葛 琳

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟(jì)南 250014)

InSAR(合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量)技術(shù)是年幾十年來快速發(fā)展起來的新型測(cè)繪技術(shù)，它借助波束干涉原理實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)，使用兩幅或以上的SAR影像形成的干涉影像，經(jīng)過差分干涉處理等步驟獲得某一像元的形變，其精度可達(dá)毫米級(jí)。PS-InSAR(永久性散射體雷達(dá)干涉測(cè)量法)技術(shù)是利用InSAR技術(shù)生成SAR影像的干涉圖集，采用相干系數(shù)法、振幅離差法、相位分析法等PS點(diǎn)目標(biāo)選取，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、相干性好的PS點(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)選定的PS點(diǎn)進(jìn)行相位解纏，可獲得不同因素對(duì)地表沉降量的貢獻(xiàn)度，即可生成每個(gè)像元點(diǎn)的形變量。

1 PS-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

大范圍地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)是預(yù)防及治理城市地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害等的手段之一，主要借助于水準(zhǔn)測(cè)量和衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)測(cè)量。其中，水準(zhǔn)測(cè)量具有觀測(cè)周期長(zhǎng)、效率低、耗費(fèi)資源大等缺點(diǎn)；衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)測(cè)量雖然彌補(bǔ)了水準(zhǔn)測(cè)量的缺點(diǎn)，但僅局限于某一點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，無法滿足實(shí)際工作中對(duì)區(qū)域性地表沉降信息的需求。傳統(tǒng)形變測(cè)量如水準(zhǔn)儀測(cè)量、全站儀測(cè)量、測(cè)斜儀測(cè)量、應(yīng)變計(jì)測(cè)量、分層沉降測(cè)量等等，多是點(diǎn)測(cè)量方式，空間密度嚴(yán)重不足，很難覆蓋大區(qū)域范圍，而且成本較高。對(duì)于大范圍監(jiān)測(cè)而言，傳統(tǒng)測(cè)量方式是異步的，即所有的觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值不是同一時(shí)間獲取的，即測(cè)量結(jié)果不同步。這種由點(diǎn)到面、不連續(xù)的監(jiān)測(cè)模式存在以偏概全，有片面性的缺點(diǎn)，導(dǎo)致獲取的地面沉降等信息可靠性極差。與常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，PS-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

(1)PS-InSAR技術(shù)具有面上監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以獨(dú)立點(diǎn)測(cè)量為主，進(jìn)而獲得面上的測(cè)量數(shù)據(jù)；而PS-InSAR技術(shù)則是地面上隨機(jī)分布的若干個(gè)相干像元，觀測(cè)相位是一定分辨單元內(nèi)所有目標(biāo)散射相位的相干疊加。在相干性良好的情況下，可以獲得密度較高的相干像元，進(jìn)而獲得連續(xù)的觀測(cè)面因此，對(duì)于觀測(cè)大范圍形變等目的是十分有效的。從觀測(cè)的同步性上分析，傳統(tǒng)方式是異步的，是在不同的時(shí)間點(diǎn)上觀測(cè)完一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而求解不同時(shí)間間隔下的相對(duì)變化。PS-InSAR技術(shù)主要在同步條件下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)任務(wù)，即能夠在相同的時(shí)間內(nèi)獲得大范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，所獲實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)具有同步同時(shí)的特征。綜上所述，PS-InSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由“片段式”監(jiān)測(cè)到“全覆蓋”監(jiān)測(cè)的目的。

(2)監(jiān)測(cè)范圍增加。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)以獨(dú)立的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為主，所覆蓋的監(jiān)測(cè)范圍較小，而PS-InSAR技術(shù)有效的彌補(bǔ)了這一短板，實(shí)現(xiàn)了較大范圍內(nèi)高密度點(diǎn)位采樣監(jiān)測(cè)的目的，解決了大范圍監(jiān)測(cè)難度大的問題。

(3)實(shí)現(xiàn)了定量定性監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，PS-InSAR技術(shù)不僅可以獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域的高精度形變圖，而且該類形變圖具有定量的特征。如使用PS-InSAR技術(shù)處理監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以獲得任何一個(gè)相干目標(biāo)的形變速率、累計(jì)形變量、時(shí)間序列變化等，即任何一個(gè)相干點(diǎn)就是一張形變圖譜。

(4)能夠獲得更加精細(xì)的監(jiān)測(cè)成果。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)以單點(diǎn)為主，導(dǎo)致在監(jiān)測(cè)采樣密度和時(shí)間上無法獲得更高的精細(xì)度，但是PS-InSAR技術(shù)有效的避免了這一缺陷，能夠獲得高精細(xì)度的相干點(diǎn)分布圖，且分辨率越高，其精細(xì)度越高。

(5)測(cè)量精度高。PS-InSAR技術(shù)所能達(dá)到的理論精度，精度是優(yōu)于3 mm的。國內(nèi)和國外的科研項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)實(shí)例證實(shí)PS-InSAR技術(shù)在測(cè)量精度上是沒有問題的，完全可以滿足大范圍的區(qū)域監(jiān)測(cè)。

(6)低成本、高效益。城市地表形變監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而緩慢的過程，即耗時(shí)長(zhǎng)，InSAR技術(shù)只需在特定的監(jiān)測(cè)區(qū)域安放監(jiān)測(cè)設(shè)備就可以獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)輸出形變等圖件，減少了人力、物力資源的浪費(fèi)。

2 PS-InSAR技術(shù)在城市地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 影像配準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)區(qū)域的影像配準(zhǔn)是分析地表形變量的基礎(chǔ)，將獲得的覆蓋同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的主影像(參考影像)和從影像(待配準(zhǔn)影像)進(jìn)行配準(zhǔn)，即通過主影像和從影像的配準(zhǔn)就可以獲得不同像元的位移量，再依據(jù)所獲不同像元的位移量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和重新采集樣點(diǎn)(圖1)，然后在兩幅影像中選取少量的特征點(diǎn)用于匹配影像間的同名像素，并采用匹配算法搜索出均勻分布在覆蓋區(qū)域內(nèi)的足夠多的同名像素，即可以完成影像的配準(zhǔn)工作。

2.2 SAR數(shù)據(jù)差分處理

PS-InSAR技術(shù)的SAR數(shù)據(jù)差分處理技術(shù)與D-InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法一致，即對(duì)初步處理好的SAR影像進(jìn)行實(shí)踐序列的干涉處理，獲得以時(shí)間序列為基礎(chǔ)的干涉圖集，再結(jié)合DEM數(shù)據(jù)將地形信息從生成的干涉圖集中剔除，就可以獲得除去地形和平地效應(yīng)的差分干涉圖序列。

2.3 PS點(diǎn)選取

在使用該技術(shù)時(shí)，PS點(diǎn)的選取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即在SAR數(shù)據(jù)差分處理成果的基礎(chǔ)上，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、相干性好的PS點(diǎn)目標(biāo)。PS-InSAR技術(shù)與D-InSAR技術(shù)相比，該技術(shù)采用相干系數(shù)法、振幅離差法、相位分析法等PS點(diǎn)目標(biāo)選取，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、相干性好的PS點(diǎn)，進(jìn)而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)選定的PS點(diǎn)進(jìn)行相位解纏，可獲得不同因素對(duì)地表沉降量的貢獻(xiàn)度，即可生成每個(gè)像元點(diǎn)的形變量。

2.4 相位解纏

PS-InSAR技術(shù)的相位解纏方式與傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)的相位解纏方法不同，傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)主要針對(duì)整個(gè)干涉圖進(jìn)行連續(xù)相位解纏，而PS-InSAR技術(shù)是基于PS點(diǎn)所建立的矩陣格網(wǎng)進(jìn)行相位解纏，其對(duì)象主要是位于矩陣上稀疏分布的相互獨(dú)立的PS點(diǎn)目標(biāo)，因此，在進(jìn)行PS-InSAR相位解纏時(shí)傳統(tǒng)的方法不適用。關(guān)于PS-InSAR相位解纏的方法比較多，如二維解纏法(路徑控制積分法、最小二乘法、最小費(fèi)用流法)和三維空間解纏法。其中三位解纏法對(duì)SAR數(shù)據(jù)質(zhì)量要求比較高，一般采用二維解纏法進(jìn)行相位解纏，其流程為：計(jì)算相鄰像素間的

相位差，在時(shí)間域上進(jìn)行低通濾波處理，削弱影像時(shí)間序列間大氣延遲的影響；計(jì)算濾波后的相位差的相位主值并積分，解纏時(shí)間維的相位差。

3 應(yīng)用效果分析

本文以某市建設(shè)區(qū)域的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相位解纏等流程，最終獲得某PS目標(biāo)及沉降點(diǎn)位分布圖(圖2)，不同的PS點(diǎn)目標(biāo)使用不同的顏色加以區(qū)別，在網(wǎng)絡(luò)平差過程中依據(jù)誤差傳播定律計(jì)算得到的各PS點(diǎn)目標(biāo)的中誤差，經(jīng)解算得到各PS目標(biāo)上高差變化量，獲得該城市內(nèi)最大沉降量可達(dá)65 mm。

圖2 某城區(qū)PS目標(biāo)及沉降點(diǎn)位分布圖

4 結(jié)語

城市地表形變監(jiān)測(cè)是提高城市建設(shè)安全的基礎(chǔ)，也是防治城市中長(zhǎng)期規(guī)劃引起區(qū)域性地表沉降的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，加強(qiáng)城市地表形變監(jiān)測(cè)研究有助于推動(dòng)城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，并對(duì)城市地表形變規(guī)律有清晰的認(rèn)知，可以為城市規(guī)劃、治理提供可靠的數(shù)據(jù)。