用jers-1-sar干涉測(cè)量法監(jiān)測(cè)地面沉降

重復(fù)通過干涉測(cè)量SAR(InSAR)技術(shù)是監(jiān)測(cè)地面變形的有效工具。在印度尼西亞雅加達(dá)，這一技術(shù)用于監(jiān)測(cè)由于地面沉降造成的變形區(qū)。在這些地區(qū)，地面沉降是由于過度抽取地下水造成的。在雅加達(dá)、萬隆和三寶壟進(jìn)行了水位調(diào)查和GPS網(wǎng)調(diào)查。然而，由于不能利用數(shù)字高程模型(DEM)，到目前為止對(duì)研究區(qū)沒有進(jìn)行InSAR處理。在本項(xiàng)研究中，采用了根據(jù)JERS-1/SARL波段的數(shù)據(jù)和1992～1998年的合適的基線長(zhǎng)度得到了干涉圖。研究結(jié)果表明，每年的沉降量約為10cm(1993～1995)和6cm(1995～1998)。這是根據(jù)6～10cm的水平面調(diào)查(1991～1997)，4～6cm的GPS調(diào)查(1997～1999)獲得的。此外，進(jìn)行了地面實(shí)測(cè)來證實(shí)估計(jì)的沉降率和沉降范圍。因此，即使觀察周期是3年或5年，L波段的SAR數(shù)據(jù)仍可以對(duì)干涉測(cè)量圖進(jìn)行InSAR處理，這說明JERS-1/SAR的后處理模塊PALSAR，是在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)用L波段和GPS監(jiān)測(cè)地面變形如地面沉降和火山活動(dòng)的強(qiáng)大工具。一、概述最有用的雷達(dá)應(yīng)用軟件能夠保存相位信號(hào)和振幅數(shù)據(jù)。振幅數(shù)據(jù)增強(qiáng)了地表的狀況和特征。InSAR技術(shù)可以識(shí)別地面的微小變形。InSAR是監(jiān)測(cè)地面變形的高精度工具。因此，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于地質(zhì)、火山地質(zhì)、冰川和自然災(zāi)害研究中。在許多研究論文(如Goldstein,1993；Massonnet等，1993；Murakami,1996)中已經(jīng)提及了該技術(shù)的應(yīng)用效果。最近，這一技術(shù)逐漸開始應(yīng)用于監(jiān)測(cè)墨西哥、曼谷、上海和雅加達(dá)等一些人口增長(zhǎng)迅速的大城市的地面沉降。地面沉降主要是由于開采地下水、金屬礦和油氣等人為因素誘發(fā)的。在亞洲，雅加達(dá)是受地面沉降影響最大的地區(qū)之一。水平測(cè)量和GPS定位的結(jié)果已經(jīng)進(jìn)行過報(bào)導(dǎo)(Murdohardono和Sudarsono,1998；Abidin,2001)，但沒有采用遙感技術(shù)和InSAR處理。本項(xiàng)研究的主要目的是用三種InSAR技術(shù)來監(jiān)測(cè)雅加達(dá)的地面沉降。二、雅加達(dá)的地面沉降眾所周知過度開采地下水是全世界造成地面沉降的主要原因。Murdharno和Sudarsono(1998)認(rèn)為，在雅加達(dá)造成地面沉降的原因有4類：1.地下水開采2.壓密性下沉3.沖積土壤的自然固結(jié)4.地質(zhì)沉降其中最重要的原因是過度開采地下水。在上世紀(jì)70年代，許多人從郊區(qū)搬到雅加達(dá)，伴隨著人口遷移產(chǎn)生了許多工廠。于是，開始過度利用地下水來滿足生活用水和工業(yè)用水。由于天然補(bǔ)給量逐漸小于排泄量，含水層被壓實(shí)，從而產(chǎn)生了地面沉降。在上世紀(jì)80年代，雅加達(dá)許多地區(qū)都發(fā)生了地面沉降?？偟膩碚f，含水層是由細(xì)粒砂夾粉砂組成。根據(jù)Yong等(1995)，雅加達(dá)盆地是由第四紀(jì)沉積物和第三紀(jì)基巖組成。第四紀(jì)沉積物厚度約為200～300m，可以劃分為三個(gè)地質(zhì)單元：中更新世海相和非海相沉積物，晚更新世火山扇形沉積物，全新世海相和洪泛沉積物。地下水以如下順序存儲(chǔ)在更新世和全新世沉積物中：地表～40m(上層)，40～140m(中層)，140～250m(下層)。根據(jù)測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)(Soetrisno等，1997)，從較深的含水層抽取地下水對(duì)地面沉降會(huì)有一定影響。我們可以看到在雅加達(dá)一些地區(qū)地面沉降的直接證據(jù)，如建筑物傾斜和道路下沉。Murdharno和Sudarsono(1998)對(duì)這些證據(jù)進(jìn)行如下的歸類：1.基礎(chǔ)設(shè)施破壞；2.地下水系統(tǒng)疏干；3.洪水淹沒區(qū)擴(kuò)大。三、水平測(cè)量和GPS調(diào)查兩個(gè)機(jī)構(gòu)(雅加達(dá)地方調(diào)查和測(cè)繪局，雅加達(dá)地方礦務(wù)局)于1978,1982,1991,1993和1997年進(jìn)行了系統(tǒng)的水平測(cè)量。Murdharno和Sudarsono(1998)通過水平測(cè)量和測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)報(bào)導(dǎo)了雅加達(dá)的地面沉降。1997年為建立地藉測(cè)量控制網(wǎng)，國(guó)家土地局(BPN)首次進(jìn)行了系統(tǒng)的GPS調(diào)查。之后，大地測(cè)量局和萬隆技術(shù)協(xié)會(huì)開展了周期性的GPS調(diào)查來監(jiān)測(cè)地面沉降。Abidin等(2001)參照以水平測(cè)量和其它資料，對(duì)GPS調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。在1982～1991,1991～1997,1997～1999年，最大沉降深度分別為80cm，160cm和20cm。四、InSAR數(shù)據(jù)處理為了監(jiān)測(cè)地面沉降，對(duì)JERS-1SAR數(shù)據(jù)要進(jìn)行微分InSAR處理。到目前為止，已有許多學(xué)者(如Li和Goldstein，1990；Zebker等，1994)介紹過InSAR原理。Lanari(1996)對(duì)從多頻(X，C，L波段)雙線程干涉測(cè)量獲得DEM的可能性進(jìn)行了說明。由于DEM具有地形信息，采用DEM的InSAR處理可以連續(xù)地提供空間變形情況。為了獲得InSAR數(shù)據(jù)，有兩種模型，分別為單線程和重復(fù)線程。單線程模式是同時(shí)獲得不同位置的數(shù)據(jù)，重復(fù)線程模型是通過不同的時(shí)間軌道獲得數(shù)據(jù)。重復(fù)線程模式總的來說可以分為兩種方式，雙線程和三線程或四線程。雙線程方式需要用常規(guī)的DEM來消除地形因素的影響。三線程方式需要從衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得DEM。通過并行飛行模式，ERS同時(shí)獲得數(shù)據(jù)。JERS-1/SAR和RADASAT是通過重復(fù)線程模式而非根據(jù)單線程模式獲得數(shù)據(jù)。JERS-1/SAR的主要要求是L波段(波長(zhǎng)23.5cm)，HH極化，最低偏離角35度。ERS是C波段(波長(zhǎng)5.4cm)，VV極化，最低偏離角23度。五種觀察模式中，RADASAT是C波段，HH極化，最低偏離角10～60度?？偟膩碚f是用ERS和RADARSAT而不用JERS-1來獲得DEM，這是因?yàn)镴ERS-1重復(fù)線程循環(huán)周期是44天。已經(jīng)意識(shí)到由于時(shí)間差異和大氣作用JERS-1比ERS或RADARSAT的解相關(guān)作用要更強(qiáng)一些。然而，一些研究(如Takeuchi，2000)也報(bào)導(dǎo)過從JERS-1/SAR的L波段獲得的DEM。在本項(xiàng)研究中，通過采用JERS-1/SAR和假定在數(shù)據(jù)的記錄中沒有太大的失真來獲得DEM的可能性。ERS-1/SAR在從1993年2月25日到1998年9月11日之間共得到雅加達(dá)地區(qū)的17幅圖像。根據(jù)基線距離(<1000m)從中選取了41個(gè)像對(duì)進(jìn)行InSAR處理。在本項(xiàng)研究中用到了VEXCEL3DSAR處理器。根據(jù)SLC(單實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)復(fù)合體)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后重新篩選SLC(輔助定位)，建立干涉測(cè)量圖，并篩選、展開干涉測(cè)量圖，最后精選出所需的干涉測(cè)量圖。時(shí)間差異的基線距離和地表變化會(huì)影響處理結(jié)果。在本項(xiàng)研究中，獲得了不同時(shí)段的三組合適像對(duì)。根據(jù)輔助定位像對(duì)，在以下的像對(duì)中獲得了足夠的聯(lián)接點(diǎn)(見表1，像對(duì)(1)～(3))。

表1在雅加達(dá)采用的數(shù)據(jù)垂直基線和時(shí)間周期像對(duì)日期垂直基線(m)時(shí)間周期(天)(1)1993/10/03～1995/09/07351704(2)1995/09/07～70744(3)1995/10/21～1998/09/156411056(4)1997/01/03～1997/051587132

從1993年10月3日到1995年9月7日(704天)和從1995年9月7日到1995年10月21日(44天)間，基線和像對(duì)(1)、(2)結(jié)合分別為351m和707m。從1995年10月21日到1998年9月15日(1056天)像對(duì)(3)是641m。一些相關(guān)性圖像表明在整個(gè)區(qū)域，像對(duì)(2)具有很好的圖像相關(guān)性，但是由于較長(zhǎng)時(shí)間差異造成的噪聲解相關(guān)和其它因素，與其它像對(duì)的相關(guān)性較差。在雅加達(dá)中部獲得的較好定位點(diǎn)位于研究圖像的右上角。根據(jù)以上數(shù)據(jù)集和位移圖得到了微分干涉圖，可以看出地面沉降區(qū)位于圖像的西北部分。而且根據(jù)不同的數(shù)據(jù)集獲得的圖像也表明了同樣的沉降區(qū)，說明了同樣的趨勢(shì)是北東-南西向。這與水平測(cè)量(Mordohardono和Sudarsono,1998)的結(jié)果一致。年均沉降量約為10cm(1993～1995年)和6cm(1995～1998)。這與根據(jù)水平測(cè)量(6～10cm，1991～1997)和GPS調(diào)查(4～6cm,1997～1999)的結(jié)果一致。地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與本研究結(jié)果也一致。在1995年，在InSAR標(biāo)定的位置建造了一個(gè)大型發(fā)電廠。之后，當(dāng)?shù)卣诎l(fā)電廠附近沿河道建立了岸堤。然而，現(xiàn)在可以看到水從岸堤的裂縫滲出，流到周圍地區(qū)。一些抽水站再?gòu)妮^低點(diǎn)抽取水排放到河流中。根據(jù)Abidin等(2001)，在1991～1997年和1977～1999年，嚴(yán)重的地面沉降區(qū)從西部轉(zhuǎn)向東部地區(qū)。五、結(jié)論本項(xiàng)研究提出JERS-1/SAR干涉測(cè)量的三線程方法來監(jiān)測(cè)地面沉降。在雅加達(dá)地區(qū)，估計(jì)沉降量約為10cm(1993～1995年)和6cm(1995～1998年)，這一結(jié)果與水平測(cè)量和GPS調(diào)查結(jié)果一致。在雅加達(dá)，地下水開采是造成地面沉降的主要原因，而且與沉降量密切相關(guān)。盡管線程周期長(zhǎng)，L波段數(shù)據(jù)相關(guān)性是最好的。雖然仍有許多問題需要解決，用衛(wèi)星資料獲得的DEM對(duì)于監(jiān)測(cè)地面變形還是比較成功的。建議使用PALSAR，這是JERS-1的后處理模塊，具有L波段多極化的功能。另外，在1999年運(yùn)行了ASTER，通過采用立體像對(duì)數(shù)據(jù)得到了DEM。ASTERDEM