利用小基线集技术(SBAS)监测泉州地区地表形变

陈志谋，陈金座，罗楚楚，姚俊启，陈进清，崔家武

(1.福建伟志工程勘测股份有限公司，福建 晋江 362200；2.广东工业大学，广东 广州 510006)

利用小基线集技术(SBAS)监测泉州地区地表形变

陈志谋1，陈金座1，罗楚楚1，姚俊启1，陈进清1，崔家武2

(1.福建伟志工程勘测股份有限公司，福建 晋江 362200；2.广东工业大学，广东 广州 510006)

差分干涉测量(DInSAR)技术可用于监测厘米级甚至毫米级的地表形变。文中选用2007—2011年期间19景日本ALOS1/PALSAR 数据，采用短基线集技术(SBAS)获取了该地区的形变时间序列和平均沉降速率。研究结果表明：泉州东南部地区整体上呈抬升态势，上升速率为5 mm/a左右，主要是受到亚欧板块和西太平洋板块互相挤压作用的结果;泉州东南部有多处出现地表沉降，沉降的结果与泉州市统计的地区地下水开采数据相当吻合，因此沉降主要与地下水过度开采相关。

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)；小基线集技术(SBAS)；地面沉降；监测

我国地面沉降灾害始于20世纪20年代的上海及天津市区，到了70年代，长江三角洲主要城市及天津市平原区、河北平原东部相继出现地面沉降。据不完全统计，我国目前有96个城市和地区发生不同程度的地面沉降[1]，地面沉降又称地面下沉，它是指在人为活动的影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动。它不仅对自然环境造成严重破坏，而且影响人们的正常生活和生产，是城市可持续发展的重要障碍之一[2]。地表下沉是一个世界性的难题。均匀的地表下沉不会对城市建筑物或城市基础设施产生大的破坏，但是不均匀的地面沉降会严重威胁城市建筑和基础设施的安全。

传统的地面沉降测量方法包括水准测量、基岩标和分层标测量，但这些方法野外作业周期长，耗费大量人力、物力和财力，而且需要长期维护监测点的完整性；再加上这些方法的测量点分布稀疏，基于点的观测，难以在宏观上揭示整个形变区域的形变规律[3-5]。InSAR技术的出现弥补了上述测量方法只能监测有限离散点的不足，可实现大面积、非接触、全天候、高精度的形变监测，在地面形变监测方面显示出巨大优势[6-10]。

福建泉州位于亚欧板块和西太平洋板块交界处，处于我国五大地震带之一的东南沿海地震带，地震活动频次和强度均居全国较高水平。由于受到两大板块的挤压，研究区域在垂直方向上的形变整体呈上升趋势。同时，研究区域又处于长乐—南澳断裂带沿线发育的拉陷盆地当中，由于北东向断裂和北西向断裂的联合影响加上人类的活动以及城市地下水的过度开采，导致地表局部出现沉降。由于该地区雨量充沛，加上城市发展而导致的人工活动频繁，地表极易发生沉降塌陷、滑坡、地裂缝等各种地质灾害。因此，本文利用短基线集技术(SBAS)研究泉州地区近年来的地表形变状况，掌握地表形变时空演变过程和平均形变速率不仅具有很强的理论意义，更具实用价值，可为当地政府提供潜在的灾害预警信息和决策依据。

1 短基线集(SBAS)技术原理

SBAS技术即短基线集差分干涉测量技术，由Berardino等人[11-13]在2002年提出。利用已有的SAR影像数据集，对时空基线设置阈值，自由组合生成若干子集合，子集内采用最小二乘法提取形变信息，各子集间采用奇异值分解法进行联合求解，最终获取地表的微小形变信息。

假定在(t0,t1，…,tN)时间获取同一区域N+1幅SAR图像，根据干涉条件自由组合，可组合成M个干涉图，则

(1)

假设从tA,tB两个时间获得的SAR图像产生第j幅干涉图，去除平地和地形相位后，在x处的差分干涉相位为

(2)

式中：λ为雷达中心波长；d(tB,x)和d(tA,x)分别为相对于参考时间t0的雷达视线向累计形变；d(t0,x)=0;φ(tB,x)和φ(tA,x)分别为d(tB,x)和d(tA,x)引起的形变相位，利用线性模型估计N幅图像形变量，即

(3)

式中：Φ表示待求点上的N时刻SAR图像未知形变相位组成的矩阵;ΔΦ为M幅差分干涉图上相位值组成的矩阵，系数矩阵A[M×N]每行对应一幅干涉图，每列对应一个时间上的SAR图像，主图像所在列为+1，辅图像所在列为-1，其余为0。如果M>N，且A的秩是N，则利用最小二乘法可得

(4)

如果所有的SAR图像都属于一个小基线集，利用最小二乘法可得到形变相位。但实际上，这样的可能性很小，单个集合内时间采样不够，ATA是个奇异矩阵，使得方程存在无数解。为了解决这个问题，利用奇异值分解(SVD)方法将多个小基线集联合起来，求出最小范数意义上的最小二乘解。

2 实验数据

本次实验选用19景日本ALOS1.0级数据，传感器为PALSAR，采用L波段，波长为23.5 cm,具有良好的穿透能力，在最大程度上保证干涉像对在植被覆盖区域的相干性。获取卫星影像的时间跨度为2007-02-20—2011-03-03。

本文所用数据为0级数据，不能直接使用，首先对数据进行聚焦处理，将0级数据转化为1级数据，即将raw数据转化成能够使用的SLC数据，研究区如图1所示，其中红色方框为研究区。监测地区地处东经118°38′45″～118°42′05″、北纬24°38′ 45″～25°02′33″之间。测区南北长约39 km，东西长约31 km，面积约为1 209 km2，覆盖鲤城区、丰泽区、晋江市和石狮市的大部分，还有南安市、洛江区、惠安县的小部分，其中晋江市占大部分，如图1所示。

3 基于SBAS数据处理

3.1 生成连接图

通过时间基线、空间基线阈值和系统相关参数

图1 研究区域位置图

输入，生成SAR数据对连接图。经过多次参数设置尝试，本实验采用的空间基线阈值为300 m，时间基线阈值为415 d，最后得到77对干涉对, 如图2所示。

3.2 感兴趣区域裁剪。

由于影像覆盖范围大，达到70 km×70 km，处理数据量大且耗时，主要关注晋江市及周边地区，因此对影像进行裁剪。裁剪地区位于东经118°38′45″～118°42′05″、北纬24°38′ 45″～25°02′33″，区域内主要为城市地表，北部为山地，如图3所示。

3.3 干涉工作流程

干涉工作分成3步：干涉图生成及去平、自适应滤波和相干性生成、相位解缠。对生成的相干系数图、滤波后的干涉图、相位解缠图进行分析，相干性图是灰度图像，颜色从黑色到白色，代表相干性由低到高；相位解缠图也是灰度图像，黑色代表没有解缠结果的地方。相位解缠图中不同的颜色表明地表发生不同的形变。对77对像对的干涉结果进行分析，发现它们的相干系数图及相位解缠图效果较好，滤波后的干涉图质量较高，但201012-201103、 201101-201103这两幅滤波后的干涉图中出现明显的颜色条分带(见图4)，推断由轨道误差引起，因此将这两个干涉对进行剔除，使之不参与下一步数据处理。

图2 干涉影像对时空基线图

图3 裁剪的感兴趣研究区(小红色方框)

图4 滤波后的干涉图

3.4 轨道精炼和重去平

该步是估算和去除残余相位，主要包含大气误差和轨道误差。选择一景滤波后干涉图作为输入数据，选择参考DEM，其中选择相干性高、相位好、没有形变或已知形变的点作为控制点，选出的控制点如图5所示。

图5 控制点选取(红色十字丝)

3.5 SBAS反演第一步

初步估计位移速率和残余地形，用来对合成的干涉图进行去平，重新做相位解缠和精炼，生成更优化的结果。基于模型计算出所有像对的形变(日期、速度、加速度和加速度变化)和高程(校正值和新的DEM)，包括无位移模型、线性模型、二次方模型、三次方模型4个模型。其中，线性模型最稳定，其他模型需要密集的连接图和高相干性才能得到可靠的结果。

3.6 SBAS反演第二步

该步的核心是计算时间序列上的位移，在上一步得到形变速率的基础上，进行定制的大气滤波，从而估算和去除大气相位，再利用控制点数据去除大气相位和残余的相位，从而得到时间序列上的精确的高程和形变速率结果。

3.7 地理编码

对生成的形变图进行地理编码，得到84坐标系下的形变结果图，如图6所示。

图6 研究区域形变时间序列图(mm)

4 结果分析

从平均位移速率图上可以看到该研究区域东北—西南轴线两边地表轻微抬升(见图7)，其中大部分地区速率处于10mm/a以下，这与该地区由于受到欧亚板块和西太平洋板块挤压在垂直方向上呈上升趋势相吻合。

图7 研究区域平均位移速率图

从图8中可以明显看出，东南部地区即石狮市大部分地表出现沉降，其中大部分沉降速率处于-10～-20 mm/a之间。此外测区的西北角(南安市)也出现大片沉降，形变速率为-10 mm/a左右。而在两江的入海口处，沉降最为严重，许多地方沉降速率达到-20～-40 mm/a。其中丰泽区以及洛江区的临江地区下降尤为严重，有不少地方沉降速率达到-40 mm/a。经过查找资料发现这里属于入海口，土地为多年沙土堆积形成，地质条件较差，加上这些地区的高层建筑逐渐增多，土地的应力平衡状态遭到破坏，进而造成地表下降。在晋江临海地区(陈埭镇)，即图8中的4号地区，出现了沿着海岸线带状沉降，沉降带长达10 km。经过分析及考察，发现该地区建筑密集，分布有多个工业区，如陈埭镇江头工业区、李埭洋工业区、溪边工业区等，工业区内建有大量工厂，其中主要为鞋厂。大量工厂对水的需求量较高，采水严重，再加上靠近海边，土质较为松软，造成土地的大片下沉。

图8 平均速率图(叠加在强度影像图)

5 与水准数据的比较

为了保证水准点位和雷达影像点坐标准确对应，首先将视线向(LOS)的沉降速率投影到垂线向，在距离水准点100 m的范围内搜索相干目标点，选取距离最近的相干目标与水准数据相对比。试验数据提取2010—2011年两期观测结果，计算出水准和雷达干涉的年形变量值(正值表示沉降，负值表示隆起)，见表1所示。

表1 2010年～2011年地面监测形变值 mm

根据表2的监测数据可知，InSAR和水准监测的形变量均值为1.9 mm,中误差为-1.8 mm。大部分的比较结果都在2倍的中误差范围内，可见结果是非常可靠的。

6 结 论

本文运用SBAS时序分析方法对泉州东南部的城市地区2007-2011年间的地表形变进行监测，分析地表形变与板块运动的关系(亚欧板块和西太平洋板块)以及与地下水开采的关系，并得到以下结论：

1)泉州东南部地区整体上呈抬升态势，上升速率为5 mm/a左右，主要是受到亚欧板块和西太平洋板块互相挤压的结果。

2)泉州东南部有多处出现地表沉降。沉降的结果与泉州市统计的地区地下水开采数据相当吻合，因此沉降主要与地下水过度开采相关。

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[责任编辑：张德福]

Monitoring the ground deformation in Quanzhou area withsmall baseline subset (SBAS)

CHEN Zhimou1,CHEN Jinzuo1, LUO Chuchu1,YAO Junqi1,CHEN Jinqing1,CUI Jiawu2

(1.Fujian Weizhi Surveying and Mapping Engineering Co., Ltd., Jinjiang 362200,China;2.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

DInSAR can monitor the ground deformation at centimeter or even more minute levels. This paper choses 19 Japan ALOS1/PALSAR images from February 2007 to March 2011, using the small baseline subset of differential interferometry (SBAS) to obtain the time series deformation and the average sedimentation rate in this area. The result shows that: a.The southeast of Quanzhou is uplifted in the whole area, and the rising rate is about 5mm/a, which is mainly due to the mutual extrusion of Eurasian plate and western Pacific plate; b.There are some surface subsidence in the southeast of Quanzhou, which coincides well with the groundwater exploitation data of Quanzhou. So the settlement is mainly related to the over-exploitation of groundwater.

interferometry synthetic aperture radar; small-baseline subset; land subsidence; monitoring

著录：陈志谋，陈金座，罗楚楚，等.利用小基线集技术(SBAS)监测泉州地区地表形变[J].测绘工程，2017，26(7)：36-40.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.008

2016-07-17

国家自然科学基金资助项目(41204012)

陈志谋(1976-)，男，高级工程师.

TU196

A

1006-7949(2017)07-0036-05