高曉雄 金 艷 祝彥敏

1 浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州，311100

地面沉降引發(fā)的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害是國內(nèi)外普遍關(guān)心的問題之一，由自然因素或人為活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害可能引起建筑物裂縫、道路塌陷等危害，給人們的生活生產(chǎn)造成嚴重危害［1］。

傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測主要依賴于水準測量和GPS技術(shù)，優(yōu)點是精度高，缺點主要是觀測點的密度低、觀測成本高、觀測周期長。與傳統(tǒng)形變監(jiān)測技術(shù)相比，合成孔徑雷達干涉測量（interferometric synthetic aperture radar，In SAR）技術(shù)具有高精度、高分辨率、覆蓋范圍大、全天時全天候等優(yōu)勢，具有傳統(tǒng)形變監(jiān)測手段無可比擬的優(yōu)越性［2?4］。永久散射體（perma?nent scatterer，PS）［5］技術(shù)和短基線子集（small base?line subset，SBAS）技術(shù)［6］已被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)［7］、城市［8，9］等地表沉降的監(jiān)測。為了解決非城市地區(qū)可選為PS點的高相干點較少的問題，有學(xué)者在傳統(tǒng)PS?In SAR技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了永久散射體對合成孔徑雷達干涉測量（permanent scatterer pair In SAR，PSP?In SAR）技術(shù)［10，11］。

本文采用PS?In SAR技術(shù)和PSP?In SAR技術(shù)對杭州市主城區(qū)進行時序形變監(jiān)測，并將這兩種技術(shù)獲取的結(jié)果進行交叉驗證分析。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

杭州市位于浙江省中部偏北，東瀕杭州灣，南與金華、衢州、紹興三市相接，西與安徽省交界，北與湖州市、嘉興市相鄰，錢塘江從市區(qū)穿過。杭州市地貌類型多樣，地形變化復(fù)雜，尤其是市區(qū)西北和西南部的中低山丘陵區(qū)，自然條件差，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，易觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。本文研究區(qū)域為杭州市主城區(qū)，研究區(qū)域位置及分析點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置及分析點分布圖Fig.1 Location of the Study Area and Distribution of Analysis Points

1.2 數(shù)據(jù)與處理

本文數(shù)據(jù)源為意大利空間局與意大利國防部共同研發(fā)運營的COSMO?Sky Med影像，參數(shù)見表1。

表1 COSMO‐Sky Med影像參數(shù)Tab.1 Parameters of COSMO?Sky Med Images

1.2.1 PS?InSAR技術(shù)處理流程及結(jié)果

本文的公共主影像為2018年3月3日獲取的SAR影像，干涉對基線見圖2。結(jié)合數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)對從影像進行精密配準，重采樣到主影像空間，設(shè)置時空閾值篩選出質(zhì)量較高的干涉對；通過設(shè)置光譜特性和振幅離差閾值最終得到396 652個雷達波后向散射較為穩(wěn)定的目標(biāo)（即PS點），建立PS點之間的關(guān)系模型，并根據(jù)反演得到的軌道誤差和大氣誤差對模型進行修正，其中地形相位可以借助空間分辨率30 m的DEM予以處理，獲取每個PS點在時間序列上的形變量以及平均形變速率。PS?In SAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。圖4為采用PS?In SAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域的年平均沉降速率。

圖2 干涉對基線Fig.2 Interference Pair Baseline

圖3 PS‐InSAR技術(shù)處理流程Fig.3 Processing Flow Chart of PS?InSAR Technology

1.2.2 PSP?In SAR技術(shù)處理流程及結(jié)果

PSP?In SAR技術(shù)的處理流程見圖5。其核心思想是對在某一時間段內(nèi)同一地區(qū)獲取的多幅SAR影像，基于統(tǒng)計分析方法探測出成像區(qū)域的PS點集，通過連接相位特性相同的像素點對建立PS網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進行不斷擴建，在SAR圖像中選出PS點集合。由于PSP算法是通過比較PS點對之間的相位特性來選擇PS點，PSP?In SAR對預(yù)估形變模型的依賴程度降低，在非城市區(qū)域也能選出更多的PS點，其在實際應(yīng)用中穩(wěn)定性更強。干涉對與利用PS?InSAR技術(shù)獲取的干涉對相同。圖6展示了采用PSP?InSAR技術(shù)獲取的研究區(qū)域的年平均沉降速率。

2 結(jié)果分析

分析可知：①沉降主要發(fā)生在西北部，沉降空間分布和量值較為吻合；②采用PSP?In SAR技術(shù)獲取的PS點數(shù)量明顯多于采用PS?In SAR技術(shù)獲取的PS點。

2.1 交叉驗證

本文在研究區(qū)域內(nèi)隨機選取10 000個驗證點，以驗證點為中心，在一定距離范圍內(nèi)（可設(shè)為30 m）查找最近的PS點，對通過兩種技術(shù)得到的年均沉降速率進行交叉驗證分析，若在驗證點30 m范圍內(nèi)無PS點，則該驗證點無效。最終共獲得2 886個有效驗證點，經(jīng)過統(tǒng)計分析求得2 886個驗證點的正態(tài)分布曲線，如圖7所示。兩種技術(shù)獲取的年均沉降速率差值的中誤差為2.2 mm/a，小于5 mm/a，滿足《時間序列In SAR地表形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理規(guī)范》規(guī)定的精度要求［12］。本文對2 886個PS點進行線性擬合，線性關(guān)系達到0.922，如圖8所示。這說明利用兩種技術(shù)獲取的年均沉降速率具有高度的一致性，同時也證明了利用這兩種技術(shù)監(jiān)測城市地面沉降的可靠性。

為了更加直觀地對比這兩種技術(shù)得到的形變結(jié)果，本文在PS?In SAR和PSP?In SAR獲取的沉降區(qū)域分別選取4個特征點進行研究分析，時序曲線如圖9所示?？梢钥闯觯肞S?InSAR技術(shù)和PSP?InSAR技術(shù)獲取的結(jié)果在沉降量級上存在微小差異，總體形變趨勢是一致的，這證明該區(qū)域確實存在地面沉降。在城市區(qū)域PS點較多，因此可以保證影像相干性，兩種技術(shù)差別不大，但是在西湖區(qū)西南部山區(qū)，PSP?In SAR技術(shù)的優(yōu)勢就凸顯出來了，因此即使在PS點較少的非城市區(qū)域，PSP?In SAR技術(shù)也同樣適用。另外在PSP?In SAR監(jiān)測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，濱江地區(qū)中醫(yī)院大學(xué)附近存在沉降，但在PS?In SAR監(jiān)測結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)沉降點，可能是因為點的相干性太低，PS?In SAR技術(shù)難以將相應(yīng)的點作為PS點挑選出來，而PSP?InSAR算法是通過比較PS點對之間的相位特性來選擇PS點，它對預(yù)估形變模型的依賴程度降低，所以也能選出更多PS點，該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中有更強的穩(wěn)定性，這也是PSP?In SAR技術(shù)的優(yōu)勢。

圖9 分析點累計沉降時序曲線對比Fig.9 Comparison of Time Series Curves of Accumulated Settlement of Analysis Points

2.2 沉降典型區(qū)域分析

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，發(fā)生沉降的小區(qū)均為農(nóng)民房、回遷房或者低矮建筑，而隔壁的商品房、高層住宅小區(qū)基本不存在明顯的沉降現(xiàn)象。本文以古蕩灣新村為例進行展示，如圖10和圖11所示。古蕩灣新村于1998年建成，該區(qū)域原本是水田稻作區(qū)，具有壓縮性高、含水量大、承載力低、易觸動塑變、穩(wěn)定性差等特點，古蕩灣新村小區(qū)的建筑大都為低矮建筑，地基較淺，部分沉降屬于回填土夯填不實，浙江省在2012年發(fā)布了禁采地下水的管理規(guī)定，因此可以排除抽采地下水對地面沉降的影響。綜上諸多因素造成該小區(qū)地面沉降現(xiàn)狀，由于沉降一直發(fā)生，因此后期還要加大力度進行監(jiān)測。

圖10 古蕩灣新村年均沉降速率Fig.10 Annual Average Settlement Rates of Gudangwan New Village

為了檢驗這兩種算法的可靠性，對古蕩灣新村進行了實地踏勘，如圖11所示，圖中為高層建筑和低矮建筑交界處的位置，高層建筑地基較深，相對穩(wěn)定，從而可以佐證低矮建筑正在沉降，導(dǎo)致連接處的臺階、路面與高層建筑發(fā)生脫離現(xiàn)象。

圖11 古蕩灣新村外業(yè)核查圖Fig.11 Field Work Verification Images of Gudangwan New Village

3 結(jié)束語

本文利用PS?InSAR、PSP?In SAR技術(shù)對意大利COSMO?Sky Med衛(wèi)星獲取的36景杭州市的SAR數(shù)據(jù)進行了實驗，獲取了研究區(qū)域內(nèi)的地面沉降信息，并選取了4個分析點進行輔助對比。結(jié)果表明：①通過兩種技術(shù)得到的沉降趨勢相吻合，對2 886個有效驗證點進行線性擬合，線性關(guān)系達到0.922，證明了兩種技術(shù)的可靠性，并且都適用于城市區(qū)域的地表沉降監(jiān)測。②在整個時間跨度范圍內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)的農(nóng)民房、回遷房或低矮建筑受地質(zhì)因素等的影響，導(dǎo)致這些區(qū)域發(fā)生地面沉降。③在獲取PS點的數(shù)量上，PSP?In SAR技術(shù)更具優(yōu)勢，能提供高精度、高空間分辨率及大范圍空間連續(xù)覆蓋的地表形變監(jiān)測結(jié)果，為基礎(chǔ)設(shè)施地表形變監(jiān)測提供更全面有效的手段。