基金項目： 國家自然科學基金資助項目（41074005）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET-08-0822）；教育部科技發(fā)展中心博士學科類基金資助項目（20050147001）

作者簡介： 聶運菊（1978-），女，講師，博士研究生，研究方向為InSAR理論和應用研究，電話：18170825037，E-mail：nieyunju@126.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0448-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.009

摘要：

為了提高PSI沉降監(jiān)測的精度，在常用干涉組合方式的基礎上，同時考慮空間基線和時間基線閾值以及各干涉對的干涉相位噪聲限制，提出一種新的干涉組合方式.選取上海市局部區(qū)域作為實驗區(qū)，以16幅TerraSAR-X （TSX）影像為數(shù)據(jù)源，采用考慮干涉相位噪聲的PSI干涉組合方式進行地表沉降監(jiān)測.研究結果表明，與已有的干涉組合方式相比，本文提出的干涉組合方式獲取的干涉對數(shù)量最少（92對），PS個數(shù)最多（27 026個），與水準測量數(shù)據(jù)進行比較，年沉降速率中誤差為±3.89 mm/a，比已有的干涉組合方式的精度平均提高1.86～3.00倍，證實了該干涉組合方式的有效性和可靠性.

關鍵詞：

永久散射體；干涉組合；時空基線；干涉相位噪聲；沉降監(jiān)測

中圖分類號： P228文獻標志碼： A

合成孔徑雷達干涉（interferometric synthetic aperture radar， InSAR）技術是通過處理和分析覆蓋同一地區(qū)的兩幅或多幅SAR（synthetic aperture radar）復圖像所形成的干涉圖獲取地面高程或地表位移信息，而干涉圖中的噪聲是InSAR測量技術的重要誤差來源.根據(jù)文獻[1]的研究，干涉圖噪聲主要來源于系統(tǒng)性熱噪聲、時間失相關、空間失相關、多普勒質心失相關及大氣水氣等因素.

針對InSAR技術受時空失相關[1-2]和大氣延遲[3-4]的負面影響，近年來，利用相干目標法進行長時間序列分析，并將該方法應用于地表沉降監(jiān)測，已成為InSAR技術領域的研究熱點.其中最典型的是永久散射體合成孔徑雷達干涉（persistent scatterer InSAR， PSI）技術[3-4]、短基線子集（small baseline subset， SBAS）技術[5-6].這些技術在區(qū)域沉降監(jiān)測應用方面已展現(xiàn)出巨大的應用潛力.但在實際沉降監(jiān)測應用中，PSI技術因采用唯一主影像，存在長時空基線問題，而在植被覆蓋密集地區(qū)，因缺乏足夠的硬目標無法進行沉降監(jiān)測. SBAS技術利用短空間基線干涉像對組合生成差分干涉圖，增加了公共主影像條件下的干涉對數(shù)目，降低了空間失相關對干涉圖的影響，但對時間基線沒有進行限制，難以避免時間失相關的影響.文獻[7-13]在PSI和SBAS方法的基礎上，對兩者進行了改進和聯(lián)合.但是，以上方法在進行干涉對組合時，只針對影響干涉對噪聲的單一因素（例如時間、空間或時空基線）進行了限制，沒有考慮時間序列干涉對的干涉相位噪聲對后續(xù)PS探測及沉降監(jiān)測結果的影響.

本文在已有干涉組合方式基礎上，提出了一種新的干涉組合方式，即在考慮時空基線的同時，考慮時間序列干涉對的噪聲影響因素.為驗證本文提出的干涉組合方式的有效性和可靠性，以覆蓋上海地區(qū)（2009年3月—2010年1月）的16幅高分辨率衛(wèi)星TerraSAR-X （TSX）影像（重訪周期為11 d，雷達波長為3.1 cm）為數(shù)據(jù)源，與目前常用的干涉組合方式進行了比較分析，并采用考慮干涉相位噪聲的PSI干涉組合方式進行地表沉降監(jiān)測.

1

存在干涉相位噪聲的PSI干涉組合

與常規(guī)InSAR觀測相同， PS目標的干涉相位由參考橢球面相位、地形相位、形變相位、大氣相位和噪聲等分量的和構成，區(qū)別在于PS點上的相位信號是穩(wěn)定可靠的，隨機干涉相位噪聲小，借助濾波方法可分離出各相位分量，達到有效去除軌道殘余相位、地形殘余相位、大氣延遲相位并抑制噪聲的目的，進而實現(xiàn)精確提取形變信息[14].

PSI技術的基本思想是：假設同一研究區(qū)域在某時間段內(nèi)有N幅高分辨率SAR影像（m，n），采用整體相關性測度技術[15]確定其中一幅影像作為主影像，其它SAR影像與主影像進行配準并重采樣到同一空間[14]，按照干涉組合方式形成Q幅干涉圖.在此基礎上，利用精密軌道數(shù)據(jù)和外部數(shù)字高程模型（digital elevation model， DEM）分別去除參考橢球面相位和地形相位，得到相應的Q幅差分干涉圖.為了探測出準確可靠的PS點，將時序SAR影像振幅值歸一化到同一基準，即對所有配準后的SAR影像進行輻射校正，然后提取SAR影像中的PS點，對這些高信噪比的PS點集進行后續(xù)處理和分析.

2

實驗結果

2.1

實驗數(shù)據(jù)

為驗證本文提出的干涉組合方式的有效性和可靠性，選取2009年3月28日—2010年1月30日覆蓋上海地區(qū)的16幅高分辨率TSX影像為數(shù)據(jù)源，影像采樣間隔在斜距向為0.9 m （對應地面距離向間距約2.05 m），方位向為1.9 m.圖1左上角矩形框內(nèi)為研究區(qū)域的地理位置和TSX的成像覆蓋范圍，對實驗區(qū)域（寶山區(qū)羅涇鎮(zhèn)）進行了放大， B1～B13代表沿引堤和防汛大堤上布設的13個水準點，其實測水準數(shù)據(jù)（分別于2009年5月和2010年6月兩期觀測得到）用于對PSI數(shù)據(jù)進行檢核.

實驗過程中，考慮到影像組合時的時間和空間基線分布，以2009年9月20日獲取的影像作為主影像，采用Doris軟件將其余影像分別配準并重采樣到主影像空間.為了進行干涉組合方式的對比實驗，進行了6組干涉組合實驗.以任意組合方式為例，首先獲取120幅干涉對，所有干涉對中最長和最短的時間基線分別為308和11 d；最大和最小的空間基線分別為361和0.1 m；干涉相位噪聲標準差的最大值和最小值分別為85.5和48 rad，對應的均值和方差分別為70.9和8.2 rad.然后，用美國NASA提供的SRTM 90 m分辨率的DEM作為去除地形相位的高程數(shù)據(jù)，進行兩軌法差分干涉，形成相應的120幅差分干涉圖.

2.2

實驗結果分析

選取位于上海市最北端的寶山區(qū)羅涇鎮(zhèn)（約13.3 km2）作為測試區(qū)域（圖1）.

基于16幅TSX影像，進行6組干涉組合實驗，即自由組合、空間基線閾值（250 m）組合、時間基線閾值（250 d）組合、噪聲閾值（79.1 rad）組合、時空基線閾值組合和時空基線加噪聲閾值組合.在6組干涉組合方式形成的差分干涉圖基礎上，分別進行PS探測，篩選得到真實PS點.對6組干涉組合方式所得的干涉對個數(shù)、PS點個數(shù)、γ均值進行統(tǒng)計分析，結果如表1所示.

從表1可見，在兼顧時空基線及干涉相位噪聲閾值進行干涉組合時，獲取的干涉對個數(shù)（92對） 最少，PS點個數(shù)（27 026個）最多，均值（0.545 3）最大，實現(xiàn)了干涉對優(yōu)化組合.

在獲取研究區(qū)域內(nèi)所有真實的PS點后，利用3D相位解纏算法估計區(qū)域年沉降速率，結果如圖2～圖7所示.參考基準為研究區(qū)東南角5個沉降量最小的PS點（在圖2～圖7右下方用“★”符號表示）.

從圖2～圖7可以看出，在6種干涉組合方式得到的沉降監(jiān)測結果中，沉降趨勢基本一致，沉降速率分布在-40～10 mm/a之間，中部沉降較為明顯，局部表現(xiàn)為地面反彈回升，西南角處的沉降速率值最高達-19 mm/a，沉降較為明顯.

2.3

實驗結果驗證

為定量評估PSI年沉降速率結果的可靠性，以13個水準點B1～B13的實測數(shù)據(jù)作為檢核數(shù)據(jù)，對基于6種干涉組合方式得到的PSI年沉降速率結果分別進行精度估計.PSI年沉降速率與水準數(shù)據(jù)年沉降速率進行對比的結果見表2.

通常PS點位置與水準點位置不一致，為了與水準數(shù)據(jù)進行對比，將水準點位置附近100 m范圍內(nèi)所有PS點在LOS方向的年形變量轉換為垂直方向的年形變量[18]，并將計算結果的平均值作為水準點PSI值.

綜合分析表1和表2，將時間基線閾值、空間基線閾值、噪聲閾值等閾值結合起來進行處理，獲取的干涉對個數(shù)（92對）最少，PS點個數(shù)（27 026個）最多，實現(xiàn)了干涉對優(yōu)化組合，提高了后續(xù)PS探測效率.

用水準實測數(shù)據(jù)進行檢核，采用本文提出的干涉組合方式得到的PS點上的年沉降速率結果估計精度（±3.89 mm/a）比圖2～圖6所示方式的精度提高了1.86～3.00倍，表明該組合方式有效可靠.

3

結束語

在常用干涉組合方式的基礎上，提出了一種新的干涉組合方式，即根據(jù)各干涉對的時空基線和干涉相位噪聲標準差閾值進行干涉對優(yōu)化組合.以德國衛(wèi)星TSX在上海市獲取的16幅X波段高分辨率SAR影像為數(shù)據(jù)源，選取位于最北端的寶山區(qū)羅涇鎮(zhèn)作為測試區(qū)域，對自由組合、空間基線、時間基線、噪聲、時空基線和時空基線加噪聲6種干涉組合方式進行了對比實驗.

基于該組合方式對上海局部地區(qū)的地表沉降進行監(jiān)測，并用水準實測數(shù)據(jù)進行了檢驗，研究結果表明，與已有干涉組合方式相比，本文提出的干涉組合方式獲取的干涉對個數(shù)最少，PS個數(shù)最多，均值最大.值得指出的是，應用該組合方式進行PSI地表沉降監(jiān)測，后續(xù)處理效率顯著提高.以外部水準實測數(shù)據(jù)為基準，對6種干涉組合獲取的PSI年沉降速率結果進行精度評定，利用本文提出的干涉組合方式獲取的研究區(qū)域PSI年沉降速率中誤差為±3.89 mm/a，比已有方式的精度平均提高了1.86～3.00倍，驗證了該組合方式的有效性和可靠性.

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