基于PS-InSAR与SBAS-InSAR的地面沉降监测分析——以长江南京段沿江区域为例.pdf
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1、第54卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 16 0-0 6引用本文:陈媛媛,朱晨玮,郑加柱,等.基于PS-InSAR与SBAS-InSAR的地面沉降监测分析:以长江南京段沿江区域为例J.人民长江,2 0 2 3,54(8):16 0-16 5.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.,2 0 2 3基于 PS-InSAR 与 SBAS-InSAR 的地面沉降监测分析以长江南京段沿江区域为例陈媛媛,朱晨玮,郑加柱,王诗涵(南京林业大学土木工程学院,江苏南京2 10 0 37)摘要:为了全面掌握长江岸线区域的地面沉降情况,
2、为维护长江防洪安全以及河势稳定提供参考依据,以长江南京段沿岸5km缓冲区域为研究区域,采用PS-InSAR和SBAS-InSAR两种时序分析技术对2 0 17 年4月至2 0 2 1年4月期间30 景Sentinel-1A影像进行处理与分析比较,并分析了造成沉况降的原因。结果表明:两种方法所得的特征点的形变曲线变化趋势一致,通过对沉降点的年平均地表形变速率进行线性拟合以及对其差值进行正态分布分析,验证了两种方法所得结果具有一致性和可靠性;两种方法所得沉降区域分布情况大致吻合,该区域有5个沉降漏斗,分别位于浦口区的长江沿岸区域、雨花台区东北部与建邺区西南部的交界处、建邺区东北部与鼓楼区西南部交界
3、区域、八卦洲区域以及六合区张营水库区域;地质构造、城市改造建设及承压水头下降均对该区域地面沉降产生一定的影响。关键词:地面沉降;PS-InSAR;SBA S-I n SA R;时序分析;长江岸线;长江南京段中图法分类号:P237;P642.260引言江苏地处长江下游,是南水北调东线工程的水源地,也是长江黄金水道水上运输大动脉的重要组成部分。江苏省防洪保安任务重、河势控制难度大、水资源保护要求高、岸线利用强度大。确保长江江苏段防洪安全、维护河势稳定、促进长江生态向好发展等问题是长江治理的关键问题之一,其中,确保沿江岸线及其附近区域地面的稳定对于长江治理与保护至关重要,有必要开展长江沿岸区域的长周
4、期持续地面监测工作。目前,地面沉降监测的手段和技术主要有精密水准测量和全球定位系统(GPS)技术。这些传统的监测技术存在工作量大、效率低、易受测区范围影响等问题,且只能获取离散监测点的下沉量,无法监测地面下收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 5基金项目:江苏省水利科技项目(2 0 19 0 0 1);江苏省自然科学基金项目(BK20180779);南京林业大学青年科技创新基金项目(CX2018015)作者简介:陈媛媛,女,讲师,博士,主要研究方向为微波遥感图像处理。Email:文献标志码:AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023.08.022沉趋势和具体范围。合成孔径雷
5、达差分干涉测量技术(I n SA R)是一种全新的对地观测技术,它使用两幅或多幅合成孔径雷达影像图,根据卫星或飞机接收到的回波相位差来生成地表形变图,以探取地表的微小形变信息2 。InSAR技术具有全天时全天候探测、探测范围广、探测精度高、探测成本低等优点,但常规In-SAR技术常面临时间失相关、空间失相关和大气延迟的问题。为了解决这些问题,就产生了永久性散射体(Pe r s is te n t Sc a tte r e r,PS)和小基线集(Small BaselineSubsets,SBAS)时序分析等技术3-5,并且在城市地面沉降、矿山沉降、地震形变、火山活动等领域得到广泛的应用。目前,
6、已有不少专家基于不同的InSAR技术对南京市的地面沉降情况进行了研究与分析,如:黄其欢等采用13景ERS2SAR影像,基于短基线D-In-SAR方法对南京河西漫滩区进行监测,结果表明该区N.O,SI.第8 期域最大累计沉降量达12 cml。高二涛等采用2 0 152017年覆盖南京地区的2 3幅Sentinel1A 影像,基于PSI n SA R和SBAS-InSAR对南京主城区的地面沉降进行监测,结果发现该区域的最大沉降速率达30mm/a7。杨振等利用SBAS-InSAR技术对2 0 152018年的19 景南京河西的Sentinel1A 数据进行处理,发现该区域存在4个沉降漏斗8 。但是,
7、鲜有针对长江岸线南京段区域的时间序列地面监测研究。本文以长江岸线南京段附近区域为典型研究区域,获取了30 景欧洲航天局(以下简称“欧空局”)(Se n t in e l1A)卫星雷达影像,基于PSI n SA R和SBASI n SA R两种时序分析技术对南京段长江岸线区域进行地面沉降监测,并通过对特征点在两种方法结果中的形变曲线进行趋势分析,以及对8 6 59个经纬度完全相同的特征点的年平均沉降速率及其差值进行相关性分析和正态分布拟合,验证两种方法所得结果的一致性,从而保证研究区域沉降监测结果的可靠性与真实性。此外,还从地质构造、城市改造建设等方面对造成长江南京段地面沉降的原因进行了分析。1
8、研究区域及数据简介1.1石研究区域概况南京市位于长江下游中部,江苏省西南部。市域地理坐标为北纬3114 32 37、东经118 2 2 11914。南京市跨江而居,北边是广阔的江淮平原,东边靠近长江三角洲。南京市长江岸线保护办法对长江岸线做出了解释:长江岸线指本市行政区域内长江(含洲岛)水陆边界一定范围内的带状区域。本文将长江沿岸5km范围内的区域视为长江岸线区域(见图1红色边界内区域)。南京的地质在全国大地构造单元上属扬子古陆的北部边缘,基底主要是轻变质的片岩和变质的火成岩。对于南京长江沿岸地区而言,其地质条件主要特点是地质松散、承载力差、地下水位埋藏浅等。近年来地铁建设施工及地下空间开发等
9、一系列工程项目的开展,造成南京市地表以及长江岸线区域的沉降日益明显。1.2实验数据Sentinel-1A卫星由欧空局于2 0 14年4月在法属圭亚那库鲁发射,轨道高度6 9 3km,搭载的是C波段合成孔径雷达。它具有12 d的重访周期,并且有着多种极化方式和工作模式。本文选用2 0 17 年4月至2021年4月南京市30 景Sentinel-1A干涉宽幅(IW)模式VV极化的影像进行实验,影像空间分辨率为5m20m(方位向距离向)。由于IW模式的影像覆盖陈媛媛,等:基于PS-InSAR与SBAS-InSAR的地面沉降监测分析一一以长江南京段沿江区域为例Fig.1Location of the
10、study area范围比较大,本文在实验前对数据进行了裁剪。此外,实验还获取了Sentinel-1A卫星对应成像时间的精密轨道数据,地形参考数据使用的是南京地区12.5m高分辨率DEM产品数据。2数据处理2.1PS-InSAR 技术处理流程永久散射体的干涉测量技术(PSI n SA R)于2000年由Ferretti等人首次提出3,指通过对研究区域内长时间保持稳定散射特征的物体进行研究,即研究一组影像数据中具有高相干性与稳定反射特性的地物点作为PS-InSAR点以提取相位变化,从而避免时间失相关与空间失相关的问题,并且更好地削弱了大气效应对形变信息的影响,以得到更高精度的地面形变信息与DEM
11、9-101。PS-In SA R技术数据处理流程如图2 所示。N幅SLC的SAR图像连接图生成去平地效应差分干涉图生成参考DEMPS点选取第一次估算平均沉降速率与DEM校正系数图2 PS-InSAR技术流程Fig.2Technical process of PS-InSAR本实验选择2 0 19 年9 月2 日的SAR影像作为主影像,其余的SAR影像与之组成2 9 对干涉影像对。空间基线主要分布于-150 110 m之间,最长空间基线为-140.3 9 m,最短空间基线为-4.48 m。对每一161118150E118300E研究区域南京市地界118150E118300E图1研究区域地理位置大
12、气相位估算和剔除第二次估算平均沉降速率与DEM校正系数地理编码+PS点形变信息和平均沉降速率118450E鼓楼区秦淮118450E11900E11900E深水区119150E轨道数据精炼119150EN.O.St.IE162对像对进行干涉流数据处理,分别为影像配准、干涉图生成、去平地效应以及振幅离差指数计算。采用振幅离散指数方法1,显示单个像元值的相干性,辅助PS-InSAR点的筛选,完成高相干性目标点的初步选择。生成的干涉图需要剔除偏移相位,偏移相位根据振幅离差指数筛选多个参考点计算得到,参考点的个数可根据研究区域的面积大小设置,本次实验设置为每2 5km的区域选择一个参考点,重叠比例参数设
13、置为30%。使用ENVI提供的线性反演模型,基于选择出的参考点,对地表形变速率与地形残差进行估算。根据大气影响在空间上具有高相关性、在时间上具有低相干性的特性,将反演得到的地表形变速率与地形残差在空间上采用高通滤波,在时间上采用低通滤波,完成对大气延迟相位的估算,消除干涉相位中的大气延迟相位,克服D-InSAR的大气相干与时空相干等问题。再次使用ENVI提供的线性反演模型重新对地表形变速率与地形残差进行二次估算,获得PS-InSAR点最终的形变速率与残余高程12 。为便于在地理空间中对PS-InSAR点进行几何信息与形变信息的特征分析,需要将上述过程中获取的雷达坐标系下的PS点进行地理编码。本
14、次实验使用12.5m高分辨率DEM产品对PS点进行地理编码,相干系数阈值设置为0.7 5,经过数据处理得到具有高相干性的PS点,在ArcGIS中进行时序分析与空间分析。2.2SBAS-InSAR 技术处理流程小基线集算法(SBASI n SA R)于2 0 0 2 年由Be-rardino等人提出4,该技术仅需要少量的SAR影像数据组合成若干个短基线的干涉相对,从而得到多个差分干涉集合以增加干涉图的数量,再利用最小二乘法与奇异值分解法在解决时空失相关问题的同时增加采样率,以此获取连续且高精度的地表形变信息13-14SBAS-InSAR的主要技术流程如图3所示。该部分实验选择2 0 19 年11
15、月1日的SAR影像作为超级主影像,将其他的SAR影像与其进行配准。配准完成之后,需要对所有的干涉对进行时间基线与空间基线的筛选,由于本次研究获取的SAR影像数据集时间跨度较长(48 个月),故设置时间基线阈值为550d。此外,因为Sentinel1A 卫星轨道较为稳定,产生的偏差较小,所以设置空间基线为临界基线的45%。本研究通过引人12.5m的DEM数据来消除平地效应,采用最小费用流(MCF)方法进行相位解缠15。对解缠后的结果进行轨道精炼与重去平处理,选取高质量的地面控制点,通过多项式法来消除轨道人民长江参考DEM-差分干涉图生成3D解缠相位编辑GCP选取图3SBAS-InSAR技术流程F
16、ig.3Technical process of SBAS-InSAR参数误差与去除平地效应。随后,选择线性模型来初步估算形变速率与地形误差,再通过时间域高通滤波与空间域的低通滤波去除大气延迟误差。将 SBAS-InSAR反演结果进行地理编码,将斜距坐标系转换为地理坐标系。此外,需要将结果的栅格数据转换为矢量数据,以便在ArcGIS中进行空间分析。3结果分析与比较3.1PS-InSAR结果分析通过PS-InSAR数据处理流程得到研究区域的年平均形变速率图,以长江为对象构建一个5km的缓冲区对研究区域的地面沉降监测结果进行裁剪,最终得到长江南京段沿线区域的年平均形变速率图(见图4),其中红色矩形
17、表示主要沉降区域,紫色十字符表示特征点位置。118300E118400E花N.O,OS.1S118300E图4南京市长江岸线PS-InSAR监测结果Fig.4Monitoring result of PS-InSAR along the ChangjiangRiver shoreline in Nanjing City从图4可以看出,南京市长江流域的年平均形变速率分布范围为2 5 15mm/a,采用红色区域表示2023年N幅SLC的第一次估算平均位移SAR图像速率与DEM校正系数大气相位连接图生成估算和剔除第二次估算平均位移速率与DEM校正系数地理编码PS点形变信息和平均沉降速率轨道精炼118
18、500E饺118400E118500E11900E2011900E119100E0-20mm/a119100EN.0,01.Z8N.O,0O.0S.第8 期地面沉降,蓝色区域表示地面抬升。研究区域中的主要沉降区域分布于浦口区的长江沿岸区域(A)、雨花台区东北部与建邺区西南部的交界处(B)、建邺区东北部与鼓楼区西南部交界区域(C)、八卦洲区域(D)以及六合区张营水库区域(E),沉降严重的区域大多分布于长江沿岸,最大沉降速率达到-2 2 mm/a,最大沉降量达到-33mm,最大累计沉降量为-10 1mm。陈媛媛,等:基于PS-InSAR与SBAS-InSAR的地面沉降监测分析一一以长江南京段沿江区
19、域为例11900E花163118300E118400E118500E119100E0.01根据主要沉降区域的分布位置,发现沉降区域AN.O.OS.位于浦口区的江浦街道与顶山街道的连接地区,该区域范围内有地铁十号线通过且设有3个站点,其最大沉降速率为-19.3mm/a。包含地铁二号线与地铁十号线的建区地面沉降程度最严重,其西南地区与东北地区分别有两个沉降漏斗B与C,且在空间上具有相连成片的趋势,其中B区域最大沉降速率为18.2mm/a,C区域最大沉降速率为-19.8 mm/a。由于长江冲积作用形成的八卦洲地区的南部地区以及位于八卦洲北侧六合区的张营水库附近分别存在大面积沉降区域D与E,其中D区域
20、最大沉降速率为13.3mm/a,E区域最大沉降速率为-12.8 mm/a。3.2SBAS-InSAR 结果分析图5为采用SBASI n SA R技术处理所得的长江南京段缓冲区的形变速率图,其中红色矩形表示与图4对应的沉降区域,紫色十字符表示对应的特征点位置。由该图可以看出,南京市长江岸线年平均形变速率范围为-19 10 mm/a,在整个长江岸线,有5个主要沉降区,其位置分别在浦口区长江岸线(A)、建邺区东北部与鼓楼区西南部交界区域(C)、八卦洲区域(D)以及六合区张营水库区域(E)。最大沉降速率达到-19 mm/a,最大沉降量达到-44mm,最大累计沉降量为-8 8 mm,其中,A区(浦口区长
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