垢元培

河北地礦局第二地質(zhì)大隊 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 河北 唐山 063000

合成孔徑雷達干涉測量（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到亞毫米級。

從時間上而言，InSAR測量結(jié)果是一段時間內(nèi)目標沿雷達視線方向的變形量，從空間上而言，是相對于參考位置或者穩(wěn)定點的相對變形量。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段中利用不同時期單點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測量更具真實性，變形量更接近實際變形值。

從觀測對象上而言，InSAR測量所獲取的是相干目標的形變量或形變速率，而傳統(tǒng)地面沉降測量（多數(shù)情況下以水準測量為主）得到的是地面某個特定點的沉降變化量。點位密度上，傳統(tǒng)地面沉降測量可以認為加密，而InSAR測量則取決于目標的密度。兩者在空間位置上并非完全一致，但從統(tǒng)計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位的統(tǒng)計在概括表達區(qū)域特點，而InSAR觀測的點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充。

三、InSAR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

利用星載雷達數(shù)據(jù)獲取的相位信息，基于空間相干性估計和二維相位解纏等技術(shù)，合成孔徑雷達干涉測量技術(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)為兩個方面，一是區(qū)域性地表形變?yōu)暮ΡO(jiān)測與預(yù)報的需要；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計劃，以及PSIC4（等研究項目，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。通過這些計劃的開展，已查明了全歐洲各主要城市的地面沉降、重點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)用向前推進了很大一步。同時，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，并與水準測量及GPS數(shù)據(jù)進行比較。

InSAR在地面沉降監(jiān)測中的重要事件還包括：

（1）GMES與Terrafirma計劃

GMES（Global Monitoring of Environment and Security）是一項由歐空局（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）計劃，通過聯(lián)合歐盟各個成員國的地質(zhì)調(diào)查局和相關(guān)研究機構(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)，最終目標實現(xiàn)識別地質(zhì)災(zāi)害隱患、促進地質(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

該項計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)研究的多家研究機構(gòu)組成項目組，開展覆蓋意大利全境的地表形變InSAR調(diào)查與監(jiān)測。與Terrafirma的相同點在于該計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)。不同之處在于該計劃不僅面向主要城市地面沉降監(jiān)測，而且實現(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。該方法的機理是基于空間相干性估計和二維相位解纏等技術(shù)，利用雷達波相位差進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?？捎行У慕鉀QD-InSAR中時空去相關(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影像個數(shù)、PS點與參考點間的距離、PS點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，在距參考點距離小于4～5km范圍內(nèi)PS形變速率的觀測精度可達到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)測精密水準測量的精度指標比較發(fā)現(xiàn)，2km范圍內(nèi)觀測精度為1mm與二等水準測量相當(dāng)。

在實際應(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到上述理論精度。通過歐空局GMES計劃下在Terrafirma工作中組織開展了PSIC4（Persistent Scatterers Interferometry Independent Validation and Intercomparison of Results）項目，研究表明，InSAR時序分析處理方法在數(shù)據(jù)量達到20景左右時可達到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波的入射方向保持最佳的夾角，通常反射強度遠大于周圍物體的反射強度，可以看作是一個點狀目標的人造永久散射體。

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，人工角反射器點位也可以看做成PS點的加密，可以有效的解決時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）的基本上進行了進一步的加強，可以精確的測量某一地區(qū)、某一時段內(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行配準，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，得到時間序列。并且由時間序列，生成所選區(qū)域的垂直形變圖。該方法不需要大量SAR影像，也不需要很高的費用，是一種非常有效的InSAR處理方法，并且在長時間序列監(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）擴展了Ferreiti（2001）介紹的永久散射體技術(shù)（PS-InSAR），即將若干個小基線數(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）主要在以下兩個方面：（1）利用不同小基線子集的影像加大了時間采樣率；（2）加強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，在計算機（目標的）空間和時間形變序列時，會進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，同時在進行小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）處理SAR影像數(shù)據(jù)時，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)測項目。

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