浅谈雷达遥感卫星影像技术（SBAS）对地表沉降分析

许猛 王运涛

摘  要：近年来，随着城市建设的不断发展，地下水抽采、地铁建设以及火山爆发等人为或自然因素使城市地面不可避免地的发生沉降和形变。常规的地面沉降方法GPS测量和精密水准测量，难以应对城市地面大面积微小沉降工作的需求。合成孔径雷达技术（InSAR）具有可覆盖面广、范围大、获取数据速度快、监测难以监测的区域、监测精度高等优势，这为城市地面沉降监测提供了了新的手段。但研究发现其受时间、空间和大气延迟的影响严重。PS-InSAR技术和SBAS技术突破了这一局限，因此其在城市地面沉降工作中发挥了重要作用。

关键词：D-InSAR;SBAS;动态监测网络;地下水开采;地表沉降

中图分类号：P227    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）01-0000-00

地表沉降是指在自然和人为因素影响下，地下岩（土）体应力状态发生变化失衡而导致地面高程下降的区域性微小沉降运动。导致地面沉降的自然因素主要是地震、火山活动等;人为因素主要是地下水抽取或者矿产资源的开采等。地面沉降灾害在近几年来愈演愈烈，世界上大多数国家和城市都受到地面沉降的影响。我国的地面沉降区多分布在东北平原、长江三角洲、环渤海地区、东南沿海区和内陆盆地，地面沉降给我国带来的经济损失每年超过6000亿元。地面沉降灾害已经严重阻碍了我国城市的可持续发展，对其进行全面的调查与监测，能够及时掌握第一手资料，可为我国城市的可持续发展提供重要参考[1]。

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是20世纪60年代以来发展起来的新型空间对地观测技术，该技术可以探测地表的微小地形变化，其独特的成像方式使得InSAR技术广泛应用于测绘、地质、环境、林业、农业、海洋等领域。

1雷达遥感卫星影像技术（SBAS）对区域影响意义

河南省会郑州市作为中原经济区的重要组成部分，其位置极其重要，是中原经济区建设的重中之重。随着郑州市市区的不断建设，部分区域的自来水管网建设未能及时跟上，加上大量农业科学规划的需要，尤其是生产和灌溉用水，同时随着农村乡镇企业的发展，加剧了地下水的开采，导致了地面的持续沉降，给社会发展和经济发展带来诸多不利影响。因此如何科学规划需要及时掌握地理空间环境及时空变化，尤其是地质和环境灾害尤为重要。

郑州市对地下水依赖程度低于上海、天津等城市，地面沉降问题相对较轻。尤其是2000年以来，郑州市加大封停自备井的力度，地下水水位下降趋势得到了有效控制。然而由于受限于技术、资金等种种原因，郑州市区地面监测工作一直没有进行，这与大都市发展极不协调。探究郑州市区地面沉降监测没有进行的深层次原因，主要是此现象难以探测，需要通过微观尺度的高精度、多时段测量研究才能发现。而传统的水准、GPS等监测技术周期长、费用高，监测点较为离散，更重要的是地面沉降过程是动态的，导致测量具有盲目性。

针对郑州市区地面沉降监测现状的迫切需求，本文提出了利用该地区的高分辨率雷达遥感卫星影像，采用差分干涉测量技术，永久散射体干涉技术，和短基线集技术提取毫米量级的大面积地面沉降数据;并在此技术的基础上改进PS点目标识别模型，以扩大点目标识别数量和应用范围，构建有效的高精度地面沉降动态监测网络。并结合野外水准和GPS RTK测量，对InSAR技术地表形变进行地面验证、检验[2]。

本文研究成果有助于建立郑州市区的地面沉降监测网络，可对此区域地面沉降的范围、发展趋势做出精确划分和判断，从而为进一步完善地面沉降监测与防治技术体系、管理体系，实施重点地区水资源配置与地下水禁采限采、含水层恢复修复工程，提供技术支撑。

2实验数据整理与分析

本次研究收集了郑州地区2012.08-2013.03共9幅德国3m分辨率卫星影像、2006.06-2010.10共35幅4m×20m分辨率ENVISAT卫星影像，对该研究区分别进行了D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技术处理和试验。并在PS-InSAR技术的基础上改进PS点目标识别模型，以扩大点目标识别数量和应用范围，构建有效的高精度地面沉降动态监测网络;最后结合野外水准和GPS RTK测量，对D-InSAR、PS-InSAR和短基线集（SBAS）地表形变进行地面验证、检验。

本次实验收集、购买了实验区域的高分辨率SAR卫星影像，和监测井地下水位资料、野外水准测量资料、野外GPS测量资料、地形图等，完成了计划任务。

对选定的SAR干涉对，进行了配准、重采样、干涉、去平地效应、相关分析、基线分析、去地形相位、相位解缠、相位到形变转换、地理编码等测量措施。测量发现在郑州东区的CBD和郑州南郊存在非常明显的沉降漏斗。部分相位解缠图由雷达视线方向LOS转换为垂直方向形变。可以看出郑州市中心形变基本为0，沉降大的区域主要出现在郑州东区、南区和北区 [3]。

根据2007～2010年InSAR监测结果显示，郑州市区相对稳定，郊区沉降较大，统计存在五个地面沉降漏斗，分布在市区北部、东北部、东部、南部及西部，最大沉降量100mm/a，位于郑州西北部古荥阳、北部花园路三全路附近的柳林、郑东新区龙子湖附近等10处，累积最大沉降量达300mm，这与地方的城市建设和地下空间、地下水开采有直接关联，也符合实地情况。

通过分别采用平均误差以及中误差两种指标对InSAR监测精度进行评价，中误差为±6.0mm/a，误差绝对值平均为6.1mm/a。可以看出，InSAR技术在地面沉降监测精度较高，具有较高的垂向监测精度，远高于水准的采样密度、采样范围以及监测周期，因此更容易识别出沉降漏斗的分布以及沉降发展动态变化规律，能够满足区域性地面沉降监测的大范围、近实时、高精度的需要。

D-InSAR在地表形变监测中具有明显的优势，但是由于失相干和大气效应的影响，在实际应用中对SAR影像的要求较高，限制了该方法的应用，在此基础上发展起来的PS-InSAR技术和SBAS技術较好的克服了这些影响因素，本文利用郑郑州市2012.08-2013.03共9幅德国3m分辨率TerraSAR-X卫星影像;郑州市2006.06-2010.10共35幅4m×20m分辨率ENVISAT/ASAR卫星影像，探讨了实现D-InSAR、PS-InSAR、SBAS技术的理论模型和相关算法，并利用该技术成功反演出了实验区的地面沉降量。

3結论

通过研究主要结论有：（1）通过对研究区进行了D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技术地面沉降监测处理。通过沉降监测可以看出郑州市中心沉降量基本为-1～0cm，沉降最大的区域主要出现在郑州东区、南区和北区，而西南角、东南角也出现了较大的沉降，这是由于相位解缠错误或者误差引起的，因为在山区相位解缠精度较差，容易存在“孤岛”现象。（2）结合野外水准和GPS RTK测量，对D-InSAR、PS-InSAR地表形变结果和短基线集（SBAS）地表形变进行地面验证、检验。分析结果显示InSAR技术在地面沉降监测精度较高，具有较高的垂向监测精度，远高于水准的采样密度、采样范围以及监测周期，因此能够满足区域性地面沉降监测的大范围、近实时、高精度的需要。（3）从实验结果分析，应用SBAS技术存在的优势主要表现在：1）该技术在一定程度上避免了时空失相关和大气延迟的影响;自由组合干涉对多，大大增加了时间采样率;实现了监测周期长、实验范围大、结果精度高的地面沉降信息监测;2）该技术提取的相干目标点数目、范围显著大于传统的GPS点监测、水准测量，能够更详细的描述研究区区域的沉降趋势;3）相比于PS-InSAR技术，该技术能够提取较短时间内的高相干性点目标，能够实现研究较大尺度、低分辨率的地表形变监测。

参考文献

[1]陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].建筑结构，1997，29（1）：63-66.

[2]高作平，陈明样.混凝土结构粘贴加固技术新进展[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[3]张立人主编.《建筑结构检测、鉴定与加固》[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.

收稿日期：2020-12-05

作者简介：许猛（1982—），男，河南永城人，本科，工程师，研究方向：水文测验，水文与水资源工程。

通讯作者：王运涛（1980—），男，河南商丘人，本科，工程师，研究方向：工程质量监督，工程测量。

Elementary Introduction to the Analysis of Surface Subsidence by Radar Remote Sensing Satellite Image Technology （SBAS）

XU Meng1，WANG Yuntao2

（1. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Shangqiu， Henan Province， Shangqiu  Henan 476000;

（2. Shangqiu City Standard Rating Station， Shangqiu Henan  476000）

Abstract：In recent years， with the continuous development of urban construction， man-made or natural factors such as underground water extraction， subway construction， and volcanic eruptions have inevitably caused the settlement and deformation of the urban ground. Conventional methods of GPS measurement and precision leveling of land subsidence are difficult to meet the needs of large-scale and small-scale settlement of the urban ground. Synthetic Aperture Radar （InSAR） technology has the advantages of wide coverage， large range， fast data acquisition speed， monitoring of difficult-to-monitoring areas， and high monitoring accuracy. This provides a new method for urban land subsidence monitoring. However， studies have found that it is severely affected by time， space and atmospheric delays. PS-InSAR technology and SBAS technology have broken through this limitation， so they have played an important role in the work of urban land subsidence.

Keywords： D-InSAR; SBAS; dynamic monitoring network; groundwater exploitation; surface subsidence