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1、Land subsidence Monitoring in Beijing based on SBAS methodSupervisor: XXXXXXXX UniversityJune XXXX第一章 绪论1.1问题提出及研究意义 地面沉降广泛存在于全世界的城市中，这是全球在城市化进程中出现的不可忽视的环境地质问题，这种连续且渐进的地质灾害一旦形成很难恢复，不仅给城市带来巨大危害，同时还影响到人类生命财产安危和区域的可持续发展。目前，我国已经有96个大中型城市发生了地面沉降，主要分布在长江三角洲地区，松辽、黄淮海、东南沿海和内陆河谷等平原地区，沉降总面积超48655 km2；其中全国累计沉降
2、量超过200 mm的地区达到7.9万km2，比较严重的地区有上海、天津、台北、西安、宁波、苏州等地，地面累计沉降量达4602780 mm，地面年沉降速率达1056 mm/a，已经造成上千亿元的经济损失1。当下长江流域、黄河流域、珠三角、松辽平原和环渤海地区及东南沿海城市的地面沉降由于过量开采地下流体资源已经形成巨型漏斗地面沉降在区域上呈扩张趋势，并且对地区基础设施建设造成极坏的影像，其形成和发展速度令世界震惊2。地面沉降现象日益恶化和严重，并在部分地区伴生地裂缝、岩溶塌陷等环境地质问题，其破坏性较大，给人民生命财产与社会经济发展带来严重威胁，已经成为制约区域环境、社会经济可持续发展的主要地质灾
3、害之一。严重的地面沉降可产生许多危害，特别是一些大中城市可能存在着较大的潜在的危险，主要表现在以下几个方面： 地面标高损失明显，地面低洼积水难排，河道泄洪能力下降，洪涝灾害加重； 地面沉降、地裂缝使建筑物基础下沉、工程设施损坏，长时期严重的地面沉降会造成地下排水管道的破坏，严重影响城市生活污水和雨后积水的排放； 地面沉降导致地下水环境恶化，影响居民生活用水。为了达到有效预防地面沉降以保证城市可持续发展和为城市发展规划提供可靠地质资料数据的目的，必须建立长期有效的地面沉降调查与监测机制并制订合理措施对沉降灾害进行预防与治理。常规的地面沉降监测一般包括高等级水准测量、地下精细观测方法（基岩标、分层
4、标等）和GPS网络技术监测等方法，这些方法虽然能够达到较高的地表形变观测精度，但这些方法往往耗费大量的人力物力，观测周期长，实测费用高，同时这些技术仅能获取离散点的形变量，而且在量测大范围的沉降灾害监测时这些技术劣势明显3。下表是几种地面沉降监测方法的比较。测量方法形变分量测量方式测量精度（mm）测量成本测量密度（每次）精密水准全站仪GPSInSAR垂直水平/垂直水平/垂直视线向线线网面0.1-102/55/2010高高较高低101001010010100105107地面沉降给社会经济和人民的生命安全等方面造成巨大的危害，直接影响区域经济的可持续发展，而实时监测地面沉降可以提前做出风险预警、灾
5、害预报与评估，避免重大的灾难事故的发生；可以为合理开采利用地下水资源、煤、油、气等矿产资源做出指导；可以作为城市的合理规划、发展、立法的依据。因此，实时监测地面的沉降对于维护人民的生命安全和经济的可持续发展具有很高的意义。 及时开展 InSAR 技术在地面沉降监测中的研究，可以实现地面沉降的大面积、低成本、高效率监测，尽快推动 InSAR 技术在我国地表形变监测领域的实际应用。因此，研究 InSAR 差分干涉测量的理论与实用化技术、研究利用 InSAR 技术监测地面沉降具有很高的研究价值和研究意义。1.2 InSAR技术及其发展近二十多年来，空间对地遥感观测技术发展迅速，合成孔径雷达干涉测量（
6、Interferometric Synthetic Aperture Radar，SAR）作为一种新兴的卫星微波遥感技术，尤其是在此基础上发展起来的雷达差分干涉测量技术（Differential InSAR，D-InSAR）为实现地面沉降的准确、高精度、大范围测量提供了全新的手段。与传统地表形变监测方法相比，D-InSAR技术在理论上可以实现mm精度（高程）、同时达到高分辨率（水平方向米级）、大范围（100*100 km2以上）的探测雷达视线方向的地表形变。1.2.1 InSAR技术国内外现状1969年Rogers等首先利用雷达复数数据提取得到地表三位信息，1972年Zisk报告了用雷达干涉技
7、术用于月球表面测绘的可行性。1974年，Graham首次利用机载双天线合成孔径雷达得到地形高度信息。随后，1986年，推进器实验室的Zebker和Goldstein研究利用机载SAR干涉获取地形数据，引起了学者的关注。1988年Goldstein利用机载SAR干涉技术处理了Seasat SAR数据，并且获得了理想的结果。Li及Goldstein在1990年研究了不同基线对地形制图产生的影响，因此提出了最优基线的概念。1991年，欧空局发射了C波段的ERS-1，方便人们利用相隔一段时间的图像进行干涉处理。1995年，ERS-2大大缩短了原有时间基线，提高了处理精度。2000年初，美国施行航天飞机
8、测图计划（SRTM），在短短的11天内，利用奋进号航天飞机成功获取了覆盖全球80%的地形数据，从而实现了全球数字高程模型的构建。在地表形变监测方面，1989年，Gabriel等首次论证了利用合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术监测微小地表形变的可能性，并利用Seasat L波段的SAR测量了美国加里福尼亚东南部的Imperial Valley灌溉区的地表形变。1993年，Massonnet等成功地用D-InSAR技术获取了1992年美国加州Landers地震(M=73)的同震形变场，与测量数据及弹性形变模型获得的结果吻合很好，这一结果发表在Nature上，引起了国际地学界的极大关注。
9、D-InSAR早期主要是研究比较明显的地震、火山等活动的形变，随着理论和技术的发展，D-InSAR技术研究范围涵盖了地面沉降、山体滑坡等微小持续的地面形变。欧洲也进行了D-InSAR应用在地面沉降监测的试验，选取区域在波兰的煤田，该煤田由于开采，地面普遍存在下降现象。1998年，试验者通过采用50张该区域的ERS雷达影像，采用D-InSAR的方法得到了煤田区域的形变量。在美国的加利福尼亚地区、法国的Gardanne地区，分别选择2颗ERS卫星的数据，利用InSAR技术监测了Belridge、Lost Hills油田和Gardanne附近的煤矿开采区的地面沉降，分别提取了不同时间周期内的沉降量变
10、化值，与对应时间周期内的水准测量结果的对比表明，InSAR处理结果十分令人满意，证实采用InSAR技术进行沉降监测是可行的。1999年，Wegmuller等利用1992年8月到1996年5月期间的ERS数据监测意大利Bologna城沉降情况，并与水准和GPS数据进行分析比较，得到较一致的形变场和形变速率。为了抑制失相关和大气影响对形变信息提取的负面影响，Sandwell和Price率先提出了基于多干涉图堆积（Stacking）平滑的方法。为了削弱大气延迟的影响，一些学者提出了利用地面气象数据或GPS所获得的天顶延迟量对D-InSAR结果进行大气改正，然而，这些数据分辨率过低只能在一定程度上降低
11、大气延迟的影响，无法改正大气相位，因此从D-InSAR结果中完全扣除大气影响较为困难。意大利人Ferretti等于2000年率先提出了永久散射体干涉（Persistent Scatterer Interferometry，PS-InSAR）的技术途径，不仅可以抑制失相关的影响，而且还可以分理出大气延迟与形变信息，从而提高形变观测的精度和可靠性。1999年，Usai提出了利用多幅干涉图反演地表形变时间序列的方法，该方法将形变问题转化成最小二乘问题。2002年，Bernardino等人Bernardino和Lanari等人对模型进行改进，提出了小基线集（Small Baseline Subsets
12、，SBAS）方法，并将其用于研究大尺度的形变。SBAS方法将SAR数据根据垂直基线大小组合成若干个集合，有效的减弱了空间去相干影响，而且增加了时间分辨率，具有高精度的地表形变监测能力，同时该方法有多余观测，增加了形变监测的可靠性，在此基础上研究了意大利南部的Campi Flegrei火山和Naples市区在空间低分辨率下(约100m*100m) 的时间序列形变，利用奇异值分解法的原则获得了很好的监测结果。2003年，Mora等人结合了PS和SBAS方法的特点，进一步提出了进行形变分析的方法，2005年，Lauknes等在对挪威首都Oslo的地表形变监测中，比较了SBAS和PS两种不同的干涉方法
13、，认为二者得到的相干性分布和形变模式是一致的。2005年，Casu等利用小基线集(SBAS)方法测量意大利Naples湾和美国Los Angles的地表形变，并与水准测量及GPS数据进行比较。2006年，Casu认为参考像元的选择对标准偏差的计算值有0.05mm/km的影响。在利用 D-InSAR 技术进行地表形变监测应用研究方面，国内还处在探索研究阶段，但也开展了许多研究，主要的研究有： 2000 年，王超、张红等人利用差分干涉测量技术完成了1998 年张北地震同震形变场的监测，提取了地震同震形变场，并对形变特征和震源构造进行了分析；2002 年，单新建等利用西藏那曲地区玛尼乡的六景ERS-
14、1/2 数据成功地获取了玛尼地区同震形变场。2002 年，路旭和Li Tao等利用ERS数据经过差分干涉测量处理提取了天津地区不同时间周期的地面沉降变化值，并与同时间周期的水准测量结果相比较，取得了满意的效果。王超等利用1993年至2000年ERS-1 SAR数据对苏州地面沉降进行了监测，通过与水准数据进行比较，所得结果与水准观测近似度达0.943，测量精度达到5mm。刘国祥等利用ERS-2 数据成功获取了香港赤腊角机场在近乎一年内的非均匀沉降场，与水准测量结果相比吻合较好。张红利用雷达差分干涉测量技术成功获取了苏州地区的地面沉降场。2004年，李陶等利用ERS-1 SAR数据对天津市1992
15、年至1997年地面沉降进行了研究，发现四个沉降漏斗，测得其中一个漏斗沉降速率与实测结果一致。2006年，Gong等利用JERS-1 SAR数据对沧州地区由于地下水开采进行了研究，结果表明实测结果与所得结果近似一致。这些实例都证明了雷达干涉测量技术在我国地面沉降监测广泛应用，也预示了广阔的发展前景。1.2.2 InSAR影像处理软件软件名称软件开发者运行平台备注GAMMA瑞士gamma remote sensingWindows，Linux商业化软件Earth view加拿大 Atlantis公司Sun，windows商业化软件SARscape瑞士SARMAP公司Windows，Linux商业化软件ISAR意大利SunDoris荷兰代尔夫特理工Windows，Linux，Sun源代码开放ROI_PAC推进器实验室（JPL）Sun，Linux，Mac OS源代码开放IDIOT柏林理工大学Sun，Linux，Mac OS，windows源代码开放ROI斯坦福大学Unix源代码开放RAT柏林理工大学Windows+IDL源代码开放PolSARpro欧洲空间局Windows免费Diapason法国CNESWindows，Linux
