李康會

（廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，廣東湛江 524049）

1 監(jiān)測研究區(qū)概況

本文選取珠江三角洲作為監(jiān)測研究區(qū)，珠江三角洲地區(qū)位于廣東省，在我國占據(jù)重要經(jīng)濟地位，但同時軟土分布較為廣泛，地質(zhì)構(gòu)造極其復雜，由于地殼適動與基底斷裂活動較為強烈，導致該基底形成多個斷陷與斷隆，進而積累過多沉積物，其松散沉積物厚度高達數(shù)百米，所以厚層松散沉積物的固結(jié)壓縮現(xiàn)象，就是珠江三角洲地區(qū)地面沉降災害的其中一個根本原因，此外，新近回填的人工填土結(jié)構(gòu)松散，在自身重力作用下出現(xiàn)固結(jié)壓縮現(xiàn)象，也會造成一定程度的地面沉降災害。綜上所述，避免珠江三角洲因地面沉降災害為區(qū)內(nèi)人類工程活動帶來嚴重影響，本文對該區(qū)的沿海地面沉降災害監(jiān)測進行深入研究。

2 采集地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集[3]是地面沉降災害監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要指將珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測過程中，不同結(jié)構(gòu)以及不同來源數(shù)據(jù)的收集并整合起來。本文在采集地面沉降災害監(jiān)測數(shù)據(jù)時主要采用衛(wèi)星遙感圖像，衛(wèi)星遙感圖像可以避免傳感器因意外損壞導致數(shù)據(jù)丟失等情況。由于珠江三角洲地區(qū)內(nèi)存在部分沉降量變化較慢的區(qū)域，所以需要在線隨時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足地面沉降的高精度監(jiān)測需求，這里本文引入PSInSAR 技術(shù)[4]來獲取衛(wèi)星遙感圖像，實現(xiàn)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，那么通過PS-InSAR 技術(shù)采集珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程如圖1所示。

圖1 地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集原理圖

地面沉降作為我國長期以來備受關(guān)注的地質(zhì)災害之一，對我國城市建設發(fā)展具有重要作用。地面沉降就是由于自然因素和人為因素造成地面出現(xiàn)連續(xù)且緩慢的下降運動，自2012 年以來，我國已經(jīng)有超過50 個城市發(fā)生地面沉降災害，尤其是珠江三角洲、汾渭盆地等重點地區(qū)，因為地質(zhì)沉降災害所造成的損失巨大，由此我國為有效推進地面沉降災害的防治工作，需要通過非接觸、高精度以及高效率的監(jiān)測方案，最大限度地確保重點地區(qū)的地面安全，降低城市經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)外眾多學者針對地面沉降災害監(jiān)測研究已經(jīng)取得一定成果，文獻[1]作者盧旺達等人為預防地面沉降帶來的災害，引入Sentinel-1A數(shù)據(jù)，獲得了有效的地面沉降監(jiān)測結(jié)果；文獻[2]作者鐘儲漢等人通過InSAR 技術(shù)監(jiān)測地面沉降速率，并利用干涉對剖線的形變趨勢驗證了監(jiān)測結(jié)果的正確性。本文參考相關(guān)資料，深入研究地面沉降的監(jiān)測方法，對地質(zhì)災害的防治具有一定現(xiàn)實意義。

由圖1 可知，當InSAR 數(shù)據(jù)平臺獲取遙感圖像后，會將其下載并存儲至Hadoop 文件系統(tǒng)中，然后經(jīng)過PS-InSAR 操作，就可以獲得珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測的時序數(shù)據(jù)，同時將此數(shù)據(jù)存儲于時序數(shù)據(jù)庫中，達到地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集目的。

3 預處理監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.1 圖像配準

由于珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜，在利用PSInSAR技術(shù)采集沿海地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)時，失相干誤差[5]嚴重，所以本文為提升監(jiān)測精度，對失相干誤差進行有效估計并剔除。首先需要進行圖像配準處理，也是消除失相干誤差的基礎，珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測遙感影像圖像的好壞將直接決定數(shù)據(jù)的相干性。一般情況下，如果兩幅衛(wèi)星遙感圖像進行精確配準，那么它們的干涉圖將會出現(xiàn)干涉條紋，且條紋較為清晰，如果配準不精確，那么出現(xiàn)的干涉條紋將會非常模糊，衛(wèi)星遙感圖像中的地理信息數(shù)據(jù)將會受噪聲影響。那么珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測圖像的配準，就是將其中一景遙感影像當作主圖像，然后將剩余影像進行校正，并將其采樣至主圖像的空間位置，如果多幅遙感影像呈現(xiàn)的是同一監(jiān)測區(qū)域，就需要將這幾幅影像在主圖像的空間位置坐標上以子像元級的精度進行配準，本文選取1/8個像元以內(nèi)的精度配準。圖像配準的具體步驟如下：首先在珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測圖像中尋找同名像點進行粗配準，無需較高精度，此時獲取圖像的初始偏移量；然后在監(jiān)測圖像上劃分為一些相同大小的窗口；最后根據(jù)每個窗口內(nèi)的同名點位置數(shù)據(jù)，構(gòu)建出監(jiān)測圖像的幾何變換模型。假設監(jiān)測圖像同名點()a,b在主圖像上對應的坐標為()a′,b′ ，那么監(jiān)測圖像的幾何變換模型如下所示：

式中：M——多項式階數(shù)；

φij、φij——變換待定系數(shù)值，此數(shù)據(jù)需要通過最小二乘法來獲得。

通過此式獲得珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測圖像的變換模型，其幾何畸變較小，數(shù)據(jù)精度更高。

3.2 消除失相干誤差

在對珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測圖像進行配準之后，就可以獲得干涉圖，由于受到多類型的失相干誤差[6]所干擾，導致監(jiān)測圖像的形變干涉結(jié)果極其不準，所以本文接下來需要將監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)的失相干誤差剔除。失相干誤差主要有基線、時間、多普勒中心、熱噪聲以及數(shù)據(jù)處理這五種失相干類型，其中基線失相干誤差主要是因為衛(wèi)星軌道重復測量導致的，衛(wèi)星遙感多次成像，入射角差異較大，所以出現(xiàn)基線失相干誤差；時間失相干誤差主要是由于地面地表散射體特征出現(xiàn)變化，造成監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)附加隨機的相位，進而出現(xiàn)時間失相干誤差；多普勒中心失相干誤差主要是因為衛(wèi)星遙感影像的多次獲取造成多普勒質(zhì)心重合所造成的；熱噪聲失相干誤差主要由于雷達天線的信噪比較高所導致的；數(shù)據(jù)處理失相干誤差顧名思義，就是在PS-InSAR 技術(shù)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)時出現(xiàn)的誤差。本文在消除失監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)的相干誤差時，引入相干性評價指標，也就是兩幅衛(wèi)星遙感圖像地理位置信息的相關(guān)系數(shù)η，其計算公式為：

式中：P[]. ——衛(wèi)星遙感影像信號總和平均數(shù)的計算函數(shù)；

X1、X2——兩幅衛(wèi)星遙感影像的復數(shù)信號參數(shù)；

X2*——X2的共軛復數(shù)值。

只需控制多幅珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害監(jiān)測圖像之間的相關(guān)系數(shù)η的值不超過1，就可以獲得較好的相干性，以此達到消除失相干誤差的目的。

4 提取地面沉降區(qū)域

為了進一步探究珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降情況，本文通過全局空間自相關(guān)算法，對沿海地面沉降[7]的空間異質(zhì)性進行研究，獲取地面沉降災害的不均勻程度，然后再通過局部自相關(guān)算法獲取沿海地面沉降的冷熱點區(qū)域。其中全局自相關(guān)算法主要利用Moran′s I指數(shù)來表征珠江三角洲的雷州半島地區(qū)內(nèi)全部空間對象之間的關(guān)聯(lián)程度以及空間對象的分布特性，Moran′s I指數(shù)的獲取公式為：

式中：N——沿海地面沉降監(jiān)測冷熱點區(qū)域的數(shù)量；

ωmn——沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域的空間權(quán)重矩陣；

cm、cn——沉降監(jiān)測區(qū)域m與n的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

cˉ——沉降監(jiān)測區(qū)域的平均數(shù)據(jù)。

MI 的取值通常在[-1,1]范圍內(nèi)，當MI ＜0 時，說明沉降監(jiān)測區(qū)域負相關(guān)，反之當MI ＞0 時，則說明沉降監(jiān)測區(qū)域正相關(guān)，如果MI=0，說明沉降監(jiān)測區(qū)域之間相互獨立。與此同時，根據(jù)局部自相關(guān)算法中的Moran′s I指數(shù)來檢驗全局沉降監(jiān)測區(qū)域，并獲得統(tǒng)計量，其表達式為：

式中：Tm——局部自相關(guān)算法檢驗監(jiān)測區(qū)域的統(tǒng)計量參數(shù)；

MIm——局部自相關(guān)算法的Moran′s I指數(shù)；

VAR(MIm)——局部Moran′s I 指數(shù)的置信度函數(shù)。

一般情況下，如果局部Moran′s I 指數(shù)為正相關(guān)且Tm大于0，說明珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域m 的監(jiān)測值較大，呈高高集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I指數(shù)為正相關(guān)但Tm小于0，說明珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降監(jiān)測區(qū)域m 的監(jiān)測值較小，呈低低集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I 指數(shù)為負相關(guān)且Tm小于0，呈低高集聚現(xiàn)象；如果局部Moran′s I指數(shù)為負相關(guān)但Tm大于0，呈高低集聚現(xiàn)象。然后結(jié)合沿海地面沉降趨勢以及梯度等信息，確定并提取出珠江三角洲地區(qū)出現(xiàn)沉降災害的區(qū)域，最后利用標準差橢圓方法獲取發(fā)生沉降災害區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度分布特征，實現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害的監(jiān)測。

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

據(jù)調(diào)查，珠中江一帶沿線主要地表水源為運河引水，除部分農(nóng)業(yè)用水和城鎮(zhèn)居民生活用水利用運河河水外，其他工業(yè)用水、農(nóng)林牧、漁業(yè)用水及居民生活用水多以開采地下水為主。長期以來，中、深層承壓水一直作為區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要供水水源，部分地段地下水資源的不合理開發(fā)，造成地下水水位持續(xù)下降，進而引發(fā)地面發(fā)生不均勻沉降。所以本文通過對地面沉降以及地下水位變化的監(jiān)測結(jié)果，來深入研究地下水開采對珠江三角洲地區(qū)沿海地面沉降災害的影響。按文中上述方法獲得2021年珠江三角洲地區(qū)中地面沉降災害多發(fā)的三個代表城市的監(jiān)測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 監(jiān)測區(qū)內(nèi)地面沉降量變化曲線圖

由圖2、圖3 可知，這三個城市的地面沉降和地下水開采量之間存在密切聯(lián)系。其中江門與中山兩個城市，地下水開采量隨時間推進逐漸減小并趨于穩(wěn)定，其地面沉降速率也隨之變小；珠海由于城市建設規(guī)模的擴大和工業(yè)的快速發(fā)展，地下水開采量快速增加，其地面沉降速率也隨之大幅提升，珠海已經(jīng)成為珠江三角洲地區(qū)新的地面沉降中心。綜上所述，可以得到研究結(jié)論：開采地下水所引發(fā)的沿海地面沉降速率與地下水開采量之間存在良好的對應關(guān)系。目前珠江三角洲地區(qū)開采地下水引發(fā)的地面沉降幅度不大，截止2021年12 月最大地面沉降量為190mm，對比國內(nèi)長三角、華北平原等地區(qū)的最大地面沉降量仍小于50mm，其地面沉降災害規(guī)模較小，仍處于可控范圍內(nèi)。地下水資源開發(fā)潛力巨大，只要合理布局和科學開采，便可抑制地面沉降災害發(fā)生。

6 結(jié)束語

近年來，人類工程活動導致地面沉降災害規(guī)模不斷擴大。本文以珠江三角洲地區(qū)為研究對象，利用PS-InSAR 技術(shù)對沿海地面沉降災害進行監(jiān)測。雖然本文所提方法已經(jīng)取得了一定研究成果，但仍需對PS-InSAR 技術(shù)獲取的沉降災害監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精細化探究，為滿足當下高速發(fā)展的社會經(jīng)濟，嚴格保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及精度。對降低地面沉降災害給珠江三角洲地區(qū)城市環(huán)境帶來的惡劣影響具有一定參考價值，本文期望為今后我國城市發(fā)展中的地面沉降災害防治工作提供參考。