基于SBAS技术监测广州市南沙区地表形变

2020-02-22 来源：个人技术集锦

第27卷第6期2020年12月地理信息世界

GEOMATICS WORLD2020.12Vol.27 No.6

引文格式：李更尔. 基于SBAS技术监测广州市南沙区地表形变[J].地理信息世界,2020,27(6):128-134.

（广东省地质测绘院，广东　广州　510800）

作者简介：

李更尔（1963-），男，湖南祁东人，教授级高工，学士，主要从事地理信息、测绘等研究工作。E-mail:

158398532@ qq.com收稿日期：2020-07-30

李更尔

【摘要】广州市南沙区位于广州市最南端，在珠江虎门水道的西岸，连接珠江口两岸城市群，地处广州市珠江出海通道和粤港澳大湾区地理几何中心。随着近年来的工商业开发建设，加之南沙区的地质土壤岩层不稳定，加大了地表形变发生的可能性，进而影响到区域范围内的建构筑物的稳定情况和人类生产活动的安全。通过小基线集干涉监测技术对广州市南沙区进行大范围的区域地表形变监测，监测时间为2018年11月至2020年8月。对所采用的卫星影像数据进行严格筛查，并利用同期水准测量对监测结果进行比对校验。通过对监测结果进行分析，排查出8处较为严重的沉降区域并分析形变原因。最终研究成果可以为未来南沙区城市发展工作提供地表监测与预警抗灾技术支持和保障。

【关键词】形变监测；沉降分析；InSAR；SBAS；精度校验

【中图分类号】P642.26;P237 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2020）06-0128-07

Monitoring and Analysis of Surface Deformation in Nansha District of

Guangzhou City Based on SBAS Technology

LI Genger

( Guangdong Geological Survey and Mapping Institute,Guangzhou 510800, China)

Abstract: Nansha District of Guangzhou City is located at the southernmost tip of Guangzhou, on the west bank of

the Humen Waterway of the Pearl River, and is the connecting area of the city clusters on both sides of the Pearl River Estuary. Due to the recent industrial and commercial development and construction, and the unstable geological soil and rock formations in Nansha District, the possibility of surface deformation has increased so that the stability of regional buildings and the safety of human production activities have met threat. This study conducts a large-scale regional surface deformation monitoring in Nansha District, Guangzhou City, by SBAS-InSAR monitoring technology. The monitoring period is from November 2018 to August 2020. With the satellite image data and the comparison of the monitoring results with leveling data over the same period, and analyzing the monitoring results, 8 serious deformation areas were detected and the causes of deformation were analyzed. This study can be used to surface monitoring, early warning and disaster relief for future urban development in Nansha District.

Key words: deformation monitoring; settlement analysis; InSAR; SBAS; accuracy verification

0　引　言

广州市南沙区位于广州市最南端，地处广州市珠江出海通道和粤港澳大湾区地理几何中心，连接珠江口两岸城市群，是粤港澳大湾区的重要水陆交通枢纽。区域属亚热带季风气候，降雨充沛，降水集中在夏季。南沙区地质环境条件复杂，地质土壤岩层不稳定，淤泥质软土广泛分布[1-2]。近年来随着工商业开发建设，人类活动频繁，导致了地表沉降的发生，地表塌陷、路面开裂等地质灾害频发。区域内建（构）筑物的稳定和人类生产活动安全都受到了不同程度的影响。

地质安全是城市“健康”与经济快速发展的基础保障，对南沙区的安全监测工作与科学地进行灾害预警

和防护是至关重要的。过往对于区域大范围的监测技术主要以传统点位监测技术为主[3]，受限于复杂的天气环境和空间环境，同时也需要投入大量的人力劳动资源。近年来，随着合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）干涉测量技术的成熟和雷达卫星高分辨SAR数据商业化的进步发展，该技术对区域陆地面观测数据进行处理，获取地表形变信息加以分析利用，现在已经广泛运用于对大范围的地表监测研究和预警抗灾工作中[4]。遥感雷达卫星可以对地进行全天时、全天候的观测成像[5]。同时，结合针对采样点的水准测量结果进行对比分析，校验干涉雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）测量的精度和可

李更尔. 基于SBAS技术监测广州市南沙区地表形变

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靠度。

本文将广州市南沙区作为研究目标对象，通过小基线集（Small Baseline Subsetes，SBAS）技术处理51景雷达卫星影像数据，获取监测时间内全区域范围陆地面的形变信息。通过联合对比InSAR技术所获取成果和同期的现场采样点水准测量成果，验证在监测时间内的历史形变精度并研究规律特征。基于区域的地质资料和卫星影像对广州市南沙区地表形变进行分析推断，进一步为城市建设和经济发展做好监测保障工作。

POEORB精密星历轨道参数进行匹配修正[8]。含有误差的轨道信息造成基线误差以残差条纹的形式存在于实验干涉图，因此，对轨道信息进行修正需要使用到卫星精密轨道数据，可有效地去除因轨道误差引起的系统性误差。

本文选用了由全色立体测绘仪传感器采集的35 km×35 km光学影像所生产的高精度数字地表模型作为DEM，此传感器搭载于日本宇宙航空开发机构联合美国RESTEC公司采集自日本发射的ALOS卫星，其平面和高程精度均达到5 m，其数据产品覆盖全球范围[9]。在沉降监测数据处理中，需要进行去平地效应和地形相位的估计及去除，轨道误差的估计以及去除等操作需要利用DEM。AW3D产品采用光学影像使用立体像对反演地表高程，解决使用InSAR干涉技术进行高程反演的时候由于干涉图失相干所导致的数据缺失以及空洞问题。在进行InSAR干涉处理的时候，由于高分辨率地表的高程数据将会被反演成高程相位信息，因此使用AW3D反演的地面高程信息将会有效地为时间序列InSAR反演过程提供不存在数据空洞的地面高程相位信息。本次针对广州市南沙区的地表形变监测研究采集的DEM数据范围覆盖全部大湾区区域。

1　研究数据

1.1 SAR数据

广州市南沙区范围较大，覆盖面积包含陆地以

及众多河（涌）水道，总面积为803 km²。研究采用Sentinel-1A雷达卫星的干涉宽幅(Interferometric Wide swath，IW)模式的影像数据，卫星影像数据每隔12 d获取一景Sentinel-1A卫星影像，共计51景影像，周期为2018年11月14日至2020年8月11日。通过坐标系精确裁剪后，监测覆盖范围如图1所示。数据成像模式均为IW模式，幅宽为250 km，地面分辨率为5 m×20 m。

1.3 水准测量校验数据

为验证InSAR干涉测量技术在南沙区城市地表沉降

监测的可靠性及精度，在采样点的水准测量路线上选点进行水准测量校验。采用水准测量数据与InSAR干涉测量技术监测结果进行分析和对比。

2　监测方法与步骤

本文采用空间遥感技术SBAS-InSAR来处理SAR影像数据，对于采集的原始Sentinel-1A卫星影像进行裁剪，获得南沙区范围内的数据。然后进行SBAS步骤，

图1　南沙区监测卫星影像覆盖范围图

Fig.1 Nansha District

该技术是由Berlendino等学者[10]提出的反演方法。这种方法基于雷达差分干涉测量（Differential-InSAR，D-InSAR）技术，对InSAR监测获得的地表形变速率时间序列反演方法。其主要处理步骤如下：

1）组合干涉对

南沙区陆地覆盖面积比例较大，同时存在部分水田、河道区域，容易导致部分区域相干性较弱。通过时间和垂直基线阈值的设置控制干涉影像对数量，提高

1.2 参考数据

针对Sentinel-1A卫星影像进行干涉处理需要精密

定轨星历数据（Precise Orbit Ephemerides，POD）和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）[6-7]。

精密轨道数据信息是InSAR数据处理中非常重要的信息,从最初的图像配准到最后的形变图像生成都有着重要的作用。本文在干涉处理工作中，选择了AUX_

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SBAS结果的精确度和可靠性。将干涉对按照时空基线设置阈值进行内组合，生成干涉对影像，图2为干涉对的时空基线图。

将形变速率结果投影至目标定义的方向上，进而得到该地区时间序列的沉降速率图和沉降时间序列结果。

3　监测结果分析

3.1 区域整体形变情况分析

广州市南沙区的区域研究范围包括南沙区行政区

域全面覆盖陆地、近陆地岛屿范围，最南端为洪奇沥水道南入海口。共采用51景Sentinel-1A雷达卫星SAR影像进行SBAS数据处理，处理的时间范围从2018年11月14日至2020年8月11日,共计21个月的监测周期。通过SBAS反演获取了南沙区的研究区域形变速度场，并分析获取平

图2　干涉对时间空间基线连接图

Fig.2 Time-space baseline connection diagram of interference

均形变速率结果，如图3所示。

2）干涉工作流

选取时间序列SAR影像中的一幅影像作为公共主影像（Master Image），其余为从影像（Slave Images）。对组合的干涉影像对进行影像配准、相干图生成、滤波、相位解缠等系列操作。为保证全区域范围内生成的干涉对，有足够多的解缠数据，将相位解缠等级设置为1，将解缠阈值设置为0.25，可以去除部分噪声并将数据存储量合理化。同时使用Goldstein滤波方法进行滤波，以提高干涉图的质量。

3）轨道精炼调整与重新去平地效应

轨道精炼调整与重新去平地效应的工作内容主要是估计和消除残余轨道相位。重新去平后的结果数据将输入到SBAS反演的第一步。通过一景经过相位解缠后结果清晰的相位干涉图和参考DEM文件，采集生成地面控制点（Ground Control Point，GCP）文件。为保障轨道精炼调整的精准度和可靠性，GCP的选择采集不能位于残余地形相位或在形变区域上。

4）SBAS反演

SBAS第一步（初级）反演工作将进行初级的形变速率和大气效应的估算，并且优化干涉图的解缠效果，提高干涉测量的结果精度。

SBAS第二步（精确）反演是在初步反演的基础上进行改正，精准计算形变时间序列中不同阶段的形变速率。随后进行干涉图的低通滤波、去除大气相位，进一步提高干涉测量的结果精度。

5）地理编码

取得SBAS反演结果后进行地理编码工作，其步骤是

图3　广州市南沙区平均形变量图

Fig.3 Average deformation map of Nansha District, Guangzhou

由图3的区域形变量示意可以看出，区域平均形变量位于-7～7 mm内，整体形变情况基本处于稳定状态。在局部地区发现几处明显的下沉现象，最大沉降量达80 mm，最大抬升量为56 mm。

在研究中发现的重点明显沉降区域位置包括工业园区、城市重要道路桥梁、海岸线区域、城市居民区等，持续地表沉降覆盖的区域对工业生产、环境发展、人民生活、建构筑物安全等方面会造成一定的影响。区域的总体概况中，北侧的城镇密集区域、丘陵区域较为稳定，较多的沉降发生区域集中在区域中部和南侧的河（涌）道密集区域、临海港湾、岛屿、以及新开发建设区等。根据广州市南沙区地理区位因素，在监测中选取多个观测稳定的区域点位和多个发生明显沉降的重点监测区域进行监测分析。其中明显形变的重点监测区域包括8处N标注（Natural Deformation Area）的区域、观测稳定的区域包括3处S标注（Stable Area）的区域，如图4所示。

3.2 重点监测区域分析

通过监测，重点沉降区域4的南沙区南沙街沙螺村

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在南沙区新开发片区的万新大道与新广九路附近的重点沉降监测区域（图4中N－6区域）的施工建设区域，发现多处集中下沉现象。沉降范围覆盖施工区域和路面，沉降量不均匀，沉降速率相对较快，最大为-66 mm。在沉降严重区域选取采样点，由图7的沉降速率图中所示较为严重的三处分别选择了#D8、#D9、#D10这三点进行时序监测。通过时间序列分析

图4　广州市南沙区重点监测区域图

Fig.4 Key monitoring areas in Nansha District, Guangzhou

图8所示，三采样点在监测期间内累计沉降量分别为-47 mm、-32 mm、-36 mm。

附近发生较为严重的沉降现象。此区域位于南沙街西北部，北靠小虎沥河道。沉降区域集中在环市大道北与金沙路交会西南处。周围现存一定规模的机械加工厂区、建材市场等。南侧为滨海新城住宅区等建筑设施。此处最大沉降量可达-80 mm。由区域遥感卫星影像图5所示，此区域内有大范围垦荒与汽车停放处理范围。由采样点#D4的时序分析图6所示，最大累计沉降量为-80 mm，在整个南沙区观测区域内为沉降最严重的采样点位，沉降速率快并呈现持续沉降的趋势。同时，伴随南侧住宅区域地表抬升，错位变化可能导致存在断层、裂缝等严重的地形变化。周围河（涌）道和种植水田分布广泛，应予以关注和持续监测，以防止地表沉降灾害对建筑设施、人民生活可能带来的影响和伤害。

图7　南沙区万新大道施工区域沉降速率图

Fig.7 Subsidence rate map of the construction area of Wanxin Avenue

in Nansha District

图8　南沙区万新大道施工区域采样点时间序列图

Fig.8 Time sequence diagram of sampling points in the construction

area of Wanxin Avenue, Nansha District

根据影像分析，万新大道处大面积的施工区域所

图5　南沙街沙螺村区域沉降速率图

Fig.5 The regional subsidence rate map of Shaluo Village, Nansha Street

产生的主体工程、附属工程的弃土易给生态环境带来负面影响。同时施工项目、路基压实作业对区域植被的影响为永久性占地破坏，导致区域内的植被破坏和生物量降低，造成区域内水土流失，进而对地质造成影响。采样点#D9、#D10两处的沉降区域在下沉过程中受到扰动，沉降的时间序列图表现出锯齿状的下沉趋势，具体扰动因素需进一步调查和分析。

针对南沙区的地表形变监测，除了重点沉降区域，对稳定的区域也进行了研究分析。在南沙区东涌镇

图6　南沙街沙螺村区域采样点时间序列图

Fig.6 Time series of sampling points in Shaluo Village, Nansha Street

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太石工业区附近，由InSAR干涉测量技术监测的结果，形变速率图如图9所示，可以看出区域范围内较为稳定。在市南路区域选取采样点#S1进行时间序列分析，由图10所示的时序图可知，总体的地表形变量不超过±4 mm。此稳定区域内坐落大量的工业园区、生活居民区和城市道路，同时也紧邻河道。应持续对该区域进行监测管理，以保障城市地质“健康”与稳定，并排查安全隐患。

a 十六涌大桥与新港大道交汇处采样点示意图

a Schematic diagram of sampling points at the intersection of

Shiliuyong Bridge and Xingang Avenue

图9　南沙区东涌镇太石工业区区域地表形变速率图

Fig.9 Map of regional surface deformation rate in Taishi Industrial

Zone, Dongyong Town, Nansha District

b 南沙区湿地春天景点停车场采样点示意图

b Schematic diagram of sampling points for parking lots of wetland

spring attractions in Nansha District图11　水准监测测量点位选择示意图

Fig.11 Schematic diagram of selection of leveling measurement points

表1　水准测量路线点位高程结果表Tab.1 Leveling point elevation results

点号4号点6号点8号点10号点12号点14号点16号点22号点24号点26号点28号点30号点

高程（m）第一期第二期2.417 672.416 592.698 912.696 932.804 582.801 872.558 062.561 972.734 422.737 232.693 992.696 022.607 212.607 563.784 403.784 235.124 875.123 687.555 287.555 037.542 057.541 264.967 134.966 93

高差(mm)-1.088 07

-1.982 19 -2.706 50 3.909 57 2.806 59 2.029 31 0.350 18 -0.174 24 -1.186 57 -0.245 16 -0.789 40 -0.199 49

3.3 监测精度验证与评价

图10　南沙区东涌镇太石工业区区域采样点时间序列图

Fig.10 Time series diagram of regional sampling points in Taishi

Industrial Zone, Dongyong Town, Nansha District

为验证InSAR测量技术在南沙区城市地表沉降监测

的可靠性及精度，在采样点的水准测量路线上选点进行水准测量校验。采用水准测量数据与InSAR测量技术监测结果进行分析和对比。水准测量选点位于图11中的十六涌大桥与新港大道交会处、湿地春天景点停车场两处，水准测量路线点位高程结果见表1。两期水准测量的时间与InSAR监测所采用的卫星影像数据同步，分别为2020年5月31日和2020年7月30日。由InSAR监测技术获得的5月31日至7月30日该区域12个形变监测点的累计形变值汇总见表2。

表2　InSAR监测技术累计形变值

Tab.2 InSAR monitoring technology cumulative deformation value

累计形变值

点号05.3106.1206.2407.0607.1807.30

(mm)

4号点-10.4-15-14-13.2-6-8.51.96号点-6.8-15.1-10.1-10.3-5.9-7.8-18号点-4.6-3.5-3.8-1-8.7-7.8-3.210号点-4.1-6.2-6.3-12-9.8-1.92.212号点-3.7-3.9-4.1-2.9-7.3-3.60.114号点-6.8-7.8-9-8.4-7.2-2.93.916号点-10.1-12.1-14.6-16.4-10.6-100.122号点-12.8-11.5-14.7-15.5-14-10.91.924号点-8-10.5-9.5-9.2-11.4-9.1-1.126号点-1-2.8-6.1-7-7.1-3.4-2.428号点-8-7.9-9-9.8-10.5-9.4-1.430号点-13.4-13-16-16.2-14.2-11.12.3

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通过对比分析，根据差值进行精度分析，计算12个采样点对比差值，并计算精度误差，公式如下：

∆∆（1）n式中，a为精度误差，Δ为观测值，n为观测个

的形变趋势相近。针对InSAR测量技术监测和水准测量的观测空间特点，采用水准测量路线多个采样点高程测量和形变监测，可验证InSAR测量技术对陆地像元范围的监测。南沙区十六涌大桥与新港大道交会处的道路表面有一定的裂缝和路面浇筑层松动，同时结合地质因素、区域范围内河（涌）道密布的地理条件，加之附近存在着施工建设开发区域，极易发生道路地表形变和沉降。从整体沉降分布以及沉降趋势上看，InSAR测量技术监测结果与水准观测情况基本相符，说明其监测结果可靠，其精度可靠。

以上监测区域的时序分析采样点的坐标信息以及水准测量路线点位信息见表4。

表4　南沙区地表形变监测采样点信息汇总

Tab.4 Sampling of sampling point information for surface deformation

monitoring in Nansha District

点号#D4#D8#D9#D10#S14号点6号点8号点10号点12号点14号点16号点22号点24号点26号点28号点30号点

纬度22°49'22.90\"22°41'12.47\"22°41'35.21\"22°41'42.75\"22°53'38.58\"22°38′06″22°38′03″22°38′01″22°37′59″22°38′00″22°38′03″22°38′07″22°36′49″22°36′48″22°36′46″22°36′47″22°36′49″

经度113°32'46.60\"113°33'41.66\"113°34'45.13\"113°34'53.98\"113°23'41.23\"113°36′51″113°36′55″113°36′56″113°36′59″113°36′57″113°36′55″113°36′50″113°37′58″113°38′00″113°38′01″113°38′01″113°38′00″

数。根据公式可以得出校验InSAR技术监测的可靠性和精度。对比结果见表3。通过分析计算精度误差a的值为1.815。校验对比结果如图12所示，监测差值小于±3 mm。通过对InSAR监测的累计沉降趋势汇总，取多点形变值均值，与水准测量校验对比,结果如图13所示。

表3　监测结果校验对比表

Tab.3 Monitoring result veriﬁcation comparison点号4号点6号点8号点10号点12号点14号点16号点22号点24号点26号点28号点30号点

InSAR沉降值x（mm）1.9

-1-3.22.20.13.90.11.9-1.1-2.4-1.42.3

水准测量差值y（mm）-1.088 07 -1.982 19 -2.706 50 3.909 57 2.806 59 2.029 31 0.350 18 -0.174 24 -1.186 57 -0.245 16 -0.789 40 -0.199 49

差值（x-y）（mm）-2.988 07-0.982 190.493 51.709 5652.706 595-1.870 690.250 183-2.074 24-0.086 572.154 8440.610 601-2.499 49

图12　水准测量校验结果对比图

Fig.12 Comparison chart of leveling veriﬁcation results

4　结束语

广州市南沙区作为珠江口两岸城市群和港澳地区的重要枢纽性节点，发展建设日益兴盛。轨道、地铁、道路、桥梁等工程建设更为突出。但是频繁的人类活动、线状地下工程建设施工、大规模的基建建造、房地产开发建设等都有可能对地质造成一定的影响[11]。对地表的长期精密监测将有助于南沙区环境与乡村建设的发展规划，进一步促进生态保护、城乡融合以及改造发展。

通过利用雷达卫星数据和SBAS技术对广州市地表形变进行反演，在对广州市南沙区的地表形变监测研

图13　累计形变值对比图

Fig.13 Cumulative deformation value comparison

由以上结果可以看出，监测差值小于±3 mm，精度误差a=1.815，可见InSAR技术监测结果与水准观测结果

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究后，发现在工业园区、城市重要道路桥梁、海岸线区域以及岛屿、城市居民区等附近的明显沉降区域，雷达影像覆盖的区域存在较多灾害隐患点。如南沙区南侧的新开发区域，在施工建设现场和附近道路都有沉降现象的产生。由区域地表形变监测速率图所示，南沙区北侧的东涌镇、大岗镇等城镇密集区域、丘陵区域较为稳定，较多的沉降发生区域集中在南沙区中部和南侧的河（涌）道密集区域、临海范围、岛屿、新建设开发区等。在进行时序分析后，得出各采样点的形变状况。

由同期水准测量结果可以看出，InSAR技术监测结果可由水准观测结果的形变进行验证，其形变趋势基本型相符。南沙区十六涌大桥与新港大道交会处的道路区域附近的地质因素、河（涌）道密布的地理条件和施工建设开发区域的影响较大程度地作用于道路地表形变和沉降。从整体沉降分布以及沉降趋势上看，InSAR干涉测量技术监测结果与水准观测情况基本相符，说明其监测结果可靠，其精度可靠。大部分沉降点呈现持续沉降趋势，少部分沉降点呈现不稳定的沉降规律，需进一步地针对重要沉降区域进行监测分析和做好应急预案处理。

在其他作用因素方面，南沙区临海的潮水冲击腐蚀，附近区域的河道、涌道、地下暗流也是造成地表形变的重要因素。南沙区因临海因素，受台风影响甚为频繁。根据广东省气象局预警统计，在监测时间段内主要发生的气象自然灾害主要包括：2019年7月1日台风“木恩”、7月30日台风“韦帕”、8月24日台风“白鹿”、2020年6月14日台风“鹦鹉”等，造成不同程度的强降雨和洪涝、水土流失、潮水、海堤冲击以及土地盐渍化等，对山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降产生不同程度的作用和影响。

在建设施工前应进行完善的地表形变监测和勘测分析地质情况，以最大限度地减少持续的地表沉降覆盖的区域对工业生产、环境发展、人民生活、建（构）筑物安全等方面造成的破坏和损失。随着InSAR技术的发展、卫星遥感技术优化和我国在该领域的研究进步

[12]

使用InSAR监测技术对城市区域进行地表形变速度场反演，未来能够更快速定位城市区域形变分布以及高效获取区域的形变时间序列，提供具有较高时效性、精确性、可靠性的地表形变信息。

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基于SBAS技术监测广州市南沙区地表形变