短基线集技术在地表形变监测中的应用研究

谢荣安，周元华，胡 争

(广东省地质测绘院，广东广州510800)

一、引 言

改革开放以来，随着经济的迅猛发展，珠海人口日益增多，城市化水平明显提高，且随着主城区向次中心城的扩展，再到外围新城区至中心镇的扩展，使珠海已由当年的小渔镇发展到现在的海滨城市。然而，过快的城市化进程中伴随着大量的经济与工程活动，增加了生态环境压力，进而导致产生了各类地质环境问题，如地面沉降、滑坡、塌陷、地下管道破裂等灾害日趋严重，对区域的经济社会发展产生了一定的危害和阻碍。因此，对该地区地面沉降地质灾害进行监测和分析显得尤为重要，能够为积极应对地质灾害的有效治理措施提供决策支持。

近年来，迅速发展的差分干涉测量(DInSAR)技术具有高空间分辨率、高精度及大范围空间连续覆盖等优点，与传统的形变监测方法对比，能够为地表形变监测提供更为详细的信息。但空间和时间去相关及不同时相大气扰动等因素会影响DInSAR技术的监测精度。为削弱这些因素对监测结果的影响，研究者先后提出了干涉图叠加法(Stacking)、永久散射体干涉测量(PS)技术及短基线集(small baselines subset，SBAS)技术。其中，干涉图叠加法大多基于假设不相关的干涉图中包含的大气扰动相位为随机量，且地表形变信号近似为线性变化;永久散射体技术则需要较多的SAR影像(＞25)，且其精度与永久散射体的密度有着一定的关系，通常要想获得高精度的形变信息，PS点密度要求大，而一般情况下在非城区PS点的密度较低;而短基线集技术对SAR影像数据要求较低(＞7)，通过选择合适的时间、空间基线来减弱时空失相关对DInSAR的影响，再经过一定的后续处理得到研究区域内稳定相干点上的形变、高程残差及大气相位信息。本文采用SBAS技术对珠海市区域的地表沉降进行监测，并根据监测结果对该地区的地表形变的特征及成因进行分析。

二、数据源及数据处理

1.研究区域

本文的研究区域位于广东珠江口西南部，如图1所示。该区域内地形较为平坦，以平地为主，主要为农田、小镇，还有山地、丘陵及台地，最高处高程为465 m。从地质构造条件上来看，本区域内有东北—西南走向穿过斗门区的五桂山南麓断裂，还有穿过三灶岛的深圳断裂，断裂规模较小。从水文地质来看，该区域毗邻南海，内部河网众多，雨量丰富，能较好地对地下水进行补给;且区内淤泥质软土广泛分布，软土厚度小于43 m，分布面积高达812.7 km2，属于第四系全新统。

图1 研究区域地理位置

2.试验数据及处理

本文选取了从2004-01-11至2010-09-26期间的34景ASAR数据进行试验，其具体信息见表1。

表1 选取的ASAR数据的参数

首先，将所有从影像统一与主影像进行粗、精配准，本文所选择的主影像拍摄时间为2009-01-04;通过设置时间、空间基线阈值来削弱时空失相关对干涉对的影响，本文所选的时间基线阈值为2年，空间基线阈值为50 m，共得到53对符合条件的干涉对，如图2所示。以其中一个干涉对为例进行处理过程说明，先将精确配准后主从影像进行干涉处理，为了抑制噪声，本文进行了方位向距离向为5∶1的多视处理，得到的干涉对的空间分辨率约为20 m×20 m;采用90 m分辨率的SRTM v4.1去除地形相位，从而获得差分干涉图;利用改进的Goldstein方法对这些差分干涉图进行适当的滤波;通过人工屏蔽的方式削弱或避免低相干区域(海域或者孤岛)对相位解缠的影响，使其不参与相位解缠，同时通过设置一定的相干性阈值(＞0.5)来选择相对稳定的点进行最小费用流(MCF)解缠。其中，某些解缠后的相位图中仍残留部分的非线性轨道相位，因此，本文进一步采用二次多项式对其进行去除。最后，本文通过选定的高相干点进行后续操作(SBAS)得到研究区域内形变信息。

图2 时空基线分布

三、试验结果及分析

1.试验结果

采用SBAS技术对上述数据进行解算，得到研究区域的地面沉降速率图。图3为研究区域内沿雷达视线方向(LOS)上的平均形变速率图，单位为cm/a。其中，正值代表靠近卫星的方向为抬升;负值代表远离卫星的方向为沉降;底图为ASAR影像的平均强度图;正值色区代表靠近卫星的方向(抬升)，负值色区代表原理卫星的方向(沉降)，单位为cm/a;A为澳门路氹城填海区;B为珠海横琴口岸;C为珠海香洲区;D为珠海金湾区;E为珠海金海岸;F为珠海金湾区小林镇。

图3 珠海市LOS向平均沉降速率图

本文选择6个具有代表性的区域进行详述，如图3中的实线方框所示。从图3中可以看出，沉降区分布较为零散，多分布在沿海或沿河区域，部分为农田区。沉降速率一般在15 mm/a左右，也有少数地区沉降较快，如珠海金湾区和金湾区小林镇，其最大形变速率分别为18 mm/a、30 mm/a。珠海市区及山区周边的形变较小，接近稳定;此外，左下角处还存在微小的抬升，速率约为2 mm/a。

本文在这些代表性区域内挑选了几个明显的沉降漏斗进行等值线的绘制，以更好地对形变进行解译，如图4所示，底图为光学影像。由图4可知，最大的形变发生在珠海金湾区政府周边，其最大形变速率高达 30 mm/a，且存在多个形变速率大于20 mm/a的区域，如图4中D区所示。

图4 6个具有代表性的区域沉降及等值线

2.结果分析及验证

珠海地区的地表沉降主要分布在沿海、沿河处和农业养殖区，且沉降速率较大，而在内陆地区的沉降速率较缓和(＜3 mm/a)。随着经济的快速发展，珠海的城市化进程也在逐渐增大，由原来的香洲老城区慢慢扩展至斗门区外围的中心镇，人口也得到了较大程度的增长，1990—2001年仅11年间珠海的城市人口就增长了26.3%。快速的城市化需要过多的建筑用地来缓和人口的压力，因而极大地增加了软土的外部负载，进而导致地表沉降。此外，由于区域内软土层较厚，且渗透性差，因而地表水很难渗透到地下，而是直接流入海里，因此地下水的补给较少。珠海沿海区域的水产养殖业较为广泛，很多养殖户私自抽取地下水进行水产养殖，且打井方式不科学，容易导致浅层、深层地下水混采超采，这也导致地下水在补给量少的情况下水位越来越低，进而改变土层结构。如图4中B、C、D及F几个区域所示，其中，D区所代表的金湾区政府所在区域内更有一个接近30 mm/a的沉降漏斗，沉降范围与地面沉降现状调查结论一致，但形变速率较缓。

为了验证InSAR结果所反映出的地表形变情况，本文对形变较为严重的区域进行了实地考察，考察区域主要有珠海市金湾区、珠海市白蕉镇灯笼村，分别如图5、图6所示。

图5

图6

其中，图5(a)是InSAR所获取的金湾区康德莱医疗城所在地区的地表沉降监测结果，显示该地区正经受着大面积的地面下沉。为了验证InSAR结果，对康德莱医疗城进行了实地验证。图5(b)显示的是该地区的某空置楼盘，从图5(c)和图5(d)中可以明显地看出，该楼盘的房屋与地表之间发生了严重的断裂。结合珠海市的特殊地质情况，经分析可知该情况是由于大型建筑物人们一般会把地基打在较为稳固的基岩上，而道路等地面设施则是直接覆盖在软土层之上，因此两者之间的沉降速度会不一致，随着地面沉降的越来越大，其必然会与沉降较慢的建筑物分离。此外，从图5(d)中还可以看出，该建筑出现了墙体破裂的现象，这可能是由地面不均匀沉降所引起的。

从图6(a)可看出，灯笼沙村也存在严重的地表下沉现象，且沉降分布较为集中。与珠海市金湾区不同的是，该地区的楼房均沉陷到地面以下，如图6(b)和6(c)所示，校舍楼房的窗户下沿已经下沉到了与路面平，原操场的简易乒乓球台基本与地面平，整所学校已废弃。造成这种现象的原因是:一是该地区楼房均以平房或非框架结构为主，因此其地基并未打至基岩上，致使楼房随着地面一起快速下沉;二是周边的养殖业抽取大量地下水，同时城镇化进程加快，工程活动频繁，地表荷载加剧，从而造成了楼房下沉到路面以下的现象。而图6(d)显示了墙体裂缝说明该地区也存在不均匀沉降。

同时，将同期开展的水准测量结果进行对比，在珠海市白蕉镇、红旗镇、平沙镇和小林镇，一直绵延至高栏港的大面积不同程度的沉降带，存在多个沉降中心发育趋势，年沉降量超过30 mm/a。虽然水准测量与InSAR监测并非同一个时间段，水准观测周期相对较短、密度不够大，仅有两次观测结果，同时监测区域内存在的不同程度的工程活动等原因影响，导致两种方法的监测结果在某些区域内沉降趋势有不相符现象，但总体而言，两者所测的地表形变趋势基本一致。表2是珠海区域水准测量与InSAR监测沉降对比情况。

表2 沉降漏斗中心区域水准测量结果与InSAR监测结果比较 mm/a

综上所述，InSAR获取的结果能够很好地反映区域内的沉降情况，相对常规的测量手段而言，其获取覆盖范围更大，能够从宏观上反映地表沉降情况。此外，对区域内小范围、局部的剧烈沉降(沉降速率高达30 mm/a)也有充分表达。差异沉降非常明显，主要表现在主建筑和辅建筑之间，如高楼和入户台阶处、建筑物与地面的连接处等。总体而言，如果影像数量足够多，运用SBAS技术监测城市区域的地表形变效果较明显，可以捕捉到小范围的地表微小形变。但是对于非城市区域，由于受植被影响较大，仍无法解决失相干的问题，致使有的区域无法得到干涉结果。另外，与常规水准测量监测手段获取的对比结果也验证了SBAS技术获得形变信息的可靠性。

四、结束语

本文通过SBAS技术对覆盖珠海市的34景ASAR数据进行处理，并成功获取了研究区域内的地表形变信息。从结果中可以看出，珠海市西北部区域存在较为严重的地表沉降，沉降速率多在15 mm/a左右，产生了较为明显的沉降漏斗，沉降速率达到了30 mm/a。研究区域内的沉降原因主要分为两类:一是珠海市广泛分布的软土地基在高速城市化进程下快速增长的外部负载力，导致土体间的应力发生改变，进而导致地表沉降;二是较厚的软土区内的养殖业发达，过度抽取地下水，从而导致的地表沉降。本次研究表明，利用SBAS技术在非城市区域进行地面沉降监测是完全可行的，并且具有精度可靠、覆盖面广、周期短成本低等优点，但对于珠海地区地表植被覆盖率高、水网发达、水面多等特点，还应着重研究如何削弱失相干和大气效应的影响，以进一步提高监测精度，使其发挥更好的作用。

［1］李春生.珠江三角洲城市地质问题及对策［J］.工程地质学报，2006(S1):25-28.

［2］孙广通，刘小阳，张永红，等.小基线DInSAR技术在城市地面沉降监测中的应用研究［J］.测绘通报，2013(10):91-94.

［3］任伟灿.珠海市地面沉降现状与形成机理分析［J］.地球.2014(2):86-87.

［4］吴文豪.雷达干涉时序分析方法研究地面沉降［J］.测绘通报，2014(11):11-15.

［5］林奕禧，艾康洪，黄良机.珠海地区软土的工程特性及工程建设问题［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(2):3372-3376.

［6］李国华，薛继群.基于短基线集技术的矿区开采沉陷监测研究［J］.测绘与空间地理信息，2013，36(3):191-196.

［7］王艳，廖明生，李德仁，等，利用长时间序列相干目标获取地面沉降场［J］.地球物理学报，2007，50(2):598-604.