周紅滿(mǎn)，胡金星，柳 想，任 鵬

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院地球空間信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055）

地面沉降是沿海城市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降的成因主要分為2種：自然因素引起的沉降和人為因素引起的沉降。自然地質(zhì)因素主要是：地表松散地層或半松散地層的自固壓密、地質(zhì)構(gòu)造作用或地震、巖溶發(fā)育地區(qū)的巖溶塌陷等。人為活動(dòng)因素主要是：大量開(kāi)采地下資源，大規(guī)模工程建設(shè)，如地鐵建設(shè)、沿海城市的填海工程等［1］。地面沉降已成為城市化進(jìn)程中普遍存在的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，由此導(dǎo)致的環(huán)境影響和社會(huì)危害日漸突出且日趨嚴(yán)重，成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要地質(zhì)災(zāi)害之一。

運(yùn)用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）及其差分技術(shù)（D－InSAR）進(jìn)行地面微位移監(jiān)測(cè)已經(jīng)取得了不少令人矚目的應(yīng)用成果，對(duì)不同地區(qū)地面形變監(jiān)測(cè)的研究結(jié)果表明，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量及其差分技術(shù)在地震形變、冰川運(yùn)移、活動(dòng)構(gòu)造、地面沉降及滑坡等研究與監(jiān)測(cè)中有廣闊的應(yīng)用前景［2］。但是由于時(shí)間失相干、空間失相干以及大氣效應(yīng)的影響，極大地限制了InSAR及D－InSAR的測(cè)量精度［3］。為了提高測(cè)量精度，由A.Ferretti等人在2000年提出的一項(xiàng)InSAR領(lǐng)域的新技術(shù)—永久散射體（Permanent Scatterer，PS）干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)［4－5］，目前已成為了一種新型的高精度形變監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 點(diǎn)目標(biāo)干涉測(cè)量分析技術(shù)

永久散射體干涉雷達(dá)技術(shù)（PSInSAR）是基于永久散射體（PS）提出來(lái)的，所謂永久性散射體是指某些地面物體對(duì)雷達(dá)波在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的反射特性，不因時(shí)間和氣候的變化而變化。點(diǎn)目標(biāo)干涉測(cè)量分析技術(shù)IPTA（Interferometric Point Target Analysis）是一種改進(jìn)的PS技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于：①對(duì)于郊區(qū)或者是鄉(xiāng)村的低相干區(qū)域，也可以提取足夠數(shù)量的PS點(diǎn)；②可以利用更多的干涉對(duì)，即使長(zhǎng)基線(xiàn)的干涉對(duì)；③僅針對(duì)提取的點(diǎn)目標(biāo)的時(shí)間維和空間維的特征進(jìn)行分析。這種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于監(jiān)測(cè)廣州市的地面沉降和香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)的地面沉降。

本文利用點(diǎn)目標(biāo)干涉測(cè)量分析法處理ASAR影像來(lái)得到深圳市城區(qū)的地面沉降圖。IPTA是永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)之一。該技術(shù)僅對(duì)干涉圖中的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行解譯，因此，長(zhǎng)空間基線(xiàn)的干涉對(duì)也可以使用，甚至超過(guò)極限基線(xiàn)。

IPTA的干涉相位模型和傳統(tǒng)InSAR一樣，解纏的干涉相位（φunw）是由地形相位（φtopo）、地表視線(xiàn)向形變相位（φdef）、大氣擾動(dòng)相位（φatm）和系統(tǒng)熱噪聲相位（φnoise）組成，即

其中，地形相位與垂直基線(xiàn)成正比。線(xiàn)性回歸與垂直基線(xiàn)有關(guān)的部分?；貧w直線(xiàn)的斜率即為高程糾正值。因此，假設(shè)形變速率是一個(gè)定值的前提下，對(duì)短空間基線(xiàn)的干涉對(duì)中的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行基于垂直基線(xiàn)和時(shí)間的二維回歸分析。然后，對(duì)大數(shù)據(jù)，利用纏繞相位進(jìn)行非線(xiàn)性回歸。但是，對(duì)于小數(shù)據(jù)集，空間相位解纏要優(yōu)于非線(xiàn)性回歸。殘余相位包括大氣延遲相位、非線(xiàn)性形變相位和噪聲相位。根據(jù)各部分相位在時(shí)域和空間域的不同特性，迭代方法用于分離各不同參數(shù)同時(shí)精化個(gè)參數(shù)，進(jìn)而精化整個(gè)相位模型。

圖1給出了IPTA方法的處理流程［6］。包括SAR SLC影像配準(zhǔn)、候選點(diǎn)目標(biāo)的選取、初始高程估計(jì)、初始基線(xiàn)計(jì)算、干涉點(diǎn)分析和模型精化。而結(jié)果包括高程糾正值、線(xiàn)性形變速率、大氣相位、精化的空間基線(xiàn)、相位質(zhì)量信息（時(shí)間相干性）和非線(xiàn)性形變歷史。IPTA的一個(gè)重要步驟是不同參數(shù)的逐步迭代提高精度。主要提高包括低精度DEM的高程糾正、空間基線(xiàn)的精化和點(diǎn)目標(biāo)列表的擴(kuò)充。

圖1 IPTA方法處理流程

之前的IPTA研究將地面控制點(diǎn)和IPTA結(jié)果比較，已證實(shí)平均形變速率的精度為1～2mm/a，而時(shí)間序列的形變精度為2～3mm［4－5，7］。

2 研究方法

2.1 ASAR數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2008－01至2010－07期間獲取的20幅深圳地區(qū)ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)（VV極化、成像模式為IS2），研究區(qū)域如圖2所示。綜合考慮時(shí)間基線(xiàn)、垂直空間基線(xiàn)、多普勒基線(xiàn)等因素，選取時(shí)間為2009－03－04的影像作為主影像，表1顯示了20個(gè)干涉對(duì)的空間垂直基線(xiàn)、時(shí)間基線(xiàn)和多普勒基線(xiàn)。為了從干涉相位中去除地形相位分量，使用了空間分辨率為3rad/s的SRTM DEM數(shù)據(jù)。

表1 ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

續(xù)表1

2.2 深圳市地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

利用IPTA方法對(duì)表1中20景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到了相干點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)視線(xiàn)方向的形變，圖3給出了2008－01到2010－07深圳市城區(qū)在雷達(dá)視線(xiàn)方向的平均形變速率疊加在Google earth衛(wèi)星圖上的效果?？梢钥闯鱿喔牲c(diǎn)目標(biāo)分布非常密集但不均勻，在密集建筑群體、道路等地表穩(wěn)定后向散射特征區(qū)域，相干點(diǎn)非常密集，而在一些易變化的反射體，如水體、植被覆蓋區(qū)等，穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)很少。這說(shuō)明了選取的相干點(diǎn)目標(biāo)的正確性。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)共監(jiān)測(cè)到673 133個(gè)相干點(diǎn)，平均密度大約為200個(gè)/km2，點(diǎn)密度遠(yuǎn)高于水準(zhǔn)測(cè)量觀(guān)測(cè)點(diǎn)的密度。相干目標(biāo)的沉降場(chǎng)如圖3中所示圖例中色標(biāo)顯示。最大的沉降速率為－17.9～－10mm/a，最大的抬升速率為6～9.8mm/a。根據(jù)Q.Zhao，2009，由地殼運(yùn)動(dòng)引起的地面形變速率大約為5mm/a。從圖中可以看到研究區(qū)內(nèi)有些地區(qū)存在嚴(yán)重的地面形變，這些區(qū)域的平均形變速率是正常的地殼運(yùn)動(dòng)引起的地面形變速率的2～3倍。

圖4是相對(duì)于2008－01－09的19景雷達(dá)視線(xiàn)方向的地面沉降速率圖，該圖反映自2008－01－09至2010－07－07，深圳市城區(qū)沉降速率場(chǎng)的時(shí)間維跨度為2a的演變過(guò)程，每景圖顯示的是視線(xiàn)向沉降速率累加值。

圖4 相對(duì)于2008－01－09的19景雷達(dá)視線(xiàn)方向的地面沉降速率圖

因?yàn)楸疚闹胁捎玫挠跋裰挥?0景，數(shù)據(jù)量較少，為了去除時(shí)間維不穩(wěn)定的點(diǎn)目標(biāo)，設(shè)置了較高的后向散射和較低的光譜相位差異，而使得填海區(qū)域檢測(cè)到很少的相干點(diǎn)。但填海區(qū)的沉降趨勢(shì)還是很明顯，主要集中在寶安區(qū)的西北部，與東莞市相鄰的茅洲河附近，以及寶安中心區(qū)、南山區(qū)、福田區(qū)、羅湖區(qū)也存在普遍的地面沉降現(xiàn)象。整體的地面沉降趨勢(shì)與之前的研究成果一致。

圖5給出了深圳市與東莞市相鄰的茅洲河附近的地面沉降圖，可以看到沿茅洲河出現(xiàn)較長(zhǎng)的條帶狀沉降。由于茅洲河附近土質(zhì)松軟，且受河水長(zhǎng)期沖刷，導(dǎo)致該區(qū)域地面沉降現(xiàn)象明顯。

從圖6中可以看到有個(gè)較長(zhǎng)的條帶狀沉降，且與深圳地鐵1號(hào)線(xiàn)路相符，由此可推斷該條帶沉降是由于地鐵修建引起的。另外有3個(gè)明顯的沉降漏斗位于寶安區(qū)和南山區(qū)，位于西鄉(xiāng)街道的沉降漏斗半徑大約為500m，漏斗中心部分沉降點(diǎn)平均形變速率達(dá)到－14～－10mm/a，圖7為該沉降漏斗沿圖6中黑線(xiàn)方向的剖面散點(diǎn)圖，可清楚反映出漏斗的形狀。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)IPTA技術(shù)和ASAR影像得到深圳市城區(qū)的地面沉降，本文得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）利用ASAR影像數(shù)據(jù)得到了2008—2010年深圳市城區(qū)的地面沉降圖。最大沉降速率為－17.9～－10mm/a。最大的抬升速率為6～9.8mm/a。證明深圳市城區(qū)存在嚴(yán)重的地面沉降，與前人的結(jié)論一致。

2）深圳市城區(qū)的地面沉降主要集中在寶安區(qū)西北部和南部的填海區(qū)、南山填海區(qū)、鹽田區(qū)、福田區(qū)。填海區(qū)由于地基不扎實(shí)，土質(zhì)松軟，故沉降較嚴(yán)重。檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符，證明了檢測(cè)結(jié)果的正確性。

本文定量地給出了深圳市城區(qū)的地面沉降，盡管沒(méi)有水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)與IPTA的測(cè)量結(jié)果做比較，但地鐵沿線(xiàn)嚴(yán)重的地面沉降，以及發(fā)生的地面塌陷事件與現(xiàn)實(shí)相符，都證明了測(cè)量結(jié)果的精確。同時(shí)，也證明了IPTA方法能夠很好地應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測(cè)，是地表緩慢形變研究中實(shí)施大范圍、高精度和快速監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)。

［1］何慶成，葉曉濱，李志明，等.我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀及防治戰(zhàn)略設(shè)想［J］.高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，12（2）：161－168.

［2］朱大奎.深圳海岸海洋環(huán)境與空間規(guī)劃研究［J］.第四紀(jì)研究，2005，23（1）：45－53.

［3］Crosetto M，Crippa B，Biescas E，et al.State of the Art of Land Deformation Monitoring Using Differential SAR Interferometry［R］.ISPRS Hannover Workshop 2005：High Resolution Earth Imaging for Geospatial Information 17－20May 2005，2005.

［4］Ferretti A，Claudio P，Rocca A.Nonlinera subsidence rate estimation using Permanent scatters in differential SAR interferometry［J］.IEEE Transaetions on Geoseienee and Remote sensing，2000，38（5）：2202－2212.

［5］Ferretti A，P rati C，Rocca F.Permanent Scatterers in SAR Interferometry［J］.IEEE TGARS，2001，39（1）：8－20.

［6］Werner，C，et al.Interferometric point target analysis for deformation mapping［R］.Toulouse，F(xiàn)rance，Proc.IGARSS，2003.

［7］Zhao Q，Lin H，Jiang L，et al.A study of ground deformation in the Guangzhou urban area with Persistent Scatterer Interferometry［J］.Sensors，2009，9（1）：503－518.

［8］劉國(guó)祥，丁曉利，陳永奇.使用衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)測(cè)量香港赤臘角機(jī)場(chǎng)沉降場(chǎng)［J］.科學(xué)通報(bào)，2001，46（14）：1224－1228.

［9］Zhao Qing，Lin Hui，Chen Fulong，et al.InSAR Detection of Residual Settlement of Ocean Reclamation Areas in Shenzhen，China［C］.Shenzhen：2011 19th International Conference on Geoinformatics，2011.