基于PS-InSAR技术的常州市地面沉降监测与分析

韩 帅，陈媛媛，高业何敏

(1.南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

0 引 言

随着我国城市化进程的加快，地面沉降已对城市发展造成了不容忽视的影响。传统的地面沉降监测方法多采用大地水准测量和GPS测量技术，这两种手段发展成熟且单点精度高，但也具有不可忽视的缺点，如：监测周期长，野外作业环境恶劣，人员作业效率低而且作业强度大，很难对大范围研究区域的整体沉降进行精确监测。近年来随着遥感科学技术的发展，合成孔径雷达干涉测量(Synthetic aperture radar interferometry，InSAR)技术被逐渐运用到地表三维建模等方面，在此基础上发展起来的D-InSAR技术可以获取大范围和一定时间尺度的地表形变信息，但是随着时间跨度的增大，影像间的时间失相干和大气误差的影响逐渐增强，从而导致监测结果误差较大，且D-InSAR技术的监测精度较低，只能达到厘米级。为了克服这些不足，在D-InSAR技术的基础上发展起来的PS-InSAR技术主要利用长时间序列影像中保持高相干性的目标来获得可靠的相位信息，从而消除大气误差和时间失相干的影响，获得可靠的地表形变信息，精度可以达到毫米级[1-4]。

本文基于PS-InSAR技术对长三角城市——常州市部分区域的地面状况进行监测，采用53景长时间序列的Envisat ASAR影像数据展开实验，并将其结果与水准数据进行对比分析，验证PS-InSAR技术在城市沉降监测方面的有效性，为相关部门制定城市灾害防范策略提供一定的理论依据。

1 PS-InSAR技术原理

PS-InSA技术是由意大利的Ferretti等人提出的一种形变监测技术[5-6]。该方法的基本思路是：从N幅SAR影像中选取最佳的主影像，然后进行配准、重采样和干涉处理，得到N-1幅干涉图像，使用该研究区的DEM数据去除地形相位，同时去除平地相位，得到干涉图像每个像素的差分相位[7-8]。第j幅图像的第i个像素的差分相位表示为：

(1)

式中，φdef表示地表形变相位，φtopo表示去除地形相位后的残余地形相位，φatm表示大气延迟相位，φorb表示轨道误差相位，φnoi表示噪声相位。

通过分析像元的噪声特征来识别稳定的点目标，选择那些在时间序列上保持相位稳定的点，然后计算每个像元的整体相关系数，保留那些相关性高的点目标，同时设置容错值，减小错选的概率，从而完成对PS点的筛选，根据噪声标准差消除相邻候选点目标引起的影响，最终选取稳定的高相干的PS点[9-11]。接下来初步估算PS点的平均沉降速率和残余的地形误差，通过在时间上进行高通滤波和空间上进行低通滤波，估算和去除大气延迟相位的影响，从而第二次估算PS点沉降速率和地形误差，最后通过地理编码将雷达坐标系下的PS点沉降信息转换到地理坐标系[10,12]。具体实验流程如图1所示。

图1 PS-InSAR技术流程图

2 实验区与数据

2.1 研究区域

常州市位于中国江苏省南部，地理范围为北纬31°09′～32°04′，东经119°08′～120°12′，地面海拔3～10 m，部分山区海拔200～500 m。它是长江三角洲经济带的重要城市之一，也是先进的制造业基地和文化旅游名城。近些年，随着常州市经济的快速发展，城市建筑面积快速扩张，城镇居民人口不断增多，导致对地下水过度开采，地下水位大幅下降，部分地区出现不同程度的地面沉降。本文研究区域位于常州市的东半部区域，主要包括钟楼区东部、天宁区西南部、武进区东北部以及新北区南部等区域，如图2所示。

图2 研究区范围及水准点位置

2.2 数据选取

本文实验采用的数据是从2004年5月到2010年4月的53景常州市Envisat ASAR数据，雷达入射角大约为23°，影像覆盖范围为15 km×15 km，包含了常州主城区和主要的交通干线。DEM数据为SRTM系统获得的分辨率为30 m×30 m的高程数据。实验选取2007年5月10日的影像为主影像，共生成52对数据对，其时空基线关系如图3所示。为了检验PS-InSAR技术的沉降结果，本文利用实地测量的水准数据来对PS-InSAR沉降监测结果进行精度检验，水准点位置如图2所示。

图3 干涉组合时空基线示意图

3 实验分析

通过对常州市的53景影像进行裁剪得到覆盖研究区域的影像，并对裁剪后的影像进行PS-InSAR处理，选取39 269个PS点。PS点的分布情况及其沉降速率如图4所示，蓝色系表示地面抬升，红色系表示地面沉降。由图4可知，PS点主要分布在建筑物、铁路、公路以及植被覆盖较少的地区；植被覆盖度大的公园和水量丰富的运河等地区没有PS点。研究区的沉降速率范围为-10.92 mm/year～11.42 mm/year，从整体来看常州市大部分地区已经呈现出地面回弹现象，沉降区域主要处于天宁区中西部和武进区与天宁区东南部的交界处等区域。

图4 PS点分布情况及研究区沉降速率

从2004年到2009年选取了6幅常州市研究区域地表沉降量图(选取每年6月份遥感数据的结果)，如图5所示。图5中显示为红色的区域表示地表下沉，显示为蓝色的区域表示地表抬升，从图中可以看出钟楼区与新北区交界处的区域和天宁区与武进区交界处都表现为地表下沉的趋势，从这些不同时期的图像可以看出在没有发生地震或者大型自然灾害时期地表沉降是一个缓慢而连续的过程。

图5 研究区2004-2009年间地表累计形变量时间序列变化

从实验结果可以看出该地区主要分为两大沉降漏斗，如图6所示，分别在钟楼区与天宁区西部交界处的区域(A区)和天宁区东南部与武进区交界处(B区)，从卫星影像可以看出A区主要为居民聚集区，B区主要为沿运河的工业区(影像中蓝色建筑为工业区厂房)。A区为河流形成的冲积扇地区，B区为河流下游交汇处，都堆积了较厚的松散堆积物，土质层次多，地质比较松软。且这两个区域人口聚集，地下水资源开采过多，导致水层的承重力减少，土壤承重力变大，土壤颗粒被压缩，因此导致这些地区地面下沉严重。对比图6中A区与B区的PS点分布情况，可以看出B区的地面沉降比A区的地面沉降更加严重。

图6 研究区沉降漏斗及漏斗中心分布

实验对两个沉降漏斗中心(L1和L2)的沉降趋势进行了分析(图7)，结果表明，漏斗中心L1与漏斗中心L2虽然在短时间段内有小幅度的地面回升现象，但整体上都呈现出持续沉降的趋势，两者的整体沉降速率和趋势基本相同，最大沉降量都达到了-40 mm左右。

图7 漏斗中心L1和L2的时序沉降趋势图

为了检验PS-InSAR技术测量结果的可靠性，利用研究区域内6个水准点(图2)的精密水准数据进行对比验证，如表1所示。选取水准点2004年至2006年观测的沉降数据与PS-InSAR提取的PS点在相同时间间隔内的沉降量进行对比。由表1可知，水准点和PS点年均沉降量相差不大，误差在2 mm以内。为了更好地比较地表形变趋势，利用表1中的数据做出水准点和PS点的沉降量折线图。如图8所示，水准点和PS点的沉降量相差较小，沉降趋势基本吻合，表明PS-InSAR技术监测结果具有较高的可靠性，监测精度可达毫米级。

表1 PS点与水准点结果比较

图8 PS-InSAR与水准监测结果对比

4 结 语

本文以常州市不同时间序列的多幅SAR影像数据为数据源，运用PS-InSAR技术进行干涉处理生成大量PS点，得到了2004年到2009年之间常州市地面的动态沉降过程，并且对沉降结果与演化规律进行了探索，对发生沉降的原因进行了分析。本文研究不仅证明了PS-InSAR技术在地面沉降监测的可行性与准确性，也为相关部门对城市规划提供了一定的科学依据。