地面沉降是目前普遍的环境地质灾害之一，在地势较低的三角洲地区更为严重。目前，世界主要三角洲地区都面临和经历地面沉降灾害威胁^[1]。例如波河三角洲^[2]、密西西比河三角洲^[3]、尼罗河三角洲^[4]。三角洲地面沉降不仅可导致基础设施破坏、湿地损失、海岸线后退，还可加剧海水入侵和风暴潮等自然灾害^{[5, 6, 7, 8]}。现代黄河三角洲地面沉降平均速率已超过世界海平面上升速率两个数量级，引起了广泛关注^[9]。因此，有效监测地面沉降，分析沉降特征和影响因子对现代黄河三角洲地面沉降的预防和治理尤为重要。

常规地面沉降监测主要依赖于精密水准测量、静态GPS测量或动态GPS测量，存在工作量大、成本高、效率低等缺点，并且空间分辨率低，覆盖范围较小，很难满足时间尺度、空间尺度需要。合成孔径雷达干涉测量技术(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是利用对同一地区观测的两景或多景SAR影像复数据进行相干处理，获取高精度的三维地形信息及微小形变信息的技术^{[10, 11, 12]}，能够实现高时空分辨率、高精度和高空间覆盖的地表形变监测。但是传统的InSAR干涉测量技术应用过程中精度和可靠性受时空互相关、大气效应和DEM误差的影响^[13]。为减小上述影响，Casu等应用SBAS(small baseline subset)技术^[14]对意大利Naples湾和美国洛杉矶城区的地面沉降提取信息，获得较好的效果(形变速率的标准方差大约是1 mm/a)^[15]。目前，SBAS技术在城区地面沉降信息提取方面已经得到广泛应用，但是在非城区等复杂环境中的应用中还需要进一步研究。因此，在现代黄河三角洲面积广、地势低洼、冲淤严重、海岸地貌持续变化、植被茂密、湿地水体广泛分布的复杂背景环境下，本文尝试将SBAS时序分析技术应用于现代黄河三角洲地面沉降监测，并与水准观测结果进行对比验证，为复杂背景下的地面沉降监测提供借鉴。

现 代黄河三角洲(图 1)是1855年黄河从黄海改道渤海入海后，随着河口尾闾的摆动淤积形成的冲积扇，以宁海为顶点，北起套尔河口，南至淄脉沟口，面积为5 400 km^{2 [16]},地形平坦，海拔高度多小于6 m，坡降平缓，为1/10 000左右。黄河曾发生过8次大型改道，平均约十年左右发生一次^{[17, 18, 19]}。现代黄河三角洲包括两部分：一是黄河1855年改道以前已经是陆地，后因分流河道流经此处，在其上堆积了三角洲沉积物；二是由黄河携带泥沙不断向海淤积、填海造陆新形成的陆地^[20]。

图 1 研究区地理位置和地质背景(影像获取时间为1995年9月18日) Fig. 1 Location and Geological Setting of Study Area

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现代黄河三角洲植被茂密，湿地资源丰富，沿海地区广泛分布盐池和水产养殖池(图 1中呈深蓝色)。建筑物主要分布在东营市和各小城镇中，其它地区多为农田、荒地或裸地。石油、天然气、卤水和地热等资源丰富，中国第二大油田胜利油田位于此地。

现代黄河三角洲在地质构造上位于华北地台次级构造单元埕宁隆起区和济阳坳陷区之间^[21]，自晚更新世以来处于构造拗陷区^[22]。黄河带来的巨量沉积物的自重固结和压实作用，以及人类日益频繁的经济活动等因素的影响，黄河三角洲出现明显的地面沉降现象。

本研究收集了39景(1992年5月到2000年4月)ERS1/2升轨SAR数据(C波段，波长5.6 cm)。现代黄河三角洲上、下两半部分展现在不同景影像中(上半部分：track：132，frame：2835;下半部分：track：132，frame：2853)，SAR数据为估算各种误差项以及提高测量结果的精度提供保障。本文基于Doris、ROI_PAC和StaMPS等免费软件进行SBAS分析。一方面，由于现代黄河三角洲地区地形平坦、海岸侵蚀严重、湿地发育、大气效应较明显，使得利用DEM模拟振幅相位、影像配准和相位稳定象元的提取等SBAS分析较为困难。另一方面，由于黄河三角洲平原上存在数量多、覆盖范围广、反射特征稳定的石油钻井平台，可作为候选SDFP点，尤其在植被、水体广泛分布稳定散射点较少的低洼湿地区域，有助于提高SBAS点密度，从而使SBAS技术应用于广阔淤积平原的地面沉降监测成为可能。

数据处理包括以下步骤。

1) 去除地形相位。尽管卫星雷达地形测量(shuttle radar topography mission,SRTM)数据能提供高精度的地形信息，但是该数据在地势低平的三角洲地区模拟地形相位时容易出现错误。因此，本研究将SRTM与水深数据进行叠加，以增加高程对比度，达到抑制模拟地形误差的目的；再利用海岸线信息对分析结果进行掩膜，提高低平海岸线附近的校正精度。

2) 精确配准。现代三角洲河口区域向海快速淤积，而废弃河口海岸侵蚀严重，植被茂密，湿地广泛，给不同季节获取的影像相互配准带来极大困难。因此，利用轨道信息对影像中心象元进行计算配准，误差在30个像元以内。随后，对影像强度图进行定标，利用自适应中值滤波去除斑点噪声，估计配准多项式。在进行配准处理时，先把待配准的影像进行粗配准，然后分小区块用估计配准多项式进行精配准。最后，对配准困难的小区块，我们将估算出的相邻小区块的象元偏移量应用于该区块。

3) 估算空间相关误差。黄河三角洲地区由于湿地和水体广泛分布，空气湿度较大，大气效应较为显著。因此，本研究通过对相位图解缠数据进行时间域高通滤波和空间域低通滤波处理，实现对大气效应、DEM 残差和轨道误差的估算。

利用Hooper^[23]提出的SBAS时序分析算法模型^[22]进行数据处理，流程如图 2所示。首先，生成差分干涉相位图。综合考虑时间基线、空间垂直基线和多普勒质心频率基线三种基线的临界值，以及绝对值之和最小两种因素，选取1995年8月2日的影像为主影像，对研究区进行裁剪，并对主影像进行方位向20视、距离向4视的多视处理。将主影像与辅影像依次配准并进行干涉处理，去除地形相位影响，共得到118景差分干涉相位图。其次，根据小基线集原则生成小基线集干涉图。本研究中的小基线集中干涉图的最大垂直基线是683 m，最大时间基线946 d。为了提取散射特性稳定的相干点，将幅度分布指数大于0.6且相干性大于0.3的像素点筛选为SDFP(slowly-decorrelating filtered phase pixel)的候选点。在对空间相关误差和空间非相关视角误差进行估算的基础上，通过估计SDFP候选点的相位稳定性，确定稳定性高的SDFP点。去除估算的误差并利用三维相位解缠方法进行相位解缠。随后，估算空间相关误差，获得研究区的形变相位。由于覆盖现代黄河三角洲的SAR数据量较大，同时为了减小由基线估计不准引入的平地误差，本文将研究区划分为6个小区域分别处理。这些小区域之间保留一定象元的重叠区，便于对结果进行拼接^[24]。为了减小提取结果的误差，对重叠区采取均值处理的方法。最后，共获得约14万个有效SDFP点，这些点主要分布于建筑物、道路、裸地、石油钻井平台等区域。

图 2 SBAS时序分析技术数据处理流程 Fig. 2 Data Processing Flowchart of the SBAS Technique

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东营机场(图 3中标识为“a”的红色矩形区域)于1985年建成，在建设过程中对地面进行了夯实处理。建成后至2001年前没有投入使用，在黄河三角洲这样的区块面积内，大地构造运动造成的地面沉降速率是相同的，因此假设东营机场在1992~2000年期间没有地表形变，东营机场可以被选作三角洲地区地面沉降研究的参考点，从而可对整个研究区的监测结果进行校正。现代黄河三角洲位于稳定的渤海盆地中，形变水平分量可以忽略，因此主要考虑该地区的地表垂直形变。雷达视线方向的形变量可通过 D_v=D_LOS/cosθ，转换为垂直方向的地面沉降量,其中，θ 为雷达入射角，6个小区域的雷达入射角分别是22.16°、20.25°、22.17°、20.63°、22.06° 和 20.51°，D_v和D_LOS分别代表地面沉降量和雷达视线方向的形变量。

图 3 黄河三角洲地区1992~2000年地面垂直沉降速率(mm/a)(底图为1995年3月10日Landsat TM影像) Fig. 3 The Map of Subsided Velocities at Yellow River Delta During 1992-2000 (mm/a)

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通过上述处理，获得1992年5月~2000年4月间现代黄河三角洲(面积约6 000 km²)地面沉降平均速率(如图 3所示，负值表示发生了地面沉降)。结果显示现代黄河三角洲地面沉降现象广泛分布，平均沉降速率为-5.1 mm/a。地面沉降量在几mm至几十mm不等，分布极不均匀。其中，在新近形成的陆地、水产养殖池以及盐场附近沉降量较大。在油田形成的沉降漏斗区沉降速率最大达-33.2 mm/a。

选取沉降量相对较大的矩形区域分别标记为A、B、C、D、E、F、G(如图 3所示)，并计算各个区域内地面沉降的平均速率。由监测结果可知，黄河三角洲地面沉降沿黄河两岸分布，沉降较严重的地区主要集中在东营市区及其周边，黄河故道河口、现行河口、小城镇和油田区都有明显沉降。

从空间分布来看，现代黄河三角洲地面沉降与泥沙淤泥形成的陆地分布一致(如图 3中的E、F和G区域)。黄河故道河口(区域E)是1964~1976年间黄河携带的泥沙淤积形成的陆地，其平均沉降量为-14.1 mm/a，最大沉降速率为-20.8 mm/a。现行黄河口(区域G)成陆不到40年，平均沉降速率为-5.7 mm/a，最大沉降速率为-15.9 mm/a。此外，1988年7月围绕孤东油 田建成孤东大堤，从海中围垦出新的陆地(包括区域F)。矩形区域F平均沉降速率为-8.7 mm/a，最大沉降速率为-17.5 mm/a。 新近形成的陆地成陆时间较短，沉积物含水量高，密度低，孔隙比大，压缩系数大，承载力低，易于压缩，这些因素导致新生陆地易于发生地面沉降。新近沉积物固结压实是影响现代黄河三角洲地面沉降的重要的自然因素，总体而言，三角洲成陆时间越晚的区域，其平均地面沉降速率越大。

现代黄河三角洲地面沉降分布也与石油开采区保持一致。东营市位于黄河三角洲腹地，各沉积层形成年代较早，沉积物自然固结压实过程已基本完成，区内地质构造相对稳定，地壳升降活动甚微，研究时间段内并无重大构造活动发生。黄河三角洲地区1980年和1995年油田分布情况见图 1，该区域地面沉降漏斗的发生主要受石油开采活动(采油和抽取浅层地下水用于回注)控制。胜利采油厂(区域C) 是胜利油田的中心，拥有巨厚油层，自1964年以来，长期进行高强度开采活动，已成为地面沉降最严重的地区，该区域平均沉降速率为-21.0 mm/a，最大沉降速率为-33.2 mm/a。另外，耿家井附近现河采油厂(区域D)也出现较大地面沉降，该区域平均沉降速率为-19.5 mm/a，最大沉降速率达到-26.2 mm/a。河口油田(区域A)和孤岛油田(区域B)于70年代初开始采油，虽然进行了较长时间的石油开采，但是开采量相对前两个油田要少的多，地面沉降相较而言不太明显，平均沉降速率分别为-8.8 mm/a和-5.8 mm/a，最大沉降速率分别为-15.6 mm/a和-12.2 mm/a。此外，孤东和桩西油田于80年代末开始石油开采活动，石油开采活动持续的时间较短，且后期合理规划开采，这两个区域地面沉降还没有完全显现，平均沉降速率分别为-5.9 mm/a和-4.6 mm/a，最大沉降速率分别为-14.2 mm/a和-16.2 mm/a。油田区发生地面沉降的主要原因在于长期高强度超量油气开采导致的储油层压力下降，油气区和黏土层压缩，从而导致地面沉降的发生。另外，石油开采过程中就近抽取浅层地下水回注，进一步加剧了油田及其附近区域的地面沉降，甚至远远超过油气抽取的作用强度。

现代黄河三角洲地面沉降分布与地下水开采区和城镇建设区也具有较好的一致性。现代黄河三角洲地下水主要为咸水，只有南部小部分区域是上部咸水下部淡水区，不能用作生活和农业用水，主要用作晒盐和石油开采过程中的油井注水。例如，六户镇为上咸下淡水区，各沉积层自然固结压实过程已大致完成，2000年前石油开采活动较少，六户镇地面沉降的主要原因便是深层地下水开采。因此，该镇在1991-01-1~1997-07-01年间深层地下水位下降了30 m，深层地下水位下降速率超过4 m/a，对应的地面沉降的平均速率是-5.2 mm/a，最大沉降速率是-11.3 mm/a。在欠固结或半固结土层分布区，地下水开采导致孔隙水压力降低，土层随着静水压的减小而固结压密，必然导致地面沉降。

现代黄河三角洲沿海岸线分布有大量盐田和养殖池。很多沿海盐场也偏向于抽取浅层地下卤水晒盐，导致地面沉降。例如，广饶盐场建立于1959年，开采量由80年代的一千万立方米上升到90年代的二千万立方米，地面沉降平均速率为-5.1 mm/a，最大沉降速率为-13.6 mm/a。

地表荷载增加也是导致黄河三角洲地区地面沉降的原因之一。这主要是城镇建设导致地表负荷增加所致。现代黄河三角洲的人口和建筑物主要分布在东营市区、河口区、垦利、孤岛、仙河等城镇，这些地区的沉降速率在-4~-7 mm/a左右。

本文利用水准点数据对上述SBAS时序分析技术获得的地面沉降结果进行验证(见图 4)。水准点的监测时间段和观测期数分别为：73R1：1992~1994(2期)；76BM1：1992~1997(8期)；65L3：1990~2000(3期)；ZJ76L1：1990~1998(3期)；ZQ76L1：1990~1993(4期)；76BM2：1990~1997(9期)；76R1：1982~1997(8期)；II-1~II-4：1964~2002(4期)；S4~S59：1990-10~1999-11(2期)；III-1~III-3：2000~2007(2期)；IV-1~IV-9：2001~2004(4期)；D7~D36和YD14：2002-12~2008-06(6期)。由于该区域具有形变缓慢、范围大和相邻时间段沉降速率变化不大的特点，因此相邻时间段的SBAS点结果与相邻水准点之间沉降速率可以进行比较。本文利用与距离SBAS点最近的水准数据(共51个水准点数据)来进行结果验证。结果显示水准点与SBAS监测结果间的中误差达6.1 mm，这包括了SBAS监测误差、水准点监测误差以及地面沉降的时间和空间差异。其中，相距最近的一个水准点(相距约120 m，共进行6期水准观测)与SBAS点的形变曲线与水准点的相同时间段的形变曲线相似(见图 5)，中误差为2.6 mm。此外，SBAS技术获取的结果与其他科研工作者的利用其他方法观测到的结果在沉降分布和沉降量大小上都基本吻合^{[7, 20, 25, 26, 27, 28]}。考虑到受该区水准点变形的影响，以及点和面之间的比较，位置和观测时间的差异，可以认为本文利用SBAS时序分析技术提取的黄河三角洲地面沉降信息与第三方验证数据较为一致。

图 4 SBAS时序分析技术与水准监测结果比较 Fig. 4 Comparison Between Results from SBAS Time-series Analysis and Leveling Measurements

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图 5 相邻位置SBAS点与水准点时间序列形变比较 Fig. 5 Comparison Between SBAS Data and Adjacent Measurements from Leveling Point About Deformation Rate

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本文利用SBAS时序分析技术研究现代黄河三角洲地区地面沉降，为现代黄河三角洲地面沉降监测提供高空间分辨率和时间序列形变信息。通过与水准观测数据比较表明SBAS技术提取的黄河三角洲地面沉降结果可靠。结果表明，现代黄河三角洲地面沉降灾害时空分布特征与石油开采(采油和抽取浅层地下水用于回注)、沉积物固结压实、地下水抽取、地表载荷增加等多种因素密切相关。研究发现，沉积物固结压实和石油开采对地面沉降的影响较为显著，其中新废弃的三角洲叶瓣沉积物的自然固结压实对地面沉降的贡献量为-14.1 mm/a；石油开采活动使得局部区域沉降加剧，东营城区早期长时间高强度石油开采对地面沉降的贡献量达到-21.0 mm/a。此外，由于地表荷载增加，一般城区建设对地面沉降的贡献量在-4.7 mm/a左右，广饶盐场抽取地下卤水晒盐引发的地面沉降速率为-5.1 mm/a。

致谢：感谢Hooper提供StaMPS软件，荷兰Delft理工大学提供Doris 软件及精密轨道数据；感谢ESA提供SAR数据，USGS提供SRTM数据。