曹妃甸新区PS-InSAR技术沉降监测及分析_聂运菊.pdf

收稿日期:2022 10 08;修订日期:2022 11 17作者简介:聂运菊(1978)，女，博士，副教授，从事干涉合成孔径雷达测量的理论和实验研究工作。基金项目:国家自然科学基金项目(41861052)。*通信作者:熊倩(1997)，女，硕士研究生，研究方向为 InSA 理论与应用。E mail:2050009601 qq com。第 41 卷第 1 期2023 年 2 月江西科学JIANGXISCIENCEVol 41 No 1Feb 2023doi:1013990/j issn1001 3679 202301012曹妃甸新区 PS InSA 技术沉降监测及分析聂运菊，熊倩*，计玉芳，刘强(东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌)摘要:随着曹妃甸新城的快速发展，地面沉降现象越来越引人重视，为分析该区域的沉降特征与原因，利用2019 年 2 月至 2021 年 12 月共 35 景 Sentinel 1A 影像，基于 PS InSA 技术，获取了曹妃甸新区的地表沉降信息，提取特征点累计沉降量并分析沉降区域时空变化特征。结果显示:研究区整体区域沉降，主要沉降区位于西南方向，形变速率集中在 32 30 3 48 mm/a;形变最严重区域位于唐山湾生态城，最大沉降量超过170 mm，形变区域面积较大且未达到稳定状态，未来仍会继续下沉。监测区的沉降主要与地下水开采、建筑设施荷载及吹填土自身压缩固结有关。关键词:曹妃甸新区;PS InSA;地面沉降;时序变化中图分类号:P237文献标识码:A文章编号:1001 3679(2023)01 062 05Settlement Monitoring and Analysis of PS InSA Technologyin Caofeidian New AreaNIE Yunju，XIONG Qian*，JI Yufang，LIU Qiang(School of Surveying and Mapping Engineering，East China University of Technology，330013，Nanchang，PC)Abstract:With the rapid development of Caofeidian New City，the phenomenon of land subsidencehas attracted more and more attention In order to analyze the subsidence characteristics and causesof this area，35 Sentinel 1A scenes from February 2019 to December 2021 were used in this paperBased on PS InSA technology，the land surface subsidence information of Caofeidian New Area isobtained The cumulative settlement amount of feature points is extracted and the spatio temporalvariation characteristics of the settlement area are analyzed The results show that the overall regionalsettlement of the study area is mainly located in the southwest direction，and the deformation rate isconcentrated in the range of 32 30 mm/a to 3 48 mm/a The most serious deformation area islocated in Tangshan Bay Ecological City，with the maximum settlement exceeding 170 mm The de-formation area has a large area and has not reached a stable state The subsidence of the monitoringarea will continue to sink in the future，which is mainly related to the load of groundwater miningconstruction facilities and the self compression and consolidation of the blowfillKey words:Caofeidian New Area;PS InSA;land subsidence;sequential variation0引言为更好地发挥沿海优势将曹妃甸建造成大型深水港口，唐山市开展浩大的曹妃甸工程，铺路架桥，填海造地，打桩建港。2008 年成立唐山市曹妃甸新区，开始大规模的全面开发建设。首钢京唐钢铁厂等大型企业的搬入以及基础设施的建设，会加速土层的压缩而引起地面沉降。因此，有必要对曹妃甸新区的地面沉降进行监测，以便更好地了解其时空演变，从而减少经济损失，保证设施建设的安全。针对地表形变问题，传统的地面沉降监测方法包括水准测量、GPS 标石等基于点目标的监测，虽然精度高，但观测周期较长，耗费人力物力，且测量范围有限，往往无法直观反映地表沉降的面状全貌，满足不了大范围地面沉降监测的需要1。合成孔径雷达干涉测量技术(Interferomet-ric Synthetic Aperture adar Technology，InSA)2 具有监测范围广、监测精度高、全天时全天候的优势，被广泛用于监测长时间的大范围微小形变和地质灾害。而使用 InSA 技术对填海造陆区进行沉降监测已有成功的应用。Zhou 等3 结合土地利用规划分析了厦门翔安机场填海区沉降演变特征，表明 InSA 技术可以在机场填海区监测大面积沉降。杨国创等4 联合时序 InSA 和 GNSS技术监测了深圳和香港海岸线的地表形变，获取到了形变区域的水平变化信息。王群等5 以围海造陆工程新建围堤作为监测对象，评价了 In-SA 技术在填海围堤沉降监测领域的适用性与可靠性。刘媛媛等6 基于 PS InSA 监测了太原市的地面沉降情况，通过二维线性回归分析形变速率，并与同期水准测量结果进行精度验证，发现二者具有很强的一致性。曹妃甸填海造陆工程作为我国规模最大的吹沙造地区域7，填海面积达 310 km2，曹妃甸港也将被规划建设成为世界一流的综合性国际大港。但围海造陆形成的吹填土属于欠固结土8，具备产生地面沉降的内在条件。本文利用覆盖曹妃甸新区的 35 景 Sentinel 1A 影像，基于 PS InSA技术对实验区域进行地面沉降过程监测，研究其形变特征，发现潜在的地面沉降风险，从而为填海地区的地质灾害预警与管理提供决策参考。1PS InSA 技术原理常规 D InSA 技术9 10 由于容易受到大气环境变化和地物散射特性的影响，在干涉时很难区分大气延迟相位和时空失相干噪声相位，导致应用 D InSA 技术对大面积缓慢地面形变的监测精度比较低。永久散射体雷达差分干涉测量技术(PS InSA)是在 D InSA 技术的基础上发展起来的，减弱了 D InSA 技术易受到大气延迟、失相干噪声和地形残余相位的影响，大幅提高了形变监测的精度11。PS InSA 技术最早由Ferretti 和 Prati 等人于 2001 年最先提出12，该方法利用研究区的 N+1 幅 SA 影像，综合考虑相干因素后选取 1 幅作为公共主影像，剩余 N 幅影像分别与主影像进行配准、干涉处理，得到 N 幅差分干涉图。每幅差分干涉图中的像元包含了 5个相位分量:ins=atm+def+orb+top+noi(1)其中:ins为像元干涉相位，atm为大气延迟相位，def为雷达视线向形变相位，orb为轨道误差引起的相位，top为 DEM 误差引起的残余地形相位，noi为噪声相位。利用外部 DEM 去除平地效应后计算振幅离差指数(D)13，根据 D 值提取稳定、高相干的永久散射体点(persistent scatterer，PS)，并分析这些 PS 点的历史相位信息，从而建立关于相位的线性函数模型，通过最小二乘平差估算其形变速率，精确地反演地表形变。2研究区概况与数据2 1研究区概况曹妃甸新区位于唐山南部沿海，是新发展的一颗明珠。地理坐标为北纬 N11830 11845，东经 E3910 3920，地处大陆和海洋交汇地带，降雨主要集中在 79 月，年降水量为 560 600 mm。新区规划面积为 1 943 km2，依照规划，曹妃甸填海建设获取的面积近 310 km2。填海用料主要为土石、沙土、泥浆等，土质松软，在大规模建设下易导致地表形变，从而对基础设施的安全造成威胁，对其进行全面及时的沉降观测非常有必要。图 1研究区范围2 2数据介绍实验选取曹妃甸新区及其周边作为研究区36第 1 期聂运菊等:曹妃甸新区 PS InSA 技术沉降监测及分析域，以覆盖研究区的升轨 35 景 Sentinel 1A 影像为数据源，时间跨度为 2019 年 2 月至 2021 年 12月，采取波长为5 6 cm 的 C 波段，极化方式为 VV极化，入射角约为44。DEM 数据采用30 m 分辨率的 STM 空间分辨率数据，精密轨道数据来源于 PDGS 的 AUX_POEOB 精密定轨星历数据，用于去除因轨道误差引起的系统性误差。2 3数据处理考虑数据时间基线和空间基线阈值以及影像获取时的天气状况，选取 20200616 一期为主影像。进行差分干涉时，所有影像都配准到主影像上，采用 Goldenstin 滤波方法，生成干涉图，利用DEM 去除地形相位后，再转换到主影像坐标系。PS 的核心是第 1 次形变反演和第 2 次反演，第 1次形变反演主要是采用最大化时间相干性从差分干涉图中估算形变相位以及残余高程信息，第 2次反演是分离大气延迟相位以及估算目标高程和雷达视线向上形变速率。由于该区域植被较多，导致部分区域相干性较低，考虑到 PS 点分布的疏密情况，经过多次试验，将振幅离差阈值设置为0 75，提取出近13 万个 PS 点。最后进行 PS 地理编码，得到地理坐标系下的栅格和矢量结果，运用ArcGIS 软件对其进行统计分析与空间分析。具体流程如图 2 所示。图 2PS 技术处理数据流程图3结果分析基于 Sentinel 1A 影像通过 PS InSA 技术反演的曹妃甸新区地表沉降结果如图 3 所示，可以看出，曹妃甸新区地面沉降在分布态势上表现出不均匀的特征。图 3 中正值表示地面在垂直方向抬升，负值表示地面在垂直方向下沉。研究区内共提取了约 13 万个相干点。通过 PS 点分布状态可知，研究区内 PS 点在楼房密集处提取效果较好，植被覆盖区点比较稀疏甚至分布极少，这是因为植被对雷达波的后向散射能力弱，从而引起失相干。3 1形变速率分析监测时段内整体的平均形变速率为 57 7417 24 mm/a。结果表明，整个研究区是沉降趋势，主要沉降区分布于西南方向，并且形成比较明显的连片沉降现象，影响范围广，沉降速率大，沉降区域面积约达 600 km2。曹妃甸港填海区沉降相对较缓，沉降最严重的区域为唐山湾生态城及其周边，最大沉降速率达到了 57 72 mm/a。监测范围内有 4 个主要沉降区域，在图 3 中标记为A、B、C、D，分别对应南堡经济开发区形变速率为4101 8 64 mm/a、唐海县形变速率为 53 897 44 mm/a、唐山湾生态城形变速率为 57 72 21 22 mm/a 以及曹妃