基于PS-InSAR技术的城市沉降监测与空间分析

陈媛媛, 魏浩翰，翁 建

(南京林业大学土木工程学院, 江苏 南京 210037)

0 引 言

随着城市人口的增多，城市不断扩张，城市地面承载力逐渐增大，地下水资源过度开发，城市地面沉降问题逐渐突出[1-3]。目前地表形变监测大多使用传统布网或单点测量等手段，这些手段对空间信息不敏感、详细度不够，费时费力。InSAR 技术具有全时段观测、精度高、测量范围广等优点，很好地弥补了传统技术的不足，因而逐步得到专家以及业内人士的认可和利用[4,5]。苏州和湖州处于我国东部地区，环绕太湖，位于长江三角洲冲积平原地区，区位优越，资源丰富，交通便捷，经济发展迅速，因此该地区人口逐年增多，水资源供应不足的情况下，过度开采地下水，造成城市地面沉降日趋严重。本文采用InSAR技术对不同原因引起的城市地面沉降进行研究，得到城市地面沉降状况及态势，为相关部门进行城市规划及沉降治理提供相应的参考。

1 理论及方法

针对常规InSAR手段中相位失相干和大气延迟影响，Ferretti提出了仅仅跟踪成像区域内雷达散射特性较为稳定的目标而放弃那些失相干严重的分辨单元的方法，即PS-InSAR方法。该方法基本思想是对K+1幅配准的SAR影像，采用外部高程数据精度相对较高的DEM进行差分干涉处理，生成时间序列差分干涉图。采用PS识别法识别一定数量的PS点，每个PS点在选取的N幅差分干涉图中的差分干涉相位可组成一个时间序列，再提取实验区内每个PS点的差分干涉相位。根据干涉相位中各组成部分的统计特性，建立差分干涉相位与DEM高程改正以及相应的地表形变的函数模型，求解各PS点DEM高程改正值和地表变形速率。

由于采用PS-InSAR方法获取的PS点在空间分布上比较杂乱，为了获取区域性的形变速率，需要对线性形变速率进行插值。本文采用克里金插值的方法。实验技术路线如图1所示：

图1 技术路线

2 实验与分析

2.1 研究区域及实验数据

本文以太湖周围部分地区为研究区域，以2004年到2008年获得的30景欧空局ENVISAT卫星C波段雷达传感器ASAR单视复影像(Single Look Complex，SLC)为实验数据。外部DEM数据采用SRTM DEM数据。所获取的30景SAR数据的时空基线情况如图2所示，详细信息见表1。

表1 用于PS-InSAR分析的ASAR影像时间、空间基线详表

图2 单一主影像干涉组合时空基线示意图

2.2 实验分析

根据数据对的连接关系，对每一对数据对进行干涉工作流处理，包括数据对配准、干涉图生成和干涉图去平。在数据配准步骤中，确定2007年3月1日获取的影像为主影像，将所有的辅影像都配准采样到主影像像素空间，配准误差控制在0.2个像素以内。干涉图去平中使用SRTM DEM数据。第一次模型反演获得位移速率和残余地形，用来对合成的干涉图进行去平。在利用第一次线性模型反演产品估算大气相位成分以后，通过第二次反演对大气相位去除进行再优化，得到最终形变速率。图3为利用PS-InSAR方法获取的PS点，从中选取一个PS点(图中三角形标志处)绘制时间速率图(图4)。截取部分区域的2 073个PS候选点进行分析，将PS点地理编码后叠加到地图上(图5)。

图3 选取的PS点

图4 所选PS点的时间速率折线图

图5 局部PS点分布图

图中线框区域即为截取的区域，从实验结果图上可以得出：PS点在城镇地区分布较密集，在农村分布比较稀疏，在水体区域分布几乎为0，可见PS点识别效果较好。由上图可以看出PS点目标在空间分布上是散乱、无规则的，为了获取空间形变场，我们需要对形变速率进行克里金空间插值分析。

在空间插值前，利用ArcGIS地统计分析模块的探索数据分析功能模块对选取的2073个PS点的线性形变速率进行统计分析(图6)。

图6 PS点形变速率直方图

图6表明，实验区内PS点目标的线性形变速率近似服从正态分布，且不存在全局离群值。空间数据探索分析完成后，进行克里金插值(图7)。

图7 克里金插值后形变速率图

从图中可以看到实验区沉降速率基本都小于8 mm/a，几个沉降速率较大的区域为：浙江湖州的夹浦镇、昆山的金庭镇、苏州的临湖镇和胥口镇，由于地下水开采引起地下水位下降，导致地层内部压力失衡，含水层本身及顶、低板粘性土层失水压密而引起的。本文研究区是一个跨太湖的条带区域，陆地范围不大，结果显示只在胥口镇有一个小的沉降漏斗，沉降速率达到了7 mm/a。该结果与相关部门采用传统监测手段获取的结果基本一致。

3 结 语

本文利用PS-InSAR技术对太湖周围部分地区进行了地表沉降监测，采用GIS空间分析方法，对PS点目标线性沉降速率分布情况和离群值进行分析，选用克里金插值法对线性形变速率进行内插，获得了该地区高分辨率的形变速率图。研究结果显示，该地区在2004—2008年期间沉降速率基本都小于8 mm/a，没有出现大面积的沉降漏斗，与相关部门监测结果相吻合。