時(shí)序InSAR多源數(shù)據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)研究

劉平利，喬天榮，張鴻祥，王傳先，于 雷，王景道

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛躍發(fā)展，由于其具備高精度變形監(jiān)測(cè)能力，作為城市地面沉降重要手段的InSAR 技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并逐漸成熟[1-2]，在城市地面沉降監(jiān)測(cè)、地表各類(lèi)地物形變監(jiān)測(cè)中得到了重視和應(yīng)用。將其應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測(cè)，具有高精度、監(jiān)測(cè)范圍大、監(jiān)測(cè)連續(xù)性好、受氣候影響較小、監(jiān)測(cè)實(shí)施方便容易、成本相對(duì)低、安全性高等獨(dú)特監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)[3]。

1 技術(shù)路線

基于多源數(shù)據(jù)的時(shí)序InSAR 城市地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，將其研究過(guò)程分為4 個(gè)步驟:①通過(guò)收集已有資料（DEM、光學(xué)影像、地質(zhì)信息、氣象等）現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析選擇衛(wèi)星影像完成項(xiàng)目的準(zhǔn)備工作；②借助項(xiàng)目要求開(kāi)展時(shí)間段內(nèi)的雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如TerraSAR、ALOS2、Radsat、 COSMO-KeyMed、Sentinel-1A 等常用的衛(wèi)星遙感影像顯示D-InSAR、PSInSAR、SBAS-InSAR 等不同時(shí)序干涉SAR 監(jiān)測(cè)城市區(qū)域地表變形的能力和主要問(wèn)題；③根據(jù)現(xiàn)有時(shí)序InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合城市區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)城區(qū)鐵路形變、公路形變、建構(gòu)筑物形變、地鐵形變進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]，并分析4 種類(lèi)型地表形變的特點(diǎn)，為城市區(qū)域各主要交通、建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性評(píng)估提供基礎(chǔ)[5]；④將成果進(jìn)行總結(jié)，形成不同對(duì)象，不同類(lèi)別的分析報(bào)告。

2 可用數(shù)據(jù)介紹

現(xiàn)有InSAR 雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)較多，常用的InSAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)有意大利的COSMO-SkyMeD（X波段）；德國(guó)的TerraSAR（X波段）；日本的ALOS-2（L波段）；歐洲航天局的Sentinel-1（C波段）等。根據(jù)InSAR 的成像原理，頻段越高（X、K波段）衛(wèi)星影像分辨率越高，穿透能力越弱，但對(duì)地物細(xì)節(jié)描述能力越強(qiáng)，圖像的邊緣輪廓越清晰。反之頻段越低（P、L波段）衛(wèi)星影像分辨率也越低，但穿透能力越強(qiáng)，適合用于植被較多的區(qū)域。中間頻段（S、C波段），兼顧穿透性和細(xì)節(jié)描述，綜合性能好。在城市區(qū)域植被覆蓋一般較少，且有較多較穩(wěn)定的反射體，用高中頻段的衛(wèi)星影像能獲取較多的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且能很好的突出細(xì)節(jié)信息。由于SAR 衛(wèi)星是側(cè)視成像區(qū)別于光學(xué)遙感衛(wèi)星的正視成像，在城市區(qū)域由于建筑物較為密集，因此利用單一軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于反映整體形變能力不足，在監(jiān)測(cè)時(shí)宜分別對(duì)升軌、降軌數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便全面反映城市區(qū)域內(nèi)各對(duì)象的形變情況。目前市面上的各個(gè)SAR 衛(wèi)星主要參數(shù)如表1 所示。

表1 SAR 衛(wèi)星主要參數(shù)表

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，選擇不同的雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為開(kāi)展InSAR 監(jiān)測(cè)分析的原始數(shù)據(jù)。分別利用時(shí)序差分干涉測(cè)量（時(shí)序D-InSAR）、永久散射體干涉測(cè)量（PS）和小基線集干涉測(cè)量（SBAS）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得到城市地表形變監(jiān)測(cè)成果。

3 方法選取

D-InSAR 差分技術(shù)常用的有二軌法和三軌法，需SAR 數(shù)據(jù)量少，最少需要2 景SAR 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)便可完成形變監(jiān)測(cè)。側(cè)重于研究短時(shí)間間隔的單次形變，受到時(shí)間、空間失相關(guān)以及大氣相位等誤差因素的影響。由于SAR 衛(wèi)星觀測(cè)周期以及空間和時(shí)間基線的限制，無(wú)法獲取連續(xù)的地面沉降場(chǎng)。時(shí)序InSAR技術(shù)如小基線子集法（SBAS）和永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)（PS-InSAR）對(duì)數(shù)據(jù)量要求較高，SBAS 技術(shù)一般要求數(shù)據(jù)源至少為10 景SAR 數(shù)據(jù)[6]，PS-InSAR技術(shù)為15 景。但因去除了部分誤差，監(jiān)測(cè)精度高于D-InSAR 差分技術(shù)[7]。因此，針對(duì)研究區(qū)域在前期數(shù)據(jù)量較少時(shí)采用D-InSAR 差分技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]，當(dāng)后期數(shù)據(jù)不斷積累分別采用時(shí)序InSAR 技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同一區(qū)域用不同監(jiān)測(cè)方法，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，充分發(fā)揮多源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)[9]。對(duì)于D-InSAR技術(shù)形變監(jiān)測(cè)達(dá)到cm 級(jí)精度（＜10 cm），SBASInSAR、PS-InSAR 技術(shù)形變監(jiān)測(cè)達(dá)到mm 級(jí)監(jiān)測(cè)精度（＜10 mm）。

3.1 數(shù)據(jù)處理

DInSAR 技術(shù)就是對(duì)兩組干涉對(duì)（形變前與形變后）進(jìn)行差分處理[10]。具體而言，它通常是基于重復(fù)軌道干涉測(cè)量模式對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行不同時(shí)間地成像，使1 到2 個(gè)干涉相對(duì)的相位包含不同的地面信息，再對(duì)處理后的干涉相位進(jìn)行差分，以達(dá)到獲取形變信息的目的。根據(jù)地形對(duì)干涉相位去除方法或重復(fù)軌道影像數(shù)目的不同，常規(guī)的DInSAR 技術(shù)可分為“二軌法”、“三軌法”和“四軌法”。在無(wú)法獲得高精度DEM的情況下，一般使用SRTM DEM，其精度優(yōu)于1∶2.5 萬(wàn)以上的地形圖。

PS-InSAR 技術(shù)是從N幅SAR 影像中選取一幅作為主影像。將所有影像與主影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)和干涉處理，生成差分干涉圖集，接著進(jìn)行初始PS 點(diǎn)的選取，主要方法有相位離差閾值法、振幅離差閾值法、多極化選取法和相干系數(shù)與振幅離差雙重閾值法等。

SBAS 是由Berardino 等于2002 年提出的。假設(shè)存在N+1（設(shè)N為奇數(shù)）幅單視復(fù)數(shù)SAR 影像，其成像時(shí)間分別為t0,…,tN。根據(jù)設(shè)定的垂直基線閾值（如300 m），將上述影像進(jìn)行分組，每個(gè)組內(nèi)的影像進(jìn)行差分干涉處理，則得到的干涉圖的數(shù)量K滿(mǎn)足:

SBAS 處理方法具有兩方面的優(yōu)點(diǎn):①要求的SAR影像數(shù)量相比于PS 大幅度減少；②兼顧短時(shí)間內(nèi)具有高相干性的區(qū)域性目標(biāo)，使得相干目標(biāo)數(shù)目增多。

3.2 精度驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

對(duì)于利用時(shí)序InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)的地面沉降結(jié)果，采用水準(zhǔn)（或GPS）測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證精度[11]。InSAR 技術(shù)獲取的是圖像覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)雷達(dá)信號(hào)，具有比較穩(wěn)定的后向散射的目標(biāo)（穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)）上的形變信息，這些點(diǎn)目標(biāo)與水準(zhǔn)點(diǎn)的空間位置不一定完全一致。為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，約定鄰近點(diǎn)原則對(duì)初始獲得的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行篩選:即以水準(zhǔn)點(diǎn)為中心，如果在一定距離范圍內(nèi)（經(jīng)驗(yàn)值為80 m）存在至少一個(gè)InSAR 點(diǎn)目標(biāo)，則選擇該水準(zhǔn)點(diǎn)參與精度評(píng)價(jià)，比較水準(zhǔn)點(diǎn)與最鄰近點(diǎn)InSAR 點(diǎn)目標(biāo)測(cè)量得到的形變值，根據(jù)二者的差異評(píng)估InSAR 地面形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。

假定有1,2,…,N個(gè)水準(zhǔn)（或GPS）測(cè)量數(shù)據(jù)，其測(cè)量時(shí)段應(yīng)與SAR 影像獲取時(shí)段相一致，如上所述，可得到N個(gè)形變速率誤差ΔV1,ΔV2,…,ΔVN，則

誤差最大值為: ΔVmax=max(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

誤差最小值為: ΔVmin=min(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

4 地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用GIS 技術(shù)，對(duì)沉降區(qū)InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括:

1）地面沉降空間分析?；贗nSAR 獲取的地面沉降結(jié)果，利用GIS 分析方法，對(duì)城市地面沉降規(guī)模、沉降中心分布（最大沉降速率、最大累計(jì)沉降量）、沉降范圍面積等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2）沉降年際變化分析。 基于InSAR 得到的時(shí)間序列沉降結(jié)果，結(jié)合高分辨率光學(xué)遙感影像，分析形變區(qū)地面沉降的空間分布變化特征，分析地面沉降中心時(shí)間序列演化特征。

3）地面沉降影響分析。結(jié)合高分辨率光學(xué)影像及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和地理國(guó)情數(shù)據(jù)，分析形變區(qū)地面沉降影響范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境、耕地水系、交通設(shè)施、地上建筑等受損情況，并開(kāi)展地面沉降災(zāi)害分區(qū)分析。

5 成果提交

1）監(jiān)測(cè)周期內(nèi)城市的累積形變量等值線圖、沉降速率圖、地表沉降危險(xiǎn)性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表。

2）公路、地鐵形變成果分析。動(dòng)態(tài)形變過(guò)程圖，沉降速率圖、累積形變量等值線圖、地表沉降危險(xiǎn)性分區(qū)里程統(tǒng)計(jì)表、沉降危險(xiǎn)性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表。

3）物形變成果分析。建構(gòu)筑物動(dòng)態(tài)形變過(guò)程圖，沉降速率圖、累積形變量等值線圖、建構(gòu)筑物地表沉降危險(xiǎn)性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表。

6 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)方法如水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS 測(cè)量等在城市監(jiān)測(cè)中只能獲取單點(diǎn)離散的監(jiān)測(cè)值，而基于時(shí)間序列的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（時(shí)序InSAR）進(jìn)行方法選取得當(dāng)，精度可達(dá)mm 級(jí)，相比于其他測(cè)量技術(shù)，具有極大的優(yōu)勢(shì)。