陳佳煒，吳希文，王 華，陳炳杰

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006；

2. 廣東工業(yè)大學(xué) 大灣區(qū)城市環(huán)境安全與綠色發(fā)展教育部重點實驗室, 廣東 廣州 510006）

近年來，我國城市地面沉降災(zāi)害頻發(fā)[1]，嚴(yán)重影響社會的穩(wěn)定運行。為了防治和減小地面沉降及其帶來的影響，精確而高效的地面沉降監(jiān)測是必要手段?，F(xiàn)階段，精密水準(zhǔn)測量和全球定位導(dǎo)航測量等傳統(tǒng)大地測量方法雖能提供較高精度的測量結(jié)果，但在大范圍的沉降監(jiān)測中需要耗費巨大的人力物力，存在一定的局限性[2]。

作為空間大地測量和遙感技術(shù)結(jié)合體的星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)能提供高精度、高分辨率、大尺度的形變監(jiān)測結(jié)果，是現(xiàn)今國內(nèi)外監(jiān)測地面沉降的重要手段和研究方向[3-5]。其中，永久散射體干涉測量(Persistent Scatterer Interferometry，PSI)技術(shù)作為時序InSAR技術(shù)的一種，被廣泛應(yīng)用于地表形變監(jiān)測[6-7]。

時序InSAR技術(shù)的原理是通過獲取多景SAR影像中的高相干點，并對高相干點的相位信息進行大氣延遲、軌道、高程等誤差的改正，最終獲取地表形變結(jié)果[8-11]。然而，由于該技術(shù)是以影像中的高相干點為基礎(chǔ)進行的，因此在相干性差的區(qū)域容易出現(xiàn)由于高相干點密度過低或無高相干點導(dǎo)致的形變監(jiān)測結(jié)果差甚至無形變結(jié)果的情況。由此，提高高相干點的密度和質(zhì)量成為了該技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

伴隨合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)傳感器技術(shù)的發(fā)展和新一代衛(wèi)星的發(fā)射，SAR數(shù)據(jù)實現(xiàn)了由單極化向雙/多極化的轉(zhuǎn)變。雙/多極化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為解決上述技術(shù)難題提供了新的方向。1998年，Cloude等[12]提出采用Pauli向量轉(zhuǎn)換而成的簡化散射矢量對全極化SAR圖像中的每個像元的像素值進行表示。2009年，Pipia等[13]成功利用地基SAR所拍攝的雙同向極化數(shù)據(jù)進行時序InSAR處理，獲取了西班牙薩連特村的地面形變結(jié)果。2010年，Navarro-Sanchez等[14]在Pipia的研究基礎(chǔ)上，成功將星載SAR的雙同向極化數(shù)據(jù)應(yīng)用于時序InSAR技術(shù)中。2014年，Iglesias等[15]提出依據(jù)選取像素最優(yōu)化通道，從而得到像素的最優(yōu)相位的極化優(yōu)化方法。2019年，Zhao等[16]基于平均時間相干性/振幅離差指數(shù)最優(yōu)原則，提出了結(jié)合相干矩陣分解法(Coherency Matrix Decomposition, CMD）和最優(yōu)極化通道法（BEST）的CMD-BEST方法?；谏鲜鲅芯浚疚囊罁?jù)散射體的散射性質(zhì)對Sentinel-1A衛(wèi)星影像的兩種極化模式(VV＆VH)數(shù)據(jù)進行組合，并基于像素振幅離差指數(shù)最優(yōu)的原則進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進行時序InSAR處理；將雙極化數(shù)據(jù)處理結(jié)果與單極化數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行對比分析，驗證該方法的可行性和可靠性；對實驗結(jié)果中的重點沉降區(qū)域進行分析，確定其沉降規(guī)律和成因。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域及概況

高欄港經(jīng)濟區(qū)位于珠海市金灣區(qū)西南沿海，總面積約為380 km2，是依托華南沿海主樞紐港高欄港而設(shè)立的經(jīng)濟功能區(qū)。區(qū)內(nèi)遍布海運、石油、化工等多種產(chǎn)業(yè)，是廣東海洋經(jīng)濟中最具活力和潛力的地區(qū)之一。

本文所選研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍為113.16°E～113.25°E、21.9°N～22°N，屬于填海區(qū)，面積約為145.75 km2，位于高欄港經(jīng)濟區(qū)的中部。研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地質(zhì)條件極不穩(wěn)定，除土壤含水量高外，區(qū)域中大量淤泥為欠固結(jié)軟土，存在極高的沉降風(fēng)險[17-18]。同時該區(qū)域內(nèi)快速的經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)和土地開發(fā)更加劇了沉降災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。因此，該研究區(qū)域具有較高的監(jiān)測價值和研究意義。

1.2 數(shù)據(jù)源

實驗選取覆蓋研究區(qū)域的47景雙極化Sentinel-1A衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，影像參數(shù)如表1所示。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)選用航天飛機雷達(dá)地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)的數(shù)據(jù)。

表1 雷達(dá)影像參數(shù)Table 1 The parameters of radar satellite data

2 原理與方法

PSI技術(shù)的技術(shù)路線是從一系列SAR影像數(shù)據(jù)中選出高相干性的像素點，即永久性散射體，通過對其相位組成成分進行時空分析和一系列的誤差剔除，最終獲得高精度的地表形變結(jié)果[8-9]。在PSI技術(shù)中，永久散射體的選取通常以振幅離差指數(shù)DA作為標(biāo)準(zhǔn)[9]，振幅離差指數(shù)DA表示為

式中： σa為 單個像素的振幅的標(biāo)準(zhǔn)差，aˉ為單個像素振幅的均值，N表示影像的景數(shù)，S為像素的復(fù)數(shù)信號值。為保證所選像素點具有較高的相干性，通常選擇0.4作為閾值，即當(dāng)像素的振幅離差指數(shù)DA≤0.4時，將被視為PS候選點。

在全極化SAR影像數(shù)據(jù)中，每一個像素值可以用簡化散射矢量K進行表示[12]。

式中：S表示像素的復(fù)數(shù)信號值，HH、VV、HV表示各個極化方向。對于雙極化的Sentinel-1A數(shù)據(jù)，簡化散射矢量K表示為[19]

在雙極化數(shù)據(jù)中，采用復(fù)酉矢量 ω對散射體的散射特性進行表示，其表達(dá)式為[14,20]

式中： α表示對應(yīng)散射體的散射機制， ψ為散射相位角。將每個像素的目標(biāo)散射矢量K投影到復(fù)酉矢量ω上求得其對應(yīng)的散射系數(shù)μ，其計算公式為[21]

式中： *表示共軛運算，散射系數(shù)μ 等同于單極化數(shù)據(jù)中像素的復(fù)數(shù)信號值。因此，通過將式(3)～(5)代入到式(1)，得到雙極化數(shù)據(jù)模式下振幅離差指數(shù)DA的計算公式為

在時序InSAR技術(shù)中，振幅離差指數(shù)DA反映像素相位信息的可靠程度，像素的振幅離差指數(shù)DA越小，該像素的相位信息越可靠[8-9]。基于此理論，本實驗在散射參數(shù) α 和 ψ的定義范圍內(nèi)，以0.005 rad為間隔，采用窮舉法計算所有散射參數(shù)組合所對應(yīng)的像素振幅離差指數(shù)DA，進而求得像素的最小振幅離差指數(shù)DA及其對應(yīng)的散射參數(shù)組合，最終求得每個像素的最佳散射系數(shù)μ。在完成所有像素的最佳散射系數(shù) μ的計算后，選取振幅離差指數(shù)DA≤0.4的像素點作為PS候選點，將其極化信息和相位信息利用GEOS-PSI軟件進行時序InSAR處理，篩選出PS點，并利用PS點獲取研究區(qū)域的地表形變結(jié)果，實驗流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flow

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 高相干點的數(shù)量和密度

為驗證本實驗方法的可行性，本文將對雙極化數(shù)據(jù)和同向極化VV/交叉極化VH數(shù)據(jù)所處理得到的PS候選點和PS點的數(shù)量和密度進行對比，結(jié)果如表2所示。

由表2可得，在PS候選點數(shù)量和密度方面，采用雙極化數(shù)據(jù)相比于采用單極化(VV/VH)數(shù)據(jù)提高了6.1倍和7.8倍。在PS點數(shù)量和密度方面，采用雙極化數(shù)據(jù)相比于單極化(VV/VH)數(shù)據(jù)提高了2.1倍和2.7倍。相較于PS候選點，PS點的數(shù)量和密度提高的幅度較小，其原因是大量像素點經(jīng)過相位優(yōu)化后被選為PS候選點，但其時間相干性仍然較差，無法經(jīng)過篩選成為PS點，由此造成PS點的密度和數(shù)量的提高幅度遠(yuǎn)低于PS候選點的情況。以上實驗結(jié)果表明：采用振幅離差指數(shù)最優(yōu)的方法對雙極化數(shù)據(jù)進行處理能有效提高InSAR特征點的數(shù)量和密度。

表2 PS候選點及PS點的數(shù)量和密度Table 2 The number and density of PSC and PS points

圖2為研究地區(qū)中部分區(qū)域的PS點分布情況。如圖所示，區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ中PS點的分布密度大小均依次為：雙極化＞同向極化VV＞交叉極化VH。此外，相較于單極化(VV/VH)數(shù)據(jù)的PS點獲取結(jié)果，采用雙極化數(shù)據(jù)所獲得的PS點分布范圍更廣。綜上可得：采用雙極化數(shù)據(jù)能夠有效提高PS點的分布密度和擴大PS點的分布范圍，從而能夠有效地提高時序InSAR技術(shù)的監(jiān)測水平。

圖2 PS點分布情況Fig.2 The distribution of PS points

3.2 地面形變結(jié)果驗證及分析

本文利用雙極化時序InSAR方法對實驗區(qū)域的形變情況進行探究，得到了研究區(qū)域的地表形變結(jié)果。實驗結(jié)果顯示，研究區(qū)域的年平均形變速率范圍為-69.4～18.3 mm/a。為對實驗結(jié)果進行驗證，本文將雙極化數(shù)據(jù)與單極化(VV/VH)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果中的研究區(qū)域整體平均沉降速率及其標(biāo)準(zhǔn)差進行對比(見表3)。依表3可知，3種數(shù)據(jù)的沉降結(jié)果在整體上保持一致。三者的平均沉降速率差均不超過0.2 mm/a，其沉降速率標(biāo)準(zhǔn)差的差值在1.1 mm/a以內(nèi)。同時，雙極化數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與同向極化VV數(shù)據(jù)的處理結(jié)果更為接近，其主要原因是實驗過程中所采用的極化加權(quán)法，對相干性更好的同向極化VV數(shù)據(jù)賦予了更高的權(quán)重。圖3為利用雙極化數(shù)據(jù)處理得到的研究區(qū)域地表形變結(jié)果。從圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)存在多處沉降；大部分沉降區(qū)的平均沉降速率超過了30 mm/a，嚴(yán)重沉降區(qū)形成了沉降漏斗。為對雙極化數(shù)據(jù)處理的沉降結(jié)果進一步驗證，本文將其與賴波等處理2017～2018年的Sentinel-1A衛(wèi)星影像得到的沉降結(jié)果[22]、李治斌等處理2017～2019年的Sentinel-1A衛(wèi)星影像所得到的沉降結(jié)果[23]進行對比，發(fā)現(xiàn)雙極化數(shù)據(jù)處理得到的沉降區(qū)域與上述兩篇文獻(xiàn)的沉降區(qū)域在分布和范圍上基本一致；同時，對應(yīng)沉降區(qū)域的沉降速率十分相近。綜上，通過與兩種單極化(VV/VH)數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果及該區(qū)域已有監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證了本實驗中雙極化數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠性。

表3 雙極化、單極化VV/VH沉降結(jié)果比較Table 3 Comparison of displacement result between dual-pol and single-pol VV/VH

圖3 實驗區(qū)域沉降速率圖Fig.3 Displacement of the experimental area

為探究其沉降成因和規(guī)律，實驗選取嚴(yán)重沉降區(qū)中的特征點進行時序分析，位置如圖3所示，其經(jīng)緯度分別為：A (113.223 4°N, 21.985 7°E)、B (113.234 1°N, 21.993 6°E)、C (113.238 3°N, 21.954 4°E)。圖4為所選特征點A、B、C的沉降時間序列。由圖可得，3個特征點均呈線性沉降的趨勢，且沉降速率均超過40 mm/a。其中A點的沉降情況最為嚴(yán)重，其沉降速率超過60 mm/a。經(jīng)調(diào)查，3個嚴(yán)重沉降區(qū)在監(jiān)測時段內(nèi)并未進行大型的施工建設(shè)，因此排除了由于房屋建設(shè)導(dǎo)致地面沉降的可能。與此同時，通過對其地質(zhì)條件進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地處海陸交界，故土質(zhì)多為淤泥類軟弱土層，且大部分軟弱土層為未固結(jié)土，含水量超過60%，具有極高的壓縮系數(shù)。在這種極不穩(wěn)定的地質(zhì)條件下，一旦受到較大外力作用，容易發(fā)生地表沉降災(zāi)害。此外，調(diào)查資料顯示該研究區(qū)域在2008年到2016年間進行了大規(guī)模的填海造陸，并在其施工過程中選用了先分隔圍堰，后陸上拋石擠淤進行回填的填海方式，該方法導(dǎo)致填土層需要經(jīng)過由未固結(jié)態(tài)到固結(jié)態(tài)的轉(zhuǎn)變，在此過程中勢必出現(xiàn)地表的沉降。綜上可得，該地區(qū)的地質(zhì)條件和填海工程是導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重地表沉降的主要原因。鑒于該地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象，需要對該區(qū)域進行持續(xù)的監(jiān)測并采取必要的防治措施，避免造成經(jīng)濟和人員的損失。

圖4 特征點沉降時間序列Fig.4 Displacement time series of the feature points

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)時序InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合極化SAR理論建立了基于雙極化時序InSAR技術(shù)的地表形變監(jiān)測模型。選取珠海市高欄港經(jīng)濟區(qū)為研究區(qū)域，以47景Sentinel-1A衛(wèi)星的雙極化(VV/VH)影像作為數(shù)據(jù)源進行研究驗證，得到以下結(jié)論：

(1) 基于雙極化時序InSAR技術(shù)的地表形變監(jiān)測模型能有效提高InSAR特征點的數(shù)量和質(zhì)量，從而有效解決PS監(jiān)測點在相干性較差的地區(qū)分布少或無分布的問題。

(2) 利用47景雙極化Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)對實驗區(qū)域進行沉降研究，分析對比了單極化數(shù)據(jù)的沉降結(jié)果，驗證了采用雙極化數(shù)據(jù)進行時序InSAR處理的可行性和可靠性。

(3) 樣本地區(qū)地面沉降的主要成因是地質(zhì)條件和填海工程，該結(jié)果可為后續(xù)沉降監(jiān)測和防治提供有力的理論依據(jù)和支撐。