侯建國,初 禹

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036)

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

侯建國1,初 禹2

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036)

合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)是利用合成孔徑雷達(dá)(SAR)兩次觀測中的相位差與空間距離差之間的關(guān)系，提取地表三維信息和形變信息的一項(xiàng)技術(shù)。利用歐空局存檔雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過常規(guī)D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對哈爾濱城市歷史和現(xiàn)今地面沉降情況調(diào)查，為城市形變?yōu)暮︻A(yù)測提供詳實(shí)可靠的觀測數(shù)據(jù)，以便更好地指導(dǎo)今后的地面沉降防治工作。

合成孔徑雷達(dá)；干涉測量；地面沉降；地下水；精度驗(yàn)證

地面沉降是一種緩變性地面變形環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，是由于在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中對地下資源過度開發(fā)而造成。地面沉降現(xiàn)象嚴(yán)重阻礙城市的可持續(xù)發(fā)展，它會(huì)對人們正常的生產(chǎn)生活造成影響，并破壞自然環(huán)境。在不同的時(shí)期，哈爾濱市發(fā)生了不同程度的地面沉降現(xiàn)象，這主要是因?yàn)殚_采地下水和哈爾濱市城市建設(shè)的發(fā)展造成的。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR)不僅能對現(xiàn)在和未來任意時(shí)刻的地面變形進(jìn)行監(jiān)測，而且還能利用衛(wèi)星存檔數(shù)據(jù)對歷史地面沉降特征進(jìn)行監(jiān)測，相比之下，歷史監(jiān)測無法由布設(shè)傳統(tǒng)GPS監(jiān)測網(wǎng)及傳統(tǒng)水準(zhǔn)網(wǎng)的方式獲得。文中實(shí)現(xiàn)利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)調(diào)查哈爾濱市歷史及現(xiàn)今的地面沉降情況，為預(yù)測城市形變?yōu)暮μ峁┛煽吭攲?shí)的觀測數(shù)據(jù)，從而為城市地面沉降變形的預(yù)防提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 差分雷達(dá)干涉測量技術(shù)原理

常規(guī)差分測量技術(shù)，首先通過對兩景SAR影像進(jìn)行干涉處理得到干涉相位，所利用的一對影像是跨越形變期的，得到的干涉相位中包含形變信息，由于反演干涉相位不僅包含形變信息，還有參考面相位、地形相位、大氣效應(yīng)和其它噪聲等，最后進(jìn)行二次差分處理。本文數(shù)據(jù)處理是利用已知DEM反演的干涉相位及干涉處理獲得的相位，通過最后一步的處理就能將地形相位從干涉相位中除去，這樣處理后得到的相位就只表征地表形變信息，進(jìn)而可以對地表形變量進(jìn)行計(jì)算。圖1為兩軌法差分干涉測量的具體處理步驟。首先選取主影像和從影像，并配準(zhǔn)到主影像空間，然后將上述配準(zhǔn)的SAR影像進(jìn)行干涉處理，從而得到相干系數(shù)(標(biāo)志影像相關(guān)性程度的參數(shù))和干涉相位，再對干涉相位進(jìn)行去平地效應(yīng)處理，并將其中的參考面相位去除，得到的相位中就會(huì)包含形變、地形信息。最后進(jìn)行解纏，解纏需要借助于相干系數(shù)對去平地效應(yīng)后的相位。上述整個(gè)處理過程是探測形變的差分干涉測量的核心步驟，也是SAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程。

圖1 兩軌法差分干涉處理流程

2 差分雷達(dá)干涉測量結(jié)果

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)研究區(qū)的地理位置，對20世紀(jì)90年代以來歐空局存檔的Envisat衛(wèi)星和ERS衛(wèi)星雷達(dá)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，總共定購20景覆蓋該地區(qū)的雷達(dá)存檔數(shù)據(jù)，分別是15景Envisat衛(wèi)星影像和5景ERS衛(wèi)星雷達(dá)影像。

2.2 常規(guī)差分干涉測量結(jié)果

通過組合SAR數(shù)據(jù)干涉方案，并對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在每一個(gè)監(jiān)測方案中都對不同的關(guān)鍵算法進(jìn)行試驗(yàn)。通過反復(fù)處理及比較各個(gè)方案后得出哈爾濱市20世紀(jì)90年代和2000年以后兩時(shí)間段的等值線圖及年形變速率，如圖2～3所示。通過差分干涉處理，從結(jié)果中可以看出，沉降及隆起兩種變形現(xiàn)象同時(shí)存在于哈爾濱市地面變形中。在1996年，哈爾濱市地面沉降量最大達(dá)到1.5 cm/a，結(jié)果顯示地面存在較嚴(yán)重的變形。但是在1997年及1988年兩年中，沉降速率最大值小于1.0 cm/a。香坊區(qū)南部、南崗區(qū)及道里區(qū)在1996～1998年間存在大面積的地面沉降形變，地面抬升的趨勢則存在于香坊區(qū)北部和道外區(qū)部分地區(qū)。形變速率在2004～2007年間基本穩(wěn)定，形變速率平均值為0.6 cm/a。地面沉降變形的趨勢出現(xiàn)在道外區(qū)，此地區(qū)原來是處于地面抬升的趨勢，南崗區(qū)中部及道里區(qū)中部則存在地面抬升趨勢。

圖2 1996～1997年形變等值線圖

圖3 2006～2007年形變等值線圖

3 干涉疊加技術(shù)結(jié)果

在利用常規(guī)D-InSAR技術(shù)進(jìn)行長時(shí)間的地表微小形變監(jiān)測中，存在的時(shí)間和幾何去相干以及大氣的干擾等因素大大限制其應(yīng)用，監(jiān)測精度一般為厘米量級(jí)。針對這一缺陷，根據(jù)城區(qū)SAR圖像表現(xiàn)的特點(diǎn)，即在長時(shí)間范圍內(nèi)仍然存在相位和幅度變化穩(wěn)定的點(diǎn)，利用這些穩(wěn)定點(diǎn)上的相位特征，可以很好地解決時(shí)間去相干問題，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間尺度上地表形變分析。其解決方法就是利用時(shí)間序列SAR圖像，分析多時(shí)相SAR相位，挖掘時(shí)間序列SAR圖像可以識(shí)別區(qū)域范圍內(nèi)，一定時(shí)間內(nèi)地表位移表現(xiàn)在信號(hào)相關(guān)和一致性，獲取地表毫米級(jí)的形變信息，主要包括兩個(gè)應(yīng)用方向：永久散射體(Persistent Scatters，PS)點(diǎn)目標(biāo)特征和短基線(Small Baselines，SBAS)分布式特征。

3.1 PS-InSAR技術(shù)

PS技術(shù)的特點(diǎn)是利用密集分布的散射體消除大部分電磁波信號(hào)傳播延遲(對流層變化引起)的優(yōu)勢。PS技術(shù)可以推斷在時(shí)間段上的變形速度，包括獨(dú)立的、無空間相關(guān)的位移，主要適合用于人為因素引起的位移現(xiàn)象(如城市區(qū)域等)。本文利用對研究區(qū)域550像素×550像素SAR影像，共識(shí)別出6242個(gè)PS目標(biāo)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)得出研究區(qū)的PS密度為52個(gè)/km2。利用PS-InSAR對空間相鄰PS點(diǎn)進(jìn)行處理，需要建立相鄰PS點(diǎn)的關(guān)系模型，采用Delaunay構(gòu)網(wǎng)方法建立三角網(wǎng)。同時(shí)為防止大氣誤差的傳遞，提高基線觀測值的穩(wěn)定性，對距離進(jìn)行限制，從中去除基線距離大于1 km的PS點(diǎn)。

圖4和圖5顯示出PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果。

圖4 PS點(diǎn)變形速率圖

圖5 插值后研究區(qū)變形速率圖

3.2 短基線集干涉(SBAS)處理

短基線起源于2002年，連接由長基線造成的相互獨(dú)立的SAR影像，形成短基線SAR影像集合，以增加數(shù)據(jù)獲取的采樣率，從而可在已有的SAR影像數(shù)據(jù)集中形成若干小集合，每個(gè)小集合內(nèi)SAR影像間的基線較小，集合間SAR影像的基線較大。本文對哈爾濱地區(qū)SAR數(shù)據(jù)的處理采用了SBAS技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要是為保證D-InSAR監(jiān)測結(jié)果的精度和可靠性，以及考慮到常規(guī)D-InSAR存在失相干和大氣效應(yīng)影響的情況。短基線干涉處理試驗(yàn)選2004～2006年時(shí)間段進(jìn)行。圖6所示為試驗(yàn)所采用的短基線組合。圖7和圖8所示為該時(shí)間段累計(jì)形變時(shí)間序列圖。

圖6 2004～2006年短基線干涉處理試驗(yàn)組合

圖7 04/06/03至05/07/28相隔420 d形變圖

圖8 04/06/03至06/01/19相隔595 d形變圖

4 InSAR監(jiān)測精度與可靠性分析

在常規(guī)差分干涉測量中，因?yàn)榇髿獠坏妊訒r(shí)、幾何去相干及時(shí)間等因素的影響，城市地面在利用此技術(shù)進(jìn)行微小形變監(jiān)測時(shí)會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)不確定性。永久散射體干涉測量方法及長時(shí)間序列的短基線方法具有常規(guī)方法不具有的優(yōu)勢，它們可以消除大氣的影響,使DEM精度通過運(yùn)算得到提高,解決常規(guī)方法中相干條件的限制問題以及使現(xiàn)有SAR數(shù)據(jù)得到最大限度的利用，盡管如此，最后進(jìn)行一些驗(yàn)證也是必要的，本文是通過地下水位升降監(jiān)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。

對哈爾濱1996～1998年和2004～2007年兩個(gè)時(shí)間段的地表形變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，累計(jì)發(fā)生形變區(qū)域面積見表1所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在1996～1998年和2004～2007年間，哈爾濱地區(qū)發(fā)生沉降形變的面積分別達(dá)到97.3 km2和52.9 km2，造成這種現(xiàn)象的主要原因是對哈市地區(qū)地下水的限采。通過對比1996～1998年和2004～2007年兩個(gè)時(shí)間段哈爾濱地區(qū)地面沉降面積可以看出，后時(shí)間段發(fā)生的沉降面積要比前時(shí)間段小得多，這主要是因?yàn)楣枮I市對城區(qū)地下水的開采量在1993年以后進(jìn)行了逐步的控制，在此情況下的超采狀態(tài)仍然比較嚴(yán)重。對比結(jié)果同時(shí)顯示，地面隆起的面積及范圍也因?yàn)閷Τ菂^(qū)地下水開采量的控制而逐漸擴(kuò)大。圖9為2004～2005年的水位沉降等值線圖，其是根據(jù)41個(gè)地下水位監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的。2004～2005年InSAR監(jiān)測結(jié)果繪制的等值線圖如圖10所示。從圖中可以看出，等值線值在菅草嶺處較低，與2006年哈爾濱市地下水情通報(bào)的地下水漏斗中心位置一致。

表1 兩時(shí)間段累計(jì)形變發(fā)生面積統(tǒng)計(jì)

圖9 2004～2005年地下水位升降等值線

圖10 2004～2005年InSAR監(jiān)測形變等值線

5 結(jié) 論

本文利用D-InSAR、PS-InSAR和SBAS方法，首次全面系統(tǒng)地研究了哈爾濱市的地面沉降，得到年沉降量為毫米的地面沉降信息和近十幾年的地面形變時(shí)空特征，并對雷達(dá)干涉測量監(jiān)測的結(jié)果與地下水位升降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。驗(yàn)證結(jié)果表明，在形變區(qū)域得到較高的一致性，InSAR監(jiān)測結(jié)果可靠。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Application of differential SAR interferometry to the land subsidence in urban area

HOU Jian-guo1,CHU Yu2

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China;2.Heilongjiang Institute of Geological Survey,Harbin 150036,China)

Synthetic Aperture Radar Interferometric technique (InSAR) is an information technology to extract the three-dimensional spatial information of ground targets on the basis of the phase data of a radar image.Currently,many departments and research institutions at home and abroad are actively engaged in the research of mechanism of InSAR and its applications,which have made many achievements.InSAR is a new promisin g research domain.With the development of Harbin city and the exploitation of groundwater in different periods, many of the subsidence phenomenon have been created in this area.InSAR is applied to the survey of the past and present ground subsidence in Harbin city,in order to provide a better guidance for subsidence prevention.

SAR；interferometry；land subsidence；underground water; verify the accuracy

2014-01-02

黑龍江工程學(xué)院博士基金資助項(xiàng)目(2012)

侯建國(1968-)，男，教授，博士.

P227

：A

：1006-7949(2014)08-0040-05