垢元培

河北地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 河北 唐山 063000

技術(shù)應(yīng)用

InSAR在大范圍區(qū)域性地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

垢元培

河北地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 河北 唐山 063000

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）是利用對同一地區(qū)觀測的兩幅SAR復(fù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，通過相位信息獲取地面沉降信息的技術(shù)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，InSAR測量技術(shù)對于緩慢地面沉降監(jiān)測具有范圍覆蓋廣、周期短、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)勢，區(qū)域性的總體監(jiān)測精度一般與常規(guī)技術(shù)相當(dāng)，可有效的應(yīng)用于大范圍區(qū)域性地面沉降監(jiān)測項(xiàng)目。

InSAR 地面沉降 優(yōu)勢 解譯方法 精度

一、InSAR測量基本原理

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）是利用對同一地區(qū)觀測的兩幅SAR復(fù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，通過相位信息獲取地面沉降信息的技術(shù)。

InSAR根據(jù)成像的時(shí)間可分為單次軌道和重復(fù)軌道兩種模式。目前，常說的InSAR地面沉降監(jiān)測通常為星載SAR重復(fù)軌道模式。而重復(fù)軌道干涉是指同一傳感器或相似傳感器按照平行軌道兩次對地成像，分別發(fā)、收信號，利用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理。

二、InSAR沉降測量的本質(zhì)及優(yōu)勢

InSAR沉降測量的本質(zhì)是相位干涉測量，差分干涉相位對變形的敏感度可以達(dá)到亞毫米級。

從時(shí)間上而言，InSAR測量結(jié)果是一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)沿雷達(dá)視線方向的變形量，從空間上而言，是相對于參考位置或者穩(wěn)定點(diǎn)的相對變形量。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段中利用不同時(shí)期單點(diǎn)測量值的較差來反映變形量的模式相比較而言，差分InSAR技術(shù)中的測量結(jié)果為同步測量，不存在由施測周期引起的一致性不同的存在。這種情況下，對于大范圍測量而言，InSAR測量更具真實(shí)性，變形量更接近實(shí)際變形值。

從觀測對象上而言，InSAR測量所獲取的是相干目標(biāo)的形變量或形變速率，而傳統(tǒng)地面沉降測量（多數(shù)情況下以水準(zhǔn)測量為主）得到的是地面某個(gè)特定點(diǎn)的沉降變化量。點(diǎn)位密度上，傳統(tǒng)地面沉降測量可以認(rèn)為加密，而InSAR測量則取決于目標(biāo)的密度。兩者在空間位置上并非完全一致，但從統(tǒng)計(jì)意義上又都是一定范圍內(nèi)地表變形的概括，傳統(tǒng)地面測量在地面沉降中則是利用一定密度的點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì)在概括表達(dá)區(qū)域特點(diǎn)，而InSAR觀測的點(diǎn)位密度與自然地物的密度相關(guān)，直接測量結(jié)果為地物變形。

與可見光遙感相比較，InSAR實(shí)現(xiàn)了遙感技術(shù)對地表變化的幾何測量，能夠定量化地研究自然環(huán)境的活動變化狀況，是傳統(tǒng)遙感技術(shù)和測量手段的有益補(bǔ)充。

三、InSAR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

利用星載雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的相位信息，基于空間相干性估計(jì)和二維相位解纏等技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）可用于大區(qū)域地形測圖和高精度的緩慢地表形變觀測。

上世紀(jì)90年代初，InSAR技術(shù)已開始在全球及區(qū)域性地形測圖、大尺度地表形變監(jiān)測中得到廣泛的研究和應(yīng)用。促使InSAR技術(shù)迅速發(fā)展的原因可歸結(jié)為兩個(gè)方面，一是區(qū)域性地表形變?yōu)暮ΡO(jiān)測與預(yù)報(bào)的需要；二是連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)源。

近幾年來，ESA-GMES啟動的SLAM和Terrafirma計(jì)劃，以及PSIC4（等研究項(xiàng)目，旨在利用InSAR技術(shù)開展全歐洲地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測，促進(jìn)InSAR技術(shù)在災(zāi)害性地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用。通過這些計(jì)劃的開展，已查明了全歐洲各主要城市的地面沉降、重點(diǎn)地震帶地殼形變速率、礦山地面塌陷以及滑坡活動和火山活動等情況，將InSAR技術(shù)工程化應(yīng)用向前推進(jìn)了很大一步。同時(shí)，意大利借助ERS-1/2的從1992年至2000年獲取的存檔數(shù)據(jù)以及ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展了全國全覆蓋的地表形變遙感調(diào)查工作，目前已建立了覆蓋全國的地表形變InSAR調(diào)查數(shù)據(jù)庫，為開展全國范圍內(nèi)地表形變調(diào)查工作起到了很好的先導(dǎo)作用。

2005年，Casu等利用小基線集（SBAS-InSAR）方法測量意大利Naples灣和美國Los Angles的地面形變，并與水準(zhǔn)測量及GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

InSAR在地面沉降監(jiān)測中的重要事件還包括：

（1）GMES與Terrafirma計(jì)劃

GMES（Global Monitoring of Environment and Security）是一項(xiàng)由歐空局（ESA）支持的旨在開展全球環(huán)境安全監(jiān)測的長期計(jì)劃。在其領(lǐng)導(dǎo)下開展了以服務(wù)全歐洲地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的任務(wù)，即Terrafirma（One of ten services being supported by ESA's GMES programme）計(jì)劃，通過聯(lián)合歐盟各個(gè)成員國的地質(zhì)調(diào)查局和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，開展基于InSAR調(diào)查與監(jiān)測的歐洲地表活動災(zāi)害信息獲取與服務(wù)，最終目標(biāo)實(shí)現(xiàn)識別地質(zhì)災(zāi)害隱患、促進(jìn)地質(zhì)安全保障、降低危害程度。

（2）意大利全國地表形變InSAR調(diào)查與監(jiān)測

該項(xiàng)計(jì)劃是在意大利政府支持下，集合意大利國內(nèi)從事InSAR技術(shù)研究的多家研究機(jī)構(gòu)組成項(xiàng)目組，開展覆蓋意大利全境的地表形變InSAR調(diào)查與監(jiān)測。與Terrafirma的相同點(diǎn)在于該計(jì)劃都旨在開展地面沉降、滑坡和其他類型形變InSAR調(diào)查，主要利用歐空局ERS和ENVISAT系列衛(wèi)星和加拿大RADASAT衛(wèi)星中等分辨率數(shù)據(jù)。不同之處在于該計(jì)劃不僅面向主要城市地面沉降監(jiān)測，而且實(shí)現(xiàn)了覆蓋國家級層面的地表形變?nèi)采w監(jiān)測，建立世界上首個(gè)基于InSAR調(diào)查成果的全國地表形變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

四、InSAR常用解譯方法的分析

常用的InSAR影像解譯技術(shù)包括：差分干涉方法（D-InSAR）、永久散射體方法（PS-InSAR）、人工角反射器方法（CR-InSAR）和小基線集方法（SBASInSAR）等。不同的解譯技術(shù)適用的條件不同，即不同的區(qū)域選擇不同的解譯方法會使解譯精度更高。

（1）差分干涉方法（D-InSAR）可用于高精度的緩慢地表形變觀測。該方法的機(jī)理是基于空間相干性估計(jì)和二維相位解纏等技術(shù)，利用雷達(dá)波相位差進(jìn)行大范圍地表形變觀測。

差分干涉方法（D-InSAR）測量的結(jié)果為兩次獲取數(shù)據(jù)時(shí)段內(nèi)的相對變形量，受制于相干性和大氣、軌道等其他因素的影響，其實(shí)際監(jiān)測精度為在大范圍（100km×100km）上的精度為1cm，在局部形變場的監(jiān)測中精度優(yōu)于5～10mm。

（2）永久散射體技術(shù)（PS-InSAR）通常分布于市區(qū)等人工建筑較多的地方或無植被覆蓋的山峰、山脊等有裸露巨石的地方。可有效的解決D-InSAR中時(shí)空去相關(guān)和大氣效應(yīng)等瓶頸問題，以提高地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

永久散射體方法（PS-InSAR）監(jiān)測精度測量結(jié)果精度的因素包括：SAR影像個(gè)數(shù)、PS點(diǎn)與參考點(diǎn)間的距離、PS點(diǎn)的變形特征與線性模型的逼近程度、相位解纏的可靠性和大氣影響的大小、軌道誤差的控制程度等。在數(shù)據(jù)量大于25～30景的條件下獲取的沉降速率的精度為0.1～0.5mm/年，在距參考點(diǎn)距離小于4～5km范圍內(nèi)PS形變速率的觀測精度可達(dá)到0.1mm/年，而單次獲取的形變量的精度優(yōu)于1～3mm。與地面沉降監(jiān)測精密水準(zhǔn)測量的精度指標(biāo)比較發(fā)現(xiàn)，2km范圍內(nèi)觀測精度為1mm與二等水準(zhǔn)測量相當(dāng)。

在實(shí)際應(yīng)用過程中受制于數(shù)據(jù)獲取條件、數(shù)據(jù)處理方法、處理算法差異以及技術(shù)人員專業(yè)水平的影響，監(jiān)測結(jié)果目前尚難以完全達(dá)到上述理論精度。通過歐空局GMES計(jì)劃下在Terrafirma工作中組織開展了PSIC4（Persistent Scatterers Interferometry Independent Validation and Intercomparison of Results）項(xiàng)目，研究表明，InSAR時(shí)序分析處理方法在數(shù)據(jù)量達(dá)到20景左右時(shí)可達(dá)到1～3mm的監(jiān)測精度。

（3）人工角反射器方法（CR-InSAR）人工角反射器大部分采用金屬材料制成并且與雷達(dá)波的入射方向保持最佳的夾角，通常反射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于周圍物體的反射強(qiáng)度，可以看作是一個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)的人造永久散射體。

人工角反射器方法（CR-InSAR）有效的解決了永久散射體方法（PS-InSAR）對建筑物稀少或植被繁密地區(qū)地面沉降監(jiān)測的限制。監(jiān)測過程中，人工角反射器在SAR影像上的幅度和相位都很穩(wěn)定，可以用于監(jiān)測微小和緩慢的地表形變。同時(shí)，人工角反射器點(diǎn)位也可以看做成PS點(diǎn)的加密，可以有效的解決時(shí)間基線較長和空間基線較大的問題。其精度在永久散射體方法（PS-InSAR）的基本上進(jìn)行了進(jìn)一步的加強(qiáng)，可以精確的測量某一地區(qū)、某一時(shí)段內(nèi)毫米級的位移。

（4）小基線集方法（SBAS-InSAR）

小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）是2001年由Berandino和Lanari等人提出的，其理論是由一定數(shù)量的SAR影像數(shù)據(jù)構(gòu)成集合，通過將多幅影像公用一幅主影像進(jìn)行配準(zhǔn)，通過選擇較短的基線距離，尤其是垂直基線，一般設(shè)置200米以內(nèi)，通過“奇異值分解”（SVD），獲得較低空間失相干，具有較高空間分辨率的干涉像對。并且，通過這種方法獲得干涉像對，通過最小二乘法則，將由很多滿足條件的干涉像對，得到時(shí)間序列。并且由時(shí)間序列，生成所選區(qū)域的垂直形變圖。該方法不需要大量SAR影像，也不需要很高的費(fèi)用，是一種非常有效的InSAR處理方法，并且在長時(shí)間序列監(jiān)測地面沉降的應(yīng)用中，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）擴(kuò)展了Ferreiti（2001）介紹的永久散射體技術(shù)（PS-InSAR），即將若干個(gè)小基線數(shù)據(jù)集，經(jīng)過簡單和有效的合并得到所有可用的小基線干涉圖。小基線集技術(shù)（SBASInSAR）創(chuàng)新與永久散射體技術(shù)（PS-InSAR）主要在以下兩個(gè)方面：（1）利用不同小基線子集的影像加大了時(shí)間采樣率；（2）加強(qiáng)了提取空間分布密集形變圖的能力。隨著永久散射體技術(shù)（PS-InSAR）的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)（目標(biāo)的）空間和時(shí)間形變序列時(shí)，會進(jìn)行大氣相位初濾波的過程，在小基線集技術(shù)中，這樣的過程亦可以減少圖像像元中較高的空間密度。小基線集方法（SBAS-InSAR）限制了長基線導(dǎo)致的幾何失相干，同時(shí)在進(jìn)行小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）處理SAR影像數(shù)據(jù)時(shí)，可以利用盡可能多的SAR影像數(shù)據(jù)參與到數(shù)據(jù)處理中，最終獲得形變圖，這樣就能夠增加時(shí)間上的采樣率?？梢姴庞眯』€集技術(shù)（SBAS-InSAR）得到的數(shù)據(jù)精度要優(yōu)于永久散射體技術(shù)（PS-InSAR）。

五、總結(jié)

InSAR測量技術(shù)對于緩慢地面沉降監(jiān)測具有范圍覆蓋廣、周期短、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)勢，區(qū)域性的總體監(jiān)測精度一般與常規(guī)技術(shù)相當(dāng)，監(jiān)測精度可達(dá)到毫米級，可以用于有效地監(jiān)測區(qū)域性地面沉降的發(fā)展趨勢?？捎行У膽?yīng)用于大范圍區(qū)域性地面沉降監(jiān)測項(xiàng)目。

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