顾及潮汐变化的浅海水深遥感反演方案设计及实施

伴随着我国经济发展及沿海地区的城市建设，沿海城市存在着道路塌陷、含水层破坏、海水入侵等多种地质自然灾害问题，进一步加速了地表沉降的演变。地表沉降是在人类活动或自然因素影响下引起的局部地面下陷现象，严重威胁人类生命财产安全及社会可持续发展。目前地表沉降现象在国内外已普遍发现,覆盖了五十多个国家和地区,沿海区域的这一现象尤为显著，直接诱发了地面塌陷等问题，其带来的经济损失极为惨重，同时对社会造成了深远的影响。根据国家统计局发布的数据，2010年至2022年间，我国共发生了3529起地面塌陷灾害，导致数千人受伤或死亡，同时引发了重大的经济损失，对人类的生命安全及财产保障构成了严峻挑战。例如，2008年11月15日，在浙江省杭州市境内，一处地铁建设项目现场遭遇了大范围的地表塌陷事件，导致了17人遇难，4人失踪，24人受伤。2018年2月7日，广东省佛山市地铁修复施工期间突发的透水事件导致了隧道管片发生变形和损坏，进而引发了长达30余米的路面塌陷，造成11人遇难，8人受伤，以及1人失踪。2024年5月1日，广东省梅大高速路面塌陷事故造成48人死亡，30人受伤。

截至目前，中国已有96个城市分布在超过17个省份，遭受了不同程度的地表沉降灾害。受影响区域总面积已扩展至120,000平方公里。在全国范围内，地面沉降量累计超过200mm的地区总面积为79,000平方公里。位于中国中部的武汉市，自1931年首次记录到地面塌陷事件起，至今已确认了四个显著的沉降区域，其年形变速率介于-82 mm/a至18 mm/a之间。而作为国家首都的北京市，自20世纪50年代起便开始出现地面沉降现象，并迅速展现出沉降区域扩散的趋势，2017至2020年间记录到的最大年形变速率为-111.3mm/a。自1921年上海首次记录到地面下沉现象以来，上海市这一沿海城市已经历了显著的地表形变。迄今为止，受影响的区域面积已扩展至1000平方千米，其中沉降量最大的地区累计下降了将近3米。2018-2019年，上海市不均匀沉降明显，沉降最严重的区域沉降速率范围为-18.3~-14.2 mm/a。

近年来，防城港市的围填海活动显著加速，导致部分原始海岸线被取代，沿海地区遭受了不同程度的侵蚀。局部海岸发生不同程度的侵蚀现象，滨海生态系统受到一定影响，引起了各级政府的密切关注。伴随着填海而来的土地逐渐增加，带来的问题也日益凸显，因此有必要对与相关的地面沉降进行监测，以便更好地了解其时空演变规律及沉降成因的探讨，进而减少经济损失，保证设施建设的安全。

传统的地面沉降监测技术主要依赖于全球定位系统（GPS）观测及高级水准测量手段，这些监测方法虽然可以进行高精度的监测，但是存在监测成本高、野外作业周期长、仅能获取间隔15-30 m的线状离散点沉降等缺点。随着合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）技术的飞速发展，合成孔径干涉雷达技术（Interferometric synthetic aperture radar, InSAR）的概念被提出，合成孔径雷达技术具备全天时和全天候的作业能力，其出色的穿透能力和广阔的成像范围使其能够在不同的微波频率和极化模式下捕获高分辨率的雷达影像。这一技术为地球表面信息的获取提供了一种高效的手段。D-InSAR技术，作为InSAR技术的延伸，通过分析同一地区的多幅雷达图像，能够捕捉到地表在视线方向（Line of Sight，LOS）上的微小变化，从而在地表形变监测方面展现出比传统方法更高的适用性。因此，D-InSAR技术已经被广泛采纳，并应用于多个领域的监测任务。

D-InSAR技术在获取地表形变数据时，其精确度可能会受制于时空失相干效应与大气干扰的影响，时序InSAR技术的出现提供了一种有效的解决方案。永久散射体（Permanent Scatterer InSAR，PS-InSAR）和小基线集（Small Baseline Subset InSAR，SBAS-In SAR）技术是时序技术中比较常用的方法。其中，PS-InSAR技术专注于从时序干涉图中识别具有高相干性和稳定散射特性的点。这些选定的点被用于重建目标区域的形变信息。该技术的优势在于，即便在干涉相位图受到较严重影响的情况下，只要有足够的影像数据支持，依然能够通过PS点的分析，获得毫米级精度的地表形变序列。这种方法显著提高了形变监测的准确性，即使在数据质量不佳的情况下也能提供可靠的结果。SBAS-InSAR主要是通过选取基线较小的干涉对，使空气失相干的情况得到缓解。该技术的基本原理是利用多景SAR影像中的相位信息，通过差分干涉处理来获取地面微小形变信息。SBAS-InSAR技术通过引入小基线子集策略，有效降低了时间失相关和空间失相干的问题，从而提升了监测的精度与稳定性。此外，该技术还成功解决了传统D-InSAR技术中常见的大气延迟和地表覆盖误差，增强了形变监测的准确性和可靠性。这些进步使得SBAS-InSAR技术在地表形变监测领域具有显著的优势。

对于广西壮族自治区防城港市，地表沉降的研究尚不充分，且现有研究成果的时效性有限。随着该地区经济的快速发展，地表沉降的成因也在发生变化。众多学者对防城港的沉降现象进行了深入的分析与阐释，然而，对于地表抬升现象的研究则相对匮乏，缺乏足够的解释。鉴于防城港地区在地表形变监测方面面临的挑战，如监测难度高、时空分辨率不足以及监测区域广泛等问题，本研究采纳了多轨干涉合成孔径雷达（MT-InSAR）技术，对该地区的地表沉降进行了详细的监测，并对其沉降结果进行综合阐述。研究考量了多种因素，对沉降成因进行了详细的分析，旨在为防城港市的城市发展规划及沉降问题的治理提供科学的依据和数据支持。本论文共分为六个章节，主要研究内容概述如下：

（1）第一章：绪论。本章综合分析了我国地表形变的现状，特别关注了沿海地区的地表形变问题，并详细讨论了星载雷达干涉测量技术在国内外的研究进展和发展趋势。

（2）第二章：星载雷达干涉测量技术。本章深入探讨了星载雷达的成像机制，并对D-InSAR技术在地表形变监测中的应用进行了阐释。此外，还详细介绍了PS-InSAR和SBAS-InSAR两种多时相InSAR技术及其在形变监测中的优势。

（3）第三章：防城港地区地表沉降监测（2020-2023年）。本章首先概述了防城港地区的地质地貌、气候特点和城市化发展情况，描述了Sentinel-1 SAR影像数据、AW3D30 DEM和降雨量数据等辅助数据的特性。基于这些数据，本章详细阐述了利用SBAS-InSAR技术处理数据并获取防城港地区形变场的方法。

（4）第四章：防城港地区地表沉降时序分析（2020-2023年）。本章对通过多时相InSAR技术获得的地表形变数据进行了时空分析，特别是对填海区域的形变特征进行了深入探讨，并结合统计数据对其空间分布和演变趋势进行了详细分析。

（5）第五章：防城港地区地表时间序列形变因素分析。结合防城港地区城市化进程、潮汐变化、地区降雨量、季节性变化、城市扩张及工业化发展等方面对防城港地区时间序列地表沉降及抬升进行成因分析。

（6）第六章：总结与展望。本章总结了本研究的主要发现及问题，并对未来可能的研究范围和工作内容提出了一定展望。

20世纪50年代，军用机载侧视雷达侦察系统发展起来。1952年，美国伊利诺斯大学的Sherwin Kovaly开展了SAR研究工作，发展了X波段SAR系统。20世纪60年代，军用SAR成像系统揭密。20世纪60年代晚期和70年代，民用机载SAR系统得到了长足进展（南美热带雨林地区制图）。1974年，合成孔径雷达干涉测量开始应用于地球表面地形测量20世纪80年代，民用机/星载InSAR开始应用于地形测量(JPL, 1986)、地表形变测量(JPL,1989)。迈入21世纪初，自2000年2月11日至22日期间，美国国家航空航天局（NASA）协同国防部国家地理空间情报局及德国、意大利的航天部门，利用“奋进”号航天飞机释放的SRTM（航天飞机搭载雷达测高）设备，完成了对地球60°北纬至60°南纬范围内，覆盖逾1.19亿平方公里区域的雷达图像数据收集任务，这一行动促成了全球DEM数据的创建。

国内对InSAR技术的研究开始于1997年，相对时间较晚，但对于InSAR技术的研究发展突飞猛进。1997年，王超等阐述了InSAR技术的干涉原理及其地学研究中的应用，并说明In SAR技术在我国经济与国防建设中的重要性。2001年，刘国祥等对InSAR 数据处理与应用情况进行了简要介绍，也分析了该技术存在的问题。2004年，吴立新等运用D-InSAR技术深入剖析了煤矿区域地表沉降随时间的演变特征，并成功取得了高可信度的形变数据分析成果，进一步证实了D-InSAR技术在形变监测应用领域的有效性与实用性。在后续的发展过程中，我国陆续发射了C-SAR和LT-1 SAR卫星，这些发射活动极大地丰富和强化了我国在海陆SAR卫星监测领域的系统架构。

即使D-InSAR在众多方面以高分辨率、低成本获取DEM，但由于容易受到大气延迟、时空失相干等因素的干扰，D-InSAR技术在长时间大范围形变监测方面受到了相对制约。为了消除这些影响，时序InSAR应运而生。2000年，Ferrettti等[18]首次提出永久散射体干涉测量技术，最大限度的克服时空失相干、DEM相位误差、大气延迟等因素的影响。2006年，Tizzani P等利用SBAS-InSAR技术探测出长谷破火山口和莫诺盆地在内的东加利福尼亚地区的地表变形。2011年，Heleno等基于PS-InSAR方法反演了里斯本1992-2006年的沉降速率，并揭示其空间沉降机理。2015年，Christine等应用PS-InSAR技术对德国Landau地热电站进行形变监测，并将InSAR结果与水准测量进行比较，表明InSAR结果具有高度可靠性。国内方面，MT-InSAR技术如今已在众多领域内得到广泛应用，涵盖了城市地面沉降的监测、地质灾害的早期预警以及基础设施安全性评估等关键方面。2007年，刘国祥等使用ERS-1/2 SAR影像对上海进行地面监测，进一步证实了PS-InSAR技术可有效地应用于地表形变监测。2012年，侯安业等以北京市为研究案例，详细解析了PS-InSAR与SBAS-InSAR这两种技术的原理与实施方法。基于2004年至2010年间收集的31幅ENVISAT ASAR影像资料，进一步对比分析了两者在地表形变监测上的应用效果。2014年，刘志敏等运用SBAS技术手段，针对矿区边缘的细微逐步的形变进行了监测，时间涵盖了2003年7月至2010年7月，借此得出了研究区域内地面沉降的空间分布格局及该时段内的相对形变序列。2017年，郭乐萍等以2007年至2011年间获取的16幅日本ALOS PALSAR卫星上升轨道图像数据为样本，运用SBAS技术手段，具体分析了河西区域的地面沉降动态，并通过对比分析，进一步确认了SBAS技术在沉降监测任务中的精确度与高效性。2019年，高二涛等获取了南京地区的地表沉降信息，采取了PS-InSAR与SBAS两种技术手段进行数据处理，独立生成两套沉降数据集。随后，通过对比分析这两组数据，进行了相互验证。研究结果显示，二者所得结论展现出高度的一致性。2020年，莫莹等运用SBAS-InSAR技术对48幅Sentinel-1A影像数据进行了处理，专注于提取杭州湾上虞区域的地表沉降特征，深入探讨了造成该区域地表沉降不均现象的关键驱动因素。2023年，明小勇等借助了45幅覆盖钦防区域的Sentinel-1A SAR影像数据，以揭示2018年至2021年间该区域的地面沉降状况。研究结果显示，在钦南区中心城区及其南部的钦州港与邻近的港口区，确定了四大沉降集中区域。这些区域的沉降范围随着时间逐年扩大，并显现出明显的向南蔓延趋势。

创新点：鉴于防城港地区在地表形变监测方面面临的挑战，如监测难度高、时空分辨率不足以及监测区域广泛等问题，本研究采纳了多轨干涉合成孔径雷达（MT-InSAR）技术，对该地区的地表沉降进行了详细的监测，并对其沉降结果进行综合阐述。

项目特色：通过多时相InSAR技术获得的防城港地表形变数据进行时空分析，特别是对填海区域的形变特征进行了深入探讨，并结合统计数据对其空间分布和演变趋势进行了详细分析。

研究考量多种因素，对沉降成因进行了详细的分析，旨在为防城港市的城市发展规划及沉降问题的治理提供科学的依据和数据支持。

技术路线：获取防城港地区的多轨干涉SAR数据，对数据进行预处理，辐射定标、大气校正等；多轨干涉处理，通过相位解缠技术获取各轨道的相位信息，然后利用多轨干涉算法对相位信息进行组合和比较，最后提取出地表形变信息。

拟解决的问题：由于防城港地区的地表沉降研究尚不充分，现有研究成果时效性有限，且随着当地经济的快速发展，地表沉降的成因也在改变，本项目主要解决监测难度高、时空分辨率不足以及监测区域广泛等问题，对防城港地区的沉降成因及沉降结果进行综合阐述。

预期成果：完成防城港地区地表沉降监测、地表时序分析和地表时间序列形变因素分析，特别是对填海区域的形变特征进行深入探究。

本项目按研究内容六个章节逐项进行，重点在防城港地区地表沉降监测、地表沉降时序分析和地表时间序列形变因素分析。在对各章节的内容进行研究时，应制定工作计划，定期更新工作计划，明确重点任务。

前期（2024.5-2024.8）：

1、确定选题方向，确立研究小组人员。

2、防城港有关地形数据收集，地形沉降相关研究收集。

3、获取有关资料，学习InSAR技术的内涵以及在相关领域的应用。

中期（2024.9-2025.1）：

1、对获取的防城港数据进行实验，撰写实验报告。

2、在实验过程中不断完善对防城港地区地表沉降的全面阐述。

3、完成对防城港地区的地表沉降因素分析，对实验遇到的问题做出总结以及未来展望。

后期（2025.2-2025.5）：

1、撰写完整的实验报告。

2、完善项目计划书。

3、论文撰写及发表。