陳媛媛, 魏浩翰，翁 建

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037)

0 引 言

隨著城市人口的增多，城市不斷擴(kuò)張，城市地面承載力逐漸增大，地下水資源過度開發(fā)，城市地面沉降問題逐漸突出[1-3]。目前地表形變監(jiān)測大多使用傳統(tǒng)布網(wǎng)或單點(diǎn)測量等手段，這些手段對空間信息不敏感、詳細(xì)度不夠，費(fèi)時費(fèi)力。InSAR 技術(shù)具有全時段觀測、精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，因而逐步得到專家以及業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可和利用[4,5]。蘇州和湖州處于我國東部地區(qū)，環(huán)繞太湖，位于長江三角洲沖積平原地區(qū)，區(qū)位優(yōu)越，資源豐富，交通便捷，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，因此該地區(qū)人口逐年增多，水資源供應(yīng)不足的情況下，過度開采地下水，造成城市地面沉降日趨嚴(yán)重。本文采用InSAR技術(shù)對不同原因引起的城市地面沉降進(jìn)行研究，得到城市地面沉降狀況及態(tài)勢，為相關(guān)部門進(jìn)行城市規(guī)劃及沉降治理提供相應(yīng)的參考。

1 理論及方法

針對常規(guī)InSAR手段中相位失相干和大氣延遲影響，F(xiàn)erretti提出了僅僅跟蹤成像區(qū)域內(nèi)雷達(dá)散射特性較為穩(wěn)定的目標(biāo)而放棄那些失相干嚴(yán)重的分辨單元的方法，即PS-InSAR方法。該方法基本思想是對K+1幅配準(zhǔn)的SAR影像，采用外部高程數(shù)據(jù)精度相對較高的DEM進(jìn)行差分干涉處理，生成時間序列差分干涉圖。采用PS識別法識別一定數(shù)量的PS點(diǎn)，每個PS點(diǎn)在選取的N幅差分干涉圖中的差分干涉相位可組成一個時間序列，再提取實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)每個PS點(diǎn)的差分干涉相位。根據(jù)干涉相位中各組成部分的統(tǒng)計特性，建立差分干涉相位與DEM高程改正以及相應(yīng)的地表形變的函數(shù)模型，求解各PS點(diǎn)DEM高程改正值和地表變形速率。

由于采用PS-InSAR方法獲取的PS點(diǎn)在空間分布上比較雜亂，為了獲取區(qū)域性的形變速率，需要對線性形變速率進(jìn)行插值。本文采用克里金插值的方法。實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 技術(shù)路線

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 研究區(qū)域及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文以太湖周圍部分地區(qū)為研究區(qū)域，以2004年到2008年獲得的30景歐空局ENVISAT衛(wèi)星C波段雷達(dá)傳感器ASAR單視復(fù)影像(Single Look Complex，SLC)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。外部DEM數(shù)據(jù)采用SRTM DEM數(shù)據(jù)。所獲取的30景SAR數(shù)據(jù)的時空基線情況如圖2所示，詳細(xì)信息見表1。

表1 用于PS-InSAR分析的ASAR影像時間、空間基線詳表

圖2 單一主影像干涉組合時空基線示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)數(shù)據(jù)對的連接關(guān)系，對每一對數(shù)據(jù)對進(jìn)行干涉工作流處理，包括數(shù)據(jù)對配準(zhǔn)、干涉圖生成和干涉圖去平。在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)步驟中，確定2007年3月1日獲取的影像為主影像，將所有的輔影像都配準(zhǔn)采樣到主影像像素空間，配準(zhǔn)誤差控制在0.2個像素以內(nèi)。干涉圖去平中使用SRTM DEM數(shù)據(jù)。第一次模型反演獲得位移速率和殘余地形，用來對合成的干涉圖進(jìn)行去平。在利用第一次線性模型反演產(chǎn)品估算大氣相位成分以后，通過第二次反演對大氣相位去除進(jìn)行再優(yōu)化，得到最終形變速率。圖3為利用PS-InSAR方法獲取的PS點(diǎn)，從中選取一個PS點(diǎn)(圖中三角形標(biāo)志處)繪制時間速率圖(圖4)。截取部分區(qū)域的2 073個PS候選點(diǎn)進(jìn)行分析，將PS點(diǎn)地理編碼后疊加到地圖上(圖5)。

圖3 選取的PS點(diǎn)

圖4 所選PS點(diǎn)的時間速率折線圖

圖5 局部PS點(diǎn)分布圖

圖中線框區(qū)域即為截取的區(qū)域，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖上可以得出：PS點(diǎn)在城鎮(zhèn)地區(qū)分布較密集，在農(nóng)村分布比較稀疏，在水體區(qū)域分布幾乎為0，可見PS點(diǎn)識別效果較好。由上圖可以看出PS點(diǎn)目標(biāo)在空間分布上是散亂、無規(guī)則的，為了獲取空間形變場，我們需要對形變速率進(jìn)行克里金空間插值分析。

在空間插值前，利用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊的探索數(shù)據(jù)分析功能模塊對選取的2073個PS點(diǎn)的線性形變速率進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖6)。

圖6 PS點(diǎn)形變速率直方圖

圖6表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)PS點(diǎn)目標(biāo)的線性形變速率近似服從正態(tài)分布，且不存在全局離群值?？臻g數(shù)據(jù)探索分析完成后，進(jìn)行克里金插值(圖7)。

圖7 克里金插值后形變速率圖

從圖中可以看到實(shí)驗(yàn)區(qū)沉降速率基本都小于8 mm/a，幾個沉降速率較大的區(qū)域?yàn)椋赫憬莸膴A浦鎮(zhèn)、昆山的金庭鎮(zhèn)、蘇州的臨湖鎮(zhèn)和胥口鎮(zhèn)，由于地下水開采引起地下水位下降，導(dǎo)致地層內(nèi)部壓力失衡，含水層本身及頂、低板粘性土層失水壓密而引起的。本文研究區(qū)是一個跨太湖的條帶區(qū)域，陸地范圍不大，結(jié)果顯示只在胥口鎮(zhèn)有一個小的沉降漏斗，沉降速率達(dá)到了7 mm/a。該結(jié)果與相關(guān)部門采用傳統(tǒng)監(jiān)測手段獲取的結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 語

本文利用PS-InSAR技術(shù)對太湖周圍部分地區(qū)進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測，采用GIS空間分析方法，對PS點(diǎn)目標(biāo)線性沉降速率分布情況和離群值進(jìn)行分析，選用克里金插值法對線性形變速率進(jìn)行內(nèi)插，獲得了該地區(qū)高分辨率的形變速率圖。研究結(jié)果顯示，該地區(qū)在2004—2008年期間沉降速率基本都小于8 mm/a，沒有出現(xiàn)大面積的沉降漏斗，與相關(guān)部門監(jiān)測結(jié)果相吻合。