用jers－　sar干涉测量法监测地面沉降

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/SARL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-1SAR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VEXCEL3DSAR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//10/003～19955/09//07351704(2)1995//09/007～19955/10//2170744(3)1995//10/221～19988/09//156411056(4)1997//01/003～19977/0511587132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。ASTERDE