合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术在地表沉降监测中的应用

张倍倍

摘要：近年来，合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术应用于地表沉降监测研究领域的方法与实例在国内外工程实践和科研活动中经常出现。近几十年来由于地下水的长期超量开采，华北平原已成为世界上超采地下水最严重、地下水降落漏斗面积最大、地面沉降面积最大、沉降类型最复杂的地区，地表沉降监测周期长、成本高、数据量大，通过InSAR技术的应用可有效提高地表沉降观测的精确性，为预防和减少经济损失发挥积极重要作用。

关键词：合成孔径雷达士涉测量（InSAR） 变形监测 地面沉降

1.InSAR简介

孔径雷达干涉测量（InSAR）是合成孔径雷达应用中较晚出现的技术，它是以合成孔径雷达复数据提取的干涉相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的技术，合成孔径雷达（SAR）属于微波遥感的范畴，它可以穿透云层，甚至在一定程度上穿透雨区，同时具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能力；微波遥感还可以在一定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的关键信息。随着SAR遥感技术的不断发展与完善，它已在变形监测中发挥越来越重要的作用。

2.InSAR基本原理

InSAR技术基本思想是：利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像，获取同一区域的复雷达图像对，形成干涉纹图。干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值，根据相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的关系，利用轨道参数，即可测定地面目标的三维坐标，其基本几何原理为（见图1）：设H为第一个天线的相对高度，ξ为基线B的倾斜角，λ为波长，γ₁、γ₂是雷达天线与地物点之间的距离，可以用基线分量B_x、B_z：及区域入射角θ来表示，两天线接收同一表面元素信号的相位差Φ表示为：

3.数据解算过程

从InSAR的原理可知，欲求得高程，一方面要求获得准确的相位差，另一方面也要求能估计出精确的轨道参数等，InSAR数据处理的主要步骤包括：影像配准，干涉图生成，噪声滤除，基线估算，平地效应消除，相位解缠，高程计算等，有时还需要一定的地面控制点来计算有关的参数。InSAR数据处理基本流程见图2。

4.InSAR应用实例

天津市是地面沉降较严重的城市之一，其年沉降率已达到厘米级。我国一些科研院所采用欧空局ERS-1和ERS-2的天津地区复雷达图像数据进行了试验，经D-In-SAR处理后，两年中由重复精密水准测量求得的地面沉降等值线图与D-InSAR得到的基于干涉条纹的沉降等值线图相比较，得出了二者一致性和相似性的结果。由D-InSAR监测得出的沉降残余均方误差（RMS）只有1.1cm，显示出雷达干涉测量的优势。

河北省沧州市是华北地区地表沉降最为严重的地区之一，通过采用三图像差分处理ERS-1 SAR 1996-12-01、1996-11-01和1995-06-15干涉影像对，获取沧州地区1995～1996年地表沉降的雷达差分干涉纹（图3），得出的结论是沉降主要分布在沧州市区、泊头镇和青县三个地区，同时，通过图像转换我们可以得到各个地区的沉降值，其中沧州市区的一年半期间最大沉降量达到7cm，泊头镇最大沉降量达到3.5cm，青县也达到了3cm。经过野外踏勘和实测资料的对比，这些结果和实际情况比较吻合。

5.结论

采用InSAR技术能够提供全天候详细的地面测绘资料和图像，而且在恶劣天气下雷达是一种合适的探测传感器，能够正常地工作，用此方法可以获得地面观测点精确三维坐标，极大地减轻了外业工作强度，其优点显而易见，随着获取InSAR数据的渠道越来越广泛，未来在城市地面沉降监测、预防泥石流滑坡、矿区开采沉陷监测、水文、森林调查等方面，此项技术也将不断得到发展，为国防建设和国民经济建设服务。