曹強(qiáng) 侯岳 馬海濤

摘 要：本文采用D-InSAR技術(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)收集的3期哨兵-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取地表沉降區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果與采礦區(qū)分布位置相吻合，表明哨兵-1A數(shù)據(jù)在大范圍地表沉降監(jiān)測(cè)中是切實(shí)可行的，能使工作人員全面、及時(shí)、快速掌握大范圍地表形變狀況，有效降低監(jiān)測(cè)成本。

關(guān)鍵詞：D-InSAR；哨兵-1A；地表沉降監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P642.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0125-02

Research on Surface Subsidence Monitoring ofD-InSAR

Based by Sentinel -1A Data

CAO Qiang1 HOUYue2 MA Haitao3

Abstract：In this paper， the D-InSAR technology was used to process the 3 phase sentinel -1A data collected in the experimental area， and the surface subsidence area was obtained. The results of the experiment coincided with the distribution of the mining area， which showed that the sentinel -1A data was feasible in the large-scale surface subsidence monitoring. It could make the staff fully， promptly and quickly grasp the large scale surface deformation condition and effectively reduce the monitoring cost.

Keywords：D-InSAR；Sentinel-1A；surface subsidence monitoring

1 研究背景

哨兵1號(hào)衛(wèi)星是歐洲太空局哥白尼計(jì)劃（GMES）中的地球觀測(cè)衛(wèi)星，于2014年4月3日發(fā)射升空，搭載有C波段合成孔徑雷達(dá)，能為區(qū)域性地表形變監(jiān)測(cè)免費(fèi)提供5m×20m干涉寬幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）數(shù)據(jù)。利用D-InSAR技術(shù)獲取地表沉降監(jiān)測(cè)的研究己較為成熟，可靠性也得到論證。例如，吳立新[1]等人利用5期SAR數(shù)據(jù)獲取礦區(qū)形變結(jié)果；董玉森[2]等人利用二軌法對(duì)礦區(qū)地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了沉降區(qū)分布范圍與最大沉降量；馬海濤[3]等人利用二軌法和三軌法對(duì)鐵礦區(qū)地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。哨兵-1A SAR數(shù)據(jù)時(shí)間周期短和實(shí)效性好，在大范圍區(qū)域性地表形變監(jiān)測(cè)方面優(yōu)勢(shì)突出。但是，當(dāng)前利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)的研究較少。本文旨在對(duì)哨兵-1A數(shù)據(jù)在大范圍地表監(jiān)測(cè)方面做一些探討，為廣域地表形變監(jiān)測(cè)拓展新思路。

2 D-InSAR監(jiān)測(cè)地表沉降原理

InSAR技術(shù)是通過(guò)兩期或多期相干性強(qiáng)的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉，得到高精度的地表微小形變引起的地表形變相位。通常情況下，干涉相位包含大氣延遲相位、噪聲相位、地形相位、平地相位及地表形變相位5部分[4]，計(jì)算公式為：

[?ini=?topo+?def+?flat+?atmo+?noise] （1）

其中，[?topo]為地形起伏引起的地形相位；[?def]表示地表形變引起相位；[?flat]為平地場(chǎng)相位；[?atmo]表示大氣延遲相位；[?noise]為噪聲相位。

根據(jù)是否有公共參考影像和DEM，可將D-InSAR技術(shù)分為二軌法、三軌法[5-6]及四軌法。

3 基于D-InSAR技術(shù)的地表沉降監(jiān)測(cè)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本文選擇鶴壁市采礦區(qū)作為地表沉降監(jiān)測(cè)的對(duì)象，地理坐標(biāo)為113°59′E至114°45′E，35°26′N至36°02′N。采礦區(qū)集中于鶴山區(qū)和山城區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域人工建筑較多，硬化地表面積大，后向散射特性穩(wěn)定，具有高相干性，利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)大范圍的地表沉降是切實(shí)可行的。

3.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文選擇空間基線和時(shí)間基線都較小、具有高相干性的20151214期（1期）、20160107期（2期）、20160307（3期）期哨兵-1ASAR數(shù)據(jù)作為礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源，進(jìn)而獲取1-2、2-3時(shí)間段內(nèi)礦區(qū)地表形變狀況。因SAR原始數(shù)據(jù)幅寬為250km×250km，需要根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的地理坐標(biāo)進(jìn)行影像裁剪，便于配準(zhǔn)及差分干涉處理等工作。數(shù)字高程模型為30m的SRTM數(shù)據(jù)，范圍必須覆蓋裁剪后SAR影像。圖1和圖2分別為試驗(yàn)區(qū)SAR強(qiáng)度圖、試驗(yàn)區(qū)DEM。

3.3 D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表形變

對(duì)預(yù)處理的1-2、2-3兩組SAR像對(duì)進(jìn)行基線估算，確保滿足干涉條件，并獲取軌道偏移參數(shù)及其他有關(guān)的參數(shù)。本文空間基線、時(shí)間基線及多普勒質(zhì)心頻率遠(yuǎn)小于臨界基線值，具有良好的相干性，完全滿足要求。

將兩組SAR像對(duì)進(jìn)行共軛相乘，即得到原始干涉圖。在此基礎(chǔ)上，利用DEM數(shù)據(jù)去除地形相位、通過(guò)濾波抑制噪聲相位，得到兩組相位圖和相干系數(shù)圖，并利用最小費(fèi)用流法[7]（Minimum Cost Flow，MCF），相干性閾值為0.4，分解等級(jí)為1，獲取解纏后的地表形變真實(shí)相位，其中1-2像對(duì)的干涉及解纏結(jié)果如圖3所示。

在地表未發(fā)生形變的平地區(qū)域，選擇高相干性的GCP點(diǎn)，選擇二次式[y=k0+k1xrange+k2xazimuth]，求取軌道參數(shù)改正數(shù)，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型將真實(shí)地表形變相位轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系下的地表沉降量，具體見(jiàn)圖4和圖5。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖4中的方框?yàn)榈乇沓两导袇^(qū)域，這與鶴壁市礦區(qū)實(shí)際位置相一致。通過(guò)比較兩期形變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)位置分布趨于一致，范圍有較明顯的擴(kuò)張趨勢(shì)。兩期形變結(jié)果最大沉降量均大于2.5cm，2-3期最大沉降量達(dá)5.5cm。

利用ArcGIS空間分析工具獲取圖沉降區(qū)的剖面線，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)剖面呈漏斗狀，沉降量均超過(guò)2cm。由于選取剖面位置的不同，所獲剖面線并不能準(zhǔn)確衡量漏斗中心的沉降量。

4 結(jié)語(yǔ)

利用D-InSAR技術(shù)對(duì)3期哨兵-1A SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取鶴壁市礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)狀況，有助于從宏觀方面掌握沉降分布的空位與位置，為監(jiān)管因礦區(qū)開(kāi)采造成的地表變形提供有效手段。為有效掌握采礦區(qū)范圍微小形變及采礦沉降規(guī)律，常規(guī)D-InSAR技術(shù)難以滿足需求，后續(xù)將利用時(shí)序InSAR技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳立新，高均海，葛大慶，等.工礦區(qū)地表沉陷D-InSAR監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（8）：778-782.

[2]董玉森，Linlin G. E.，Hsingchun Chang，等.基于差分雷達(dá)干涉測(cè)量的礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2007（10）：888-891.

[3]馬海濤，李輝，劉勇峰，等.D-InSAR技術(shù)在礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2011（2）：95-98.

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