用jers-1-sar干涉测量法监测地面沉降.doc

重复通过干涉测量SAR(InSAR)技术是监测地面变形的有效工具。在印度尼西亚雅加达，这一技术用于监测由于地面沉降造成的变形区。在这些地区，地面沉降是由于过度抽取地下水造成的。在雅加达、万隆和三宝垄进行了水位调查和GPS网调查。然而，由于不能利用数字高程模型(DEM)，到目前为止对研究区没有进行InSAR处理。在本项研究中，采用了根据JERS-1/SAR L波段的数据和1992～1998年的合适的基线长度得到了干涉图。研究结果表明，每年的沉降量约为10cm(1993～1995)和6cm(1995～1998)。这是根据6～10cm的水平面调查(1991～1997)，4～6cm的GPS调查1997～1999)获得的。此外，进行了地面实测来证实估计的沉降率和沉降范围。因此，即使观察周期是3年或5年，L波段的SAR数据仍可以对干涉测量图进行InSAR处理，这说明JERS-1/SAR的后处理模块PALSAR，是在较长时间范围内用L波段和GPS监测地面变形如地面沉降和火山活动的强大工具。
一、概 述
最有用的雷达应用软件能够保存相位信号和振幅数据。振幅数据增强了地表的状况和特征。InSAR技术可以识别地面的微小变形。InSAR是监测地面变形的高精度工具。因此，这一技术已经应用于地质、火山地质、冰川和自然灾害研究中。在许多研究论文(如Goldstein,1993；Massonnet等，1993；Murakami,1996)中已经提及了该技术的应用效果。最近，这一技术逐渐开始应用于监测墨西哥、曼谷、上海和雅加达等一些人口增长迅速的大城市的地面沉降。
地面沉降主要是由于开采地下水、金属矿和油气等人为因素诱发的。在亚洲，雅加达是受地面沉降影响最大的地区之一。水平测量和GPS定位的结果已经进行过报导(Murdohardono和Sudarsono,1998；Abidin,2001)，但没有采用遥感技术和InSAR处理。本项研究的主要目的是用三种InSAR技术来监测雅加达的地面沉降。
二、雅加达的地面沉降
众所周知过度开采地下水是全世界造成地面沉降的主要原因。Murdharno和Sudarsono(1998)认为，在雅加达造成地面沉降的原因有4类：
1.地下水开采
2.压密性下沉
3.冲积土壤的自然固结

4.地质沉降
其中最重要的原因是过度开采地下水。在上世纪70年代，许多人从郊区搬到雅加达，伴随着人口迁移产生了许多工厂。于是，开始过度利用地下水来满足生活用水和工业用水。由于天然补给量逐渐小于排泄量，含水层被压实，从而产生了地面沉降。在上世纪80年代，雅加达许多地区都发生了地面沉降。
总的来说，含水层是由细粒砂夹粉砂组成。根据Yong等(1995)，雅加达盆地是由第四纪沉积物和第三纪基岩组成。第四纪沉积物厚度约为200～300m，可以划分为三个地质单元：中更新世海相和非海相沉积物，晚更新世火山扇形沉积物，全新世海相和洪泛沉积物。地下水以如下顺序存储在更新世和全新世沉积物中：地表～40m(上层)，40～140m(中层)，140～250m(下层)。根据测压管水位监测(Soetrisno等，1997)，从较深的含水层抽取地下水对地面沉降会有一定影响。我们可以看到在雅加达一些地区地面沉降的直接证据，如建筑物倾斜和道路下沉。Murdharno和Sudarsono(1998)对这些证据进行如下的归类：
1.基础设施破坏；
2.地下水系统疏干；
3.洪水淹没区扩大。
三、水平测量和GPS调查
两个机构(雅加达地方调查和测绘局，雅加达地方矿务局)于1978,1982,1991,1993和1997年进行了系统的水平测量。Murdharno和Sudarsono(1998)通过水平测量和测压管水位监测报导了雅加达的地面沉降。1997年为建立地藉测量控制网，国家土地局(BPN)首次进行了系统的GPS调查。之后，大地测量局和万隆技术协会开展了周期性的GPS调查来监测地面沉降。Abidin等(2001)参照以水平测量和其它资料，对GPS调查结果进行了详细总结。在1982～1991,1991～1997,1997～1999年，最大沉降深度分别为80cm，160cm和20cm。
四、InSAR数据处理
为了监测地面沉降，对JERS-1 SAR数据要进行微分InSAR处理。到目前为止，已有许多学者(如Li和Goldstein，1990；Zebker等，1994)介绍过InSAR原理。Lanari(1996)对从多频(X，C，L波段)双线程干涉测量获得DEM的可能性进行了说明。由于DEM具有地形信息，采用DEM的InSAR处理可以连续地提供空间变形情况。
为了获得InSAR数据，有两种模型，分别为单线程和重复线程。单线程模式是同时获得不同位置的数据，重复线程模型是通过不同的时间轨道获得数据。重复线程模式总的来说可以分为两种方式，双线程和三线程或四线程。双线程方式需要用常规的DEM来消除地形因素的影响。三线程方式需要从卫星数据获得DEM。通过并行飞行模式，ERS同时获得数据。JERS-1/SAR和RADASAT是通过重复线程模式而非根据单线程模式获得数据。JERS-1/SAR的主要要求是L波段(波长23.5cm)，HH极化，最低偏离角35度。ERS是C波段(波长5.4cm)，VV极化，最低偏离角23度。五种观察模式中，RADASAT是C波段，HH极化，最低偏离角10～60度。总的来说是用ERS和RADARSAT而不用JERS-1来获得DEM，这是因为JERS-1重复线程循环周期是44天。已经意识到由于时间差异和大气作用JERS-1比ERS或RADARSAT的解相关作用要更强一些。然而，一些研究(如Takeuchi，2000)也报导过从JERS-1/SAR的L波段获得的DEM。在本项研究中，通过采用JERS-1/SAR和假定在数据的记录中没有太大的失真来获得DEM的可能性。
ERS-1/SAR在从1993年2月25日到1998年9月11日之间共得到雅加达地区的17幅图像。根据基线距离(<1000m)从中选取了41个像对进行InSAR处理。在本项研究中用到了VEXCEL 3D SAR处理器。根据SLC(单实时测量系统复合体)进行数据处理，之后重新筛选SLC(辅助定位)，建立干涉测量图，并筛选、展开干涉测量图，最后精选出所需的干涉测量图。时间差异的基线距离和地表变化会影响处理结果。在本项研究中，获得了不同时段的三组合适像对。根据辅助定位像对，在以下的像对中获得了足够的联接点(见表1，像对(1)～(3))。

表1 在雅加达采用的数据垂直基线和时间周期
像对日期
垂直基线(m)
时间周期(天)
(1)1993/10/03～1995/09/07
351
704
(2)1995/09/07～1995/10/21
707
44
(3)1995/10/21～1998/09/15
641
1056
(4)1997/01/03～1997/0515
87
132

从1993年10月3日到1995年9月7日(704天)和从1995年9月7日到1995年10月21日(44天)间，基线和像对(1)、(2)结合分别为351m和707m。从1995年10月21日到1998年9月15日(1056天)像对(3)是641m。一些相关性图像表明在整个区域，像对(2)具有很好的图像相关性，但是由于较长时间差异造成的噪声解相关和其它因素，与其它像对的相关性较差。在雅加达中部获得的较好定位点位于研究图像的右上角。根据以上数据集和位移图得到了微分干涉图，可以看出地面沉降区位于图像的西北部分。而且根据不同的数据集获得的图像也表明了同样的沉降区，说明了同样的趋势是北东-南西向。这与水平测量(Mordohardono和Sudarsono,1998)的结果一致。年均沉降量约为10cm(1993～1995年)和6cm(1995～1998)。这与根据水平测量(6～10cm，1991～1997)和GPS调查(4～6cm,1997～1999)的结果一致。
地面实测数据与本研究结果也一致。在1995年，在InSAR标定的位置建造了一个大型发电厂。之后，当地政府在发电厂附近沿河道建立了岸堤。然而，现在可以看到水从岸堤的裂缝渗出，流到周围地区。一些抽水站再从较低点抽取水排放到河流中。根据Abidin等(2001)，在1991～1997年和1977～1999年，严重的地面沉降区从西部转向东部地区。
五、结 论
本项研究提出JERS-1/SAR干涉测量的三线程方法来监测地面沉降。在雅加达地区估计沉降量约为10cm(1993～1995年)和6cm(1995～1998年)，这一结果与水平测量和GPS调查结果一致。在雅加达，地下水开采是造成地面沉降的主要原因，而且与沉降量密切相关。
尽管线程周期长，L波段数据相关性是最好的。虽然仍有许多问题需要解决，用卫星资料获得的DEM对于监测地面变形还是比较成功的。建议使用PALSAR，这是JERS-1的后处理模块，具有L波段多极化的功能。另外，在1999年运行了ASTER，通过采用立体像对数据得到了DEM。ASTER DEM规格的垂直高度约为15m，水平单位约为25m，与1/50000～1/100000比例尺的地形图大致相同，因此在全世界的沉降区和自然灾害区ASTER DEM都非常有用。InSAR技术是进行分析和监测地面沉降的强大工具。
对雅加达地区地面沉降的主要机制仍了解不够。为了更好地了解沉降机制，控制沉降延伸区，应当将常规数据(水平测量和GPS调查)与卫星数据更好地结合起来，并应当及时建立系统的对策措施。