基于D-InSAR三軌法的北京平原區(qū)地表形變監(jiān)測

周 琦，趙文吉

（1.首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

基于D-InSAR三軌法的北京平原區(qū)地表形變監(jiān)測

周 琦1，趙文吉1

（1.首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

首先闡述了D-InSAR三軌法提取地表形變的基本原理，以北京平原區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，利用2009年9月到2010年4月間時隔210 d的三景Envisat ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取了該時間段內(nèi)北京市城區(qū)范圍內(nèi)的整體地表形變，并將其與常規(guī)水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)監(jiān)測結(jié)果范圍與傳統(tǒng)測量方法累計沉降量等值線吻合較好，D-InSAR三軌法能很好地反映實(shí)驗(yàn)區(qū)域的地面沉降情況。

D-InSAR；三軌法；沉降災(zāi)害；地表形變；北京城區(qū)；平原區(qū)

D-InSAR技術(shù)是InSAR技術(shù)的拓展和延伸。D-InSAR作為一種對地觀測新技術(shù)，憑借其形變測量精度高、覆蓋區(qū)域廣、空間分辨率高、數(shù)據(jù)自動化處理功能強(qiáng)大和基于面觀測的遙感技術(shù)等特點(diǎn)[7]，在監(jiān)測大范圍區(qū)域性地表形變應(yīng)用中具有極大的潛力。1989年，Grabriel等首次論證了D-InSAR技術(shù)可用于探測cm級的地表形變[2]；1993年，Massonnet等人利用ESR-1 SAR干涉圖像以及該地區(qū)的已知DEM數(shù)據(jù)，完整得到了加利福尼亞蘭德斯地震的同震位移場[3]；1994年，Zebker等人提出了利用三軌法從SAR干涉圖中提取地震形變的方法，由此引發(fā)了D-InSAR技術(shù)理論和應(yīng)用的研究熱潮[4]；此后隨著D-InSAR技術(shù)的不斷發(fā)展，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至地面沉降、山體滑坡等緩慢微小的地表形變。國內(nèi)從1997年開始進(jìn)行雷達(dá)干涉測量和差分干涉測量技術(shù)的研究，主要表現(xiàn)在地震形變監(jiān)測、城市地下水開采地面沉降監(jiān)測、南極冰川運(yùn)動監(jiān)測以及滑坡監(jiān)測等方面的研究，取得了一定的成果。

1 D-InSAR提取地表形變基本原理

干涉測量的每個分辨率像元記錄的相位信息主要包含參考面、地形、地表形變、大氣延遲及噪聲等因素的綜合貢獻(xiàn)，可由式（1）表示。

D-InSAR差分干涉測量就是采取一系列方法將其余4種相位信息去除，從而得到包含地面形變信息的形變相位Φdefo。根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同，D-InSAR技術(shù)主要分為二軌法和三軌法。二軌法利用外部高精度地面數(shù)字高程模型來模擬地形干涉條紋，然后從整體干涉圖中減去模擬的地形相位就得到了只包含形變相位的差分干涉圖。三軌法即利用三景數(shù)據(jù)，其中主圖像獲取在形變發(fā)生前，與其他兩景影像生成2幅干涉圖，一幅反映地形信息，另一幅反映地表形變信息，消除平地效應(yīng)后，分別進(jìn)行相位解纏，最后利用差分干涉測量原理，計算得到地表形變信息。三軌法的優(yōu)點(diǎn)是無須輔助高程信息，不會引入DEM誤差；缺點(diǎn)是相位解纏的效果將影響最終結(jié)果[8]。

本文以三軌法為例，介紹D-InSAR技術(shù)的基本原理。如圖1所示，A1、A2是地表發(fā)生形變前SAR衛(wèi)星短時間間隔內(nèi)2次對同一地區(qū)成像時的瞬時天線位置，A1、A2天線處獲得的雷達(dá)回波信息只包含地形信息；A3是形變發(fā)生后一段時間內(nèi)的SAR衛(wèi)星對該地區(qū)成像時的天線位置，由A1、A3所獲得的干涉圖像相位不僅包含地形相位，還包含地表形變的相位。

圖1 D-InSAR三軌法測量原理示意圖

天線A1和A2分別收到的信號傳播路徑為ρ1和ρ2，二者的差為δρ。由InSAR的基本原理可知[8]：

由于基線B遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷達(dá)距地距離ρ1，所以δρ≌?Bsin（θ?α）=B||。式中，B||為基線B在視線方向的分量，即B||≌Bsin（θ?α）。

用干涉方式所量測到的相位差與視線方向的基線分量成正比。在重復(fù)軌道干涉測量模式下，有：

如果在同一地區(qū)再次成像，傳感器位置為S3，信號傳播路徑為ρ3，與S1位置時獲取的主影像形成第2幅干涉圖，其基線距為B'，基線與水平方向的夾角為α'，相位差為Φ'，θ不變，此時地形相位信息可由式(4)得到：

如果在第3次成像前地表發(fā)生形變，并且形變量與雷達(dá)分辨單元相比很小，確保雷達(dá)信號未出現(xiàn)失相關(guān)，那么此時相位信息除了與地形有關(guān)外，還包含雷達(dá)視線LOS方向的形變信息Δρ。第2幅干涉圖的相位可以表示為：

由式(7)、式(8)便可得出地表形變量。D-InSAR處理與InSAR處理相比，主要是增加了對地形相位的消除。

2 實(shí)驗(yàn)處理流程及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)選取北京市平原區(qū)以及近郊區(qū)縣昌平、順義、大興的一部分作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，見圖2。北京市平原區(qū)位于華北平原的西北邊緣，西部和北部群山圍繞，西部山區(qū)屬太行山脈，北部山區(qū)屬燕山山脈[9]。北京平原主要是永定河、潮白河、北運(yùn)河、大石河及薊運(yùn)河等沖洪積物組成的山間盆地和山前傾斜平原。山前平原由西北山前向東南緩緩傾斜，地面高程由60 m逐漸降至10 m。平原區(qū)面積為6 528 km2。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍雷達(dá)強(qiáng)度圖

2.2 數(shù)據(jù)信息

實(shí)驗(yàn)選用歐空局Envisat衛(wèi)星于2009-09-09、2009-11-18、2010-04-07采集獲得的覆蓋北京城區(qū)的三景ASAR雷達(dá)影像進(jìn)行三軌差分干涉測量處理，見表1。

表1 SAR數(shù)據(jù)參數(shù)統(tǒng)計表

2.3 數(shù)據(jù)處理流程及結(jié)果分析

圖3 D-InSAR三軌法基本處理流程圖

圖3為三軌法基本處理流程。由于衛(wèi)星在對地表同一地物進(jìn)行重復(fù)軌道觀測時的瞬時位置會發(fā)生變化，因此首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)與重采樣。在進(jìn)行去除平地效應(yīng)和濾波的處理后便可開始對干涉相位進(jìn)行解纏，對干涉相位中包含的噪聲信息進(jìn)一步抑制。在GAMMA軟件中相位解纏處理一般有2種方法，分別是枝切法和最小費(fèi)用流法(MCF)。本次實(shí)驗(yàn)采用較為快速實(shí)用的MCF法，可以減少解纏運(yùn)算時間，如圖4所示。將地形相位斜面恢復(fù)到解纏相位中，如圖5所示，在差分干涉圖上沉降的區(qū)域所對應(yīng)位置的干涉條紋發(fā)生了明顯扭曲。

圖4 主影像對與從影像對解纏結(jié)果

圖5 干涉條紋反映地形相位變化

最后將差分干涉相位轉(zhuǎn)換到高程相位，得到形變圖。從圖6可知，從2009-09-09到2010-04-07共210 d的時間跨度里，北京平原區(qū)部分沉降中心最大沉降量約為114 mm。實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)可以觀察到朝陽區(qū)東八里莊-大郊亭沉降區(qū)、朝陽區(qū)望京-來廣營沉降區(qū)、順義區(qū)高麗營沉降區(qū)3個明顯的沉降中心，其中北京市東部京通快速線王四營-通州一帶是目前北京市最大的沉降漏斗，與北京市地面沉降歷史監(jiān)測結(jié)果相吻合。圖6為經(jīng)過相位到高程轉(zhuǎn)換后的實(shí)驗(yàn)區(qū)域7個月的累計沉降量。

圖6 實(shí)驗(yàn)區(qū)210 d累計沉降量

2.4 監(jiān)測結(jié)果比較驗(yàn)證

將InSAR測量結(jié)果與用常規(guī)水準(zhǔn)測量方法監(jiān)測得到的北京市2008~2010年地面沉降等值結(jié)果（見圖7）進(jìn)行疊加比較可以發(fā)現(xiàn)，InSAR監(jiān)測結(jié)果中無論是沉降趨勢還是沉降中心位置都與水準(zhǔn)測量結(jié)果比較接近。另外在沉降漏斗中心位置設(shè)有北京市地面沉降監(jiān)測站等水準(zhǔn)測量站點(diǎn)，通過與這一時間段內(nèi)沉降監(jiān)測結(jié)果的比較,可進(jìn)一步驗(yàn)證InSAR測量的監(jiān)測精度。圖8為最終的實(shí)驗(yàn)區(qū)地面形變監(jiān)測結(jié)果。

圖7 北京市2008~2010年地面沉降量等值線圖

圖8 實(shí)驗(yàn)區(qū)沉降監(jiān)測結(jié)果分析

3 結(jié) 語

本文利用D-InSAR三軌法監(jiān)測了北京市平原區(qū)地表形變。盡管在城市地表形變監(jiān)測中，傳統(tǒng)差分干涉測量受大氣效應(yīng)引起的相位延遲，由時間、空間失相干引入相位噪聲等問題影響較大，但D-InSAR能在一定時間段及一定的誤差范圍內(nèi)，快速準(zhǔn)確地監(jiān)測城市地面形變的發(fā)展趨勢及大致位置，操作便捷并且能達(dá)到cm級的監(jiān)測精度。監(jiān)測結(jié)果表明， D-InSAR三軌法技術(shù)能良好地反映城市區(qū)域地表形變。

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Surface Deformation Monitoring of Beijing Plain Area Based on 3-pass D-InSAR Technique

byZHOU Qi

We described the basic principles of the D-InSAR 3-pass method to extract the surface deformation and subsidence at the beginning. Taking Beijing Plain area as the experimental area, using and calculating 3 experiment data which was produced during 09/2009~04/2010 that lasts 210 days, we obtained the overall surface deformation of Beijing urban area limits during that period.We compared the InSAR result with leveling measurement method and the monitoring result of the experiment area. The results show that the 3-pass D-InSAR method can well reflect land subsidence situation of the experimental regional.

D-InSAR, 3-pass, surface deformation,land subsidence,Beijing, plain area

P237.9

B

1672-4623（2013）02-0146-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.048

2012-11-01。

項(xiàng)目來源：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（KZ201010028030）；北京市教育委員會科技計劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目。

book=3,ebook=79

周琦，碩士，研究方向?yàn)檫b感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。