基于SBAS的河口周边地面沉降监测探究

晏王波

(江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013)

0 引言

随着社会经济的不断发展，城市的工程建设越来越频繁。诸多的人类活动往往对于地面有一定的影响，典型的如隧道修建、地下水抽取等[1-3]。这些人类的活动往往会引起地面的沉降，即在自然或人为因素共同或单独作用下，逐步、缓慢地实现地面下沉或地陷的现象[4-5]。地面沉降作为一种地质灾害，是由于地质构造松散岩层逐步压缩，在一定范围内的地面高程降低的现象，但其具有缓慢性等特点，难以被察觉，因而通常以年均沉降毫米进行定量衡量[6-7]。地面沉降的地质现象不可逆、影响范围广等特点，容易引起地基塌陷、房屋开裂、管道破损等问题[8-9]。

我国从1920年开始发生地面沉降，到1970年，华东地区的长江三角洲平原及主要城市、京津冀地区的主要平原地区也相继出现地面沉降，从最初的点状沉降到面的大范围沉降，这样导致的沉降范围变大，也容易形成聚集性的地面沉降，对人类的正常生产、生活都有较大的影响，因而，预防地面沉降是极为重要且有意义的[10-11]。

为了有效预警与监测地面沉降，业界很多专家都进行了深入的研究，如利用传统的测量方式进行点位的测量，通过对比分析每年的实际高程，测算出是否存在地面沉降的情况。但需要注意的是传统的测量方式存在成本高、监测面积小等不足，因而，有学者引入合成孔径雷达技术进行检测，即利用覆盖面积大的影像进行持续性的监测，提升了监测范围与监测频次，通过进行不同影像间的差分干涉，实现具体的地面沉降现象捕捉与探索。但由于对合成孔径雷达影像的解译与分析技术存在诸多影响因素，因此，如果不有效地进行误差因素剔除，则会产生错误的结果。业界学者通过短基线(SBAS)技术、永久散射体干涉测量技术对城市的地面沉降监测进行分析，成为获取地面沉降或地表形变的重要技术方向，这些方法也能够有效地实现对雷达影像的处理，有效提升了地面沉降监测的应用场景与效益[12-14]。

随着社会经济的不断发展，灌河口周边也出现了城镇化的现象。通过越来越多的工厂聚集，吸引了多数劳动力在此工作与生活，同时也对环境产生了一定的影响。因此，针对这些环境变化与监测需求，本文采用了25景RADARSAT-2雷达影像，基于短基线方法，尝试探索河口周边的地面沉降信息，同时，进一步反演地面沉降的具体过程，为河口周边的发展与环境保护提供技术支撑。

1 研究过程

1.1 数据

为了有效地进行地面沉降监测，本文针对研究区灌河口的实际情况，选用覆盖研究区的影像进行监测，具体的数据源时间周期为2015—2018年，数量为25景，空间分辨率约为25 m，以最初始的影像作为主影像，其余为辅助影像，进行垂直基线的计算。

DEM采用公开的30 m分辨率DEM数据。

1.2 研究方法

通过对研究区域进行研究，本文选择短基线(SBAS)方法进行地面沉降监测分析。短基线方法是利用在固定的时间周期内，通过设定一定空间阈值内的自由组合干涉对，降低时空失相关对数据分析的影响，以达到监测的目的，这种方法是较为常见的合成孔径雷达处理方法。在影像数据明确的情况下，可以逐渐形成较多的干涉对，进一步提升观测质量，增加多余的观测数量，以便有利于提升雷达影像结算的具体精度。

例如，针对研究区域覆盖了N+1个雷达影像数据，通过设定时空两个角度的基线阈值，形成组合干涉对，并从干涉图剔除相应的地形因素影响，得到两两图像之间的差分干涉图，具体可用公式(1)进行计算：

(N+1)/2≤M≤[N×(N+1)]/2

(1)

在公式(1)的基础上，对干涉图的干涉相位进行定量求解，具体如公式(2)所示：

δΦj=Φ(tB)-Φ(tA)≈4π[d(tB)-d(tA)]/λ

(2)

式中：Φ(tA)和Φ(tB)表示tA和tB相位；d(tA)和d(tB)表示地表形变量；λ表示雷达波长。

在公式(2)的基础上，对差分干涉相位进行具体求解，具体如公式(3)所示：

δΦj=Φ(tIEj)-Φ(tISj)，j=1,…,K

(3)

上式是由N个未知数的M个方程式组成的方程式，具体如公式(4)所示：

δΦj=AΦ

(4)

式中，A是一个M×N的系数矩阵，可将A转换为公式(5)：

(5)

将未知数转变为相邻影像获取时间内像元点沿LOS向的平均速率，将公式(5)进行转换，具体如公式(6)所示：

(6)

对公式(6)进行转换，具体如公式(7)、公式(8)所示：

(7)

Bv=δΦ

(8)

式中：B表示主从影像之间的矩阵；v表示形变速率。

综合考虑高程的因素对相位数据的影响，可以利用相应的沉降模型来进行高程误差的估算，再根据每个周期的沉降速率进行时间域上综合，可得到不同周期内地表形变的具体数值。

2 数据处理与分析

2.1 InSAR数据处理结果

SBAS方法的处理步骤主要包括：

①针对研究区的雷达影像进行统一的配准，实现同一坐标系下的处理，在此基础上，生成相应的干涉组合；②在干涉组合生成的基础上，利用滤波等方法过滤掉相应的失相干噪声；③利用高程数据对相位进行数值模拟，以去除相应的地形影响因素；④利用相位解缠的方式实现干涉图的求解，并有效剔除大气相位，确保数据更加精确；⑤在步骤④的基础上，进行平均位移速率和相应的时间序列变化的结果分析。

为了明确干涉图的解译效果，可以通过调整相应的雷达影像相干性阈值进行分析，经过多次试验对比，设置对应的阈值为0/35。在选取相应干涉点的基础上，构建三角网来进行建模解算，利用lowest cost方法进行干涉解缠，同时，将相应的雷达影像相位校正到相干性较高的参考点上，求解相应的周期范围内(2015—2018年)研究区地面沉降形变的年均沉降速率。

从具体的雷达影像解译结果可以看出，研究区周边存在多个明显的沉降漏斗，其中堆沟化工园区相对最为严重，年均沉降速率最高达到-75.7 mm/a；此外，临港产业园和陈家港化工园区也有沉降漏斗出现。

2.2 水准数据验证

为了进一步验证研究区监测范围内短基线方法的有效性，本文搜集了研究区周边12个水准数据，其监测的周期为2015—2019年，通过对比两种不同的方法得到的形变监测值，来评估短基线方法进行地面沉降监测的有效性。

综合比较实际监测的结果与短基线方法解译雷达影像数据得到的结果，如表1所示。

表1 水准点与InSAR监测结果对比 单位：mm/a

两种方法最大差值为6.74 mm/a，最小的差值为-6.45 mm/a，利用相应的均方根误差指标定量评估两种方法的差值，具体如公式(9)所示：

(9)

式中：N为具体的水准测站的数量；∆Hi为水准监测的地表形变结果； ∆hi为短基线方法监测出的地表形变结果。利用公式(9)对表1中的数据进行综合分析，最终得到均方根误差为4.52 mm/a，说明短基线方法在研究区范围内的沉降监测是有效的，结果是可信的。

3 结论

随着社会经济的发展，对城市进行有效的地面沉降监测是极为重要的。本文尝试利用短基线方法对研究区灌河口周边进行地面沉降的检测，监测的周期为2015—2018年，并获取了相应的年均沉降速率、地面沉降空间分布特征，其中，最大的年均沉降速率达-75.7 mm/a。

(1)从时间角度来看。在本研究的监测周期范围内，地面沉降的漏斗存在集中成片的趋势，这主要由于人类生产、生活频繁，特别是研究区内的化工企业不断增加，工业产能逐步提高，导致对地面的负荷逐渐增大，同时，抽取地下水数量更为明显，因而导致地面沉降。

(2)从空间角度来看。沉降漏斗存在的地区相对较为集中，即明显聚集于化工园区，这类地区相较其他地区开采地下水更为严重，大量的人类生产、生活导致了地面沉降塌陷。

(3)从实验方法来看。短基线方法能够在研究区灌河口周边实现有效的监测。