PS-InSAR技术在北江下游沿线形变监测中的应用

盖侨侨

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

地质灾害的触发往往伴随着地表形变，因此确定形变区域对于地质灾害的早期防范和治理至关重要。北江作为珠江三大干流之一，下游流经广州、佛山等经济发达的珠江三角洲重要城市。其沿线地区的地表形变情况，特别是北江两侧堤岸的稳定性和安全性，关乎着周围数千万人民的生命财产安全。测绘技术已经形成“天-空-地-水”的立体感知体系[1]，响应了水利建设的动态监测需求。合成孔径雷达干涉(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作为“天”(卫星遥感)监测的一种技术手段，能够全天时、全天候、大范围、高精度地监测地表形变，被广泛应用于地质灾害监测领域[2- 4]。特别是时序InSAR(Multiple temporal InSAR，MT-InSAR)技术的发展，有效抑制了时空失相关和大气延迟效应，更有利于发现微小缓慢形变。刘朋俊[5]等利用SBAS-InSAR技术获取了2015年4月至2019年9月南水北调中线干渠辉县段的形变时空演变特征，为该区域沉降治理提供了数据支撑。刘琦[6]等利用PS-InSAR技术对佛山地铁沿线进行沉降观测，发现佛山沉降区域主要位于禅城区西部和顺德区北部，为地铁的维护以及城区地质灾害治理提供了理论依据。李佳豪[7]等通过PS-InSAR技术获取了上海市的形变速率场，以此为依据分析上海市的形变特征及诱因。

考虑到北江下游沿线多为城镇区域，本文采用永久散射点干涉测量(Persistent Scatterer-InSAR，PS-InSAR)技术对北江下游沿线进行形变监测，时间跨度为2017年3月至2022年1月。

1 PS-InSAR技术原理

PS-InSAR技术是由意大利米兰大学的Fettetti等人[8]率先提出的一种MT-InSAR方法，克服了InSAR技术中的时空失相关、大气延迟等影响。PS-InSAR技术的基本思路是：

(1)在覆盖同一地区的N+1幅SAR影像中选择一幅最佳主影像，其余所有影像与主影像进行配准、重采样和干涉处理，生成N个干涉对影像。第k幅干涉对影像中像素(i,j)的相位包含：

(1)

式中，φdef—地表形变相位；φtopo—地形相关相位；φref—参考椭球面相位；φatm—大气延迟相位；φorb—轨道误差相位；φnoi—噪声相位；λ—波长；Δr—该干涉对两个时刻SAR影像之间的相对形变；B⊥—2次卫星成像之间的垂直空间基线；h—观测目标大地高；R—卫星到地面的斜距；θ—入射角。

(2)参考椭球面相位可以借助卫星精密轨道状态矢量消除，再利用该区域已有DEM数据作为参考DEM，去除地形相关相位。

(3)通过覆盖同一地区的SAR影像时间序列和振幅离差指数方法选择在长时序内具有稳定雷达特性的点目标，即永久散射体(Persistent Scatterer，PS)。典型的PS点有建筑物、信号塔、堤坝、桥梁、裸露掩体和人工角反射器等。

(4)初步估算PS点的平均形变速率和残余地形误差，并将其分离出来。

(5)依据残余相位在时空域上的不同特性，对其在时间上进行高通滤波和空间上进行低通滤波，去除大气延迟相位和噪声相位。

(6)第2次估算PS点的平均形变速率和残余地形误差。

(7)进行地理编码，将雷达坐标系下的PS点形变信息转化到到地理坐标系。

PS-InSAR技术流程如图1所示。

图1 PS-InSAR技术流程图

2 研究区及数据概况

2.1 研究区概况

北江下游段为清远市飞来峡至佛山市三水县思贤，河长83km，处于平原区，两岸多堤防。北江大堤位于北江下游左岸，保护着广州市、三水、南海和佛山等经济发达的珠江三角洲重要城镇，属于国家一级堤防。堤防区人口超2000万，耕地超100万hm2，GPD达30000亿元以上。大堤从北江支流大燕河左岸的骑背岭起，经大燕河河口清远市的石角镇，再经三水市的芦苞镇、三水市城区西南镇至南海市的狮山上，干堤全长63.34km。研究区的地理位置如图2所示，图中黑线框为形变监测范围，面积约1051.30km2，北江大堤位于左岸。

图2 研究区地理位置

2.2 数据简介

本文所用SAR影像数据为哨兵1号(Sentinel- 1)卫星数据。2014年，欧空局发射新一代中高分辨率合成孔径雷达卫星——Sentinel- 1 A卫星，载波为C波段，成像采用了TOPSAR模式，具备250km×250km的大范围成像能力，时间重返周期为12d。数据距离向分辨率为3.7m，方位向分辨率为14m。2016年，Sentinel- 1 B卫星的成功发射进一步提高了哨兵数据的时间分辨率，在Sentinel- 1 A星和Sentinel- 1 B星同时覆盖的区域，可达到6d 1次重返观测。此外，在哥白尼计划的支持下，Sentinel- 1卫星数据的全球存档和实时观测数据均可免费获取，为地表形变监测提供了丰富的数据来源。由于本研究区域只有Sentinel- 1 A星数据，因此SAR数据的时间分辨率最高为12d。

外部DEM数据采用30m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM。该数据由2000年2月美国“奋进”号航天飞船获取的C波段合成孔径雷达数据制作，可免费获取。

3 数据处理及结果分析

本次形变监测以2017年3月至2022年1月的Sentinel 1A升轨SAR影像作为数据源，时间分辨率约为12d，共143期数据。在PS-InSAR技术中，主影像的选择影响着干涉对的干涉结果。两幅影像之间的相干性越高干涉结果越可靠，相反可能造成干涉失败。经综合考虑，本文选取20190712为最佳主影像，主影像与从影像的时空基线图如图3所示。根据影像强度和相干性选择PS点，相干性阈值设为0.75。选取好PS点后，就需要将各PS点干涉相位中地形相位、参考椭球面相位、大气延迟相位以及噪声相位等非形变相位剔除，以获取最终的形变相位。

经PS-InSAR处理，研究区域2017年3月12日至2022年1月9日近5年间的平均形变速率如图4所示，正值代表形变沿雷达视线向指向卫星方向，负值代表形变沿雷达视线向背离卫星方向。Sentinel- 1A SAR数据所能监测到的北江大堤并未发现明显形变，但北江沿线周边地区存在3处形变区，分别为Area1、Area2、Area3(图4左图中实线框)。为了能更加直观地看出这3个形变区的空间分布，这3个区域的形变速率场细节图展示于图4右图。

图3 主从影像时空基线图

3个形变区的地理位置分别为清远市清新区山塘镇恒平村附近(Area1)、肇庆市四会市(Area2)、佛山市三水区乐平镇盛发港口码头附近(Area3)。这3个区域均位于人类活动频繁区域，故而受人类生产、生活活动的影响严重。Area1在监测时间内的平均形变速率为-9.7～5.0mm/a，主要形变区为北江右岸的横平村居民住宅地，推测其沉降原因是抽取地下水所致。Area2近5年间的平均形变速率为-27.4～2.7mm/a，该区域位于城市，形变在空间上呈零星分布，并未发现大面积的沉降漏斗，最大形变点位于龙湖派出所的亚铝大街附近。Area3的平均形变速率区间为-8.0～4.0mm/a，通过卫星光学影像查看，该区域在本次监测时间段内没有明显施工迹象，因此其形变原因还需进一步探究。为了观察形变在时间上的演变规律，分别选择3个形变区的最大形变点，展示其时间形变序列(如图5所示)。Area1在监测时间内的最大形变为-9.7mm/a，累积形变量为-51.1mm；Area2中最大形变为-27.4mm/a，累积形变量为-132.8mm；Area3中最大形变为-8.0mm/a，累积形变量为-36.7mm。从时序演变上看3处形变区线性形变特征较为明显，并且形变没有趋于平缓或稳定的趋势。

图4 平均形变速率图

图5 时序形变图

4 结语

本文利用2017年3月至2022年1月的143景Sentinel- 1A升轨SAR影像获取了北江下游清远市清远区-佛山市三水区的地表形变结果，发现北江大堤没有明显形变迹象。北江沿线其他区域有3处形变区，分别为清远市清新区山塘镇恒平村附近(Area1)、肇庆市四会市(Area2)、佛山市三水区乐平镇盛发港口码头附近(Area3)。其中四会市的形变量级较大，平均形变速率最大超过-20mm/a，在空间上呈零星分布，没有大范围的沉降漏斗。在时间上，3处形变区的形变特征趋于线性，没有减缓趋势，仍在继续沉降。

本文证明了PS-InSAR技术监测大范围微小形变的优势，为流域沿线地质灾害隐患普查提供了参考。而对于形变区的形变成因本文还未深入探究，将是下一步的研究方向。