地表水难以渗透，降水对地下水的渗入补给量微小。但沿江地区地势平坦，适于交通建设、工业生产和人口活动，因此广州城区建设多沿江规划。飞速发展的经济与人口密度的增加导致此类地段的土地承载压力与地下水开采需求的急速增加，当地下水的补给与抽取、排泄和径流的总量不能维持相对平衡的状态时，土层固结压缩，其在地表呈现出的即为不同程度的地面沉降现象。图4所示广州白云区(A)出现的地面沉降主要分布于大洲岛、北洲村与板冲等地，尽管该地区土地利用类型多为农业用地，但是江中岛与江中洲等地质承载能力脆弱地区，因为灌溉抽取地下水等原因同样会出现一定的地面沉降。海珠区呈现的大面积轻微地面沉降主要分布于当地的大型立交桥与地铁施工线路附近，由于基础设施建设带来的地质环境的局部改变也会造成相应地段的沉降。番禺区与佛山顺德相应地段的沉降主要出现在工厂分布密集地区。在此开设的印刷厂、塑料厂等工业厂房众多，大量的工业用水需求与有限的水资源和地质条件导致该地的环境承载力变差，不可避免会出现密集而且速率较快的地面沉降。

综上所述，基于IPTA技术的时序InSAR手段可以有效监测广州地面沉降，反映该地区地面沉降的具体情况。同样是点数据的获取，相比较传统测量手段而言，该方法获得的监测结果具有高密度、高精度和高可靠性的优势，同时节约了大量人力物力[13，14]。监测结果显示，广州白云区、海珠区、番禺区出现了较为明显的地面沉降，其余地区的地面沉降程度较轻且分布离散。通过对沉降现象的分析可知，广州地区产生地面沉降的主要原因一是当地独特的水文地质条件，二是经济发展、工业生产与人类生活对地下水的开采严重。总体而言，IPTA技术获得的地面沉降监测结果与实际相符，证明了该方法在城市地面沉降监测的适用性与实用性。

4 结 论

本文基于IPTA技术对覆盖广州与佛山部分区域的29景ENVISAT/ASAR数据进行处理，成功获取了研究区域2007年～2010年间的地表形变信息。监测结果显示，研究区域内的地面沉降主要出现在工业厂房密集、经济发达的商业中心等沿江地区。沉降速率一般不超过 10 mm/y，严重地区可达到 25 mm/y。通过对4个沉降明显地区及其相应代表干涉点的结果分析，可知广州地区地面沉降的发生由两种因素导致，一是该地独特的水文地质构造条件，地基与土质承载力脆弱；二是设施建设、工业生产、经济发展等人类活动导致该地土壤负载力增加，地下水需求与开采加剧。分析证明，本文使用干涉点目标技术提取相干点密度大、效率高，可以有效获取广州市大面积动态地面沉降情况，为该地区的城市规划与灾害防治提供有力的数据支撑。同时，该技术于广州地区的应用丰富了传统DInSAR技术，具有很强的理论与现实意义。

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Research of Ground Subsidence Monitoring Based on Interferometric Point Target Analysis

Tang Shengfeng1，Wang Guanya2，Liu Quanhai3

(1.Geology Surveying and Mapping Institute of Guangdong，Guangzhou 510800，China； 2.School of Geoscience and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China； 3.Surveying and Mapping Institute of Changzhou City，Changzhou Jiangsu 213002，China)

In this paper，We acquired subsidence velocity map of Guangzhou usingInterferometric Point Target Analysis(IPTA) technique with 29 scenes of ENVISAT/ASAR images collected between 2010 and 2013. The results show that ground subsidence mainly occurs in the area along rivers，commercial centers and industrial plants.Based on the analysis of 4 regions with obvious subsidence and corresponding point targets，we conclude two major factors leading to such phenomenon，one is a variety of hydrogeological conditions of such area；the other is the increased soil loading capacity and groundwater exploitation induced by human activities like facilities construction，industrial production，economic development，etc.

ground subsidence；deformation monitoring；InSAR；IPTA

1672-8262(2017)03-128-05

P237，P642.26

A

2017—02—28

唐升峰(1982—)，男，工程师，国家注册测绘师，主要从事测绘质量检查及生产管理工作。

国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA121301)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014zzts049)。