基于InSAR技术对杭州市地表形变进行监测分析

张超，郭赞峰，万铭，杜钊锋

(1.国家测绘地理信息局第一大地测量队，陕西 西安 710054； 2.杭州市勘测设计研究院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

InSAR技术是SAR成像技术与射电天文学干涉测量技术结合的产物，作为一种极具潜力的微波遥感新技术，目前在地表三维重建、地球表面形变场探测及土地利用分类等方面表现出极好的应用前景，其在地球动力学方面的应用最令人瞩目。相对于传统地表位移监测方法，InSAR技术不受天气影响，具有监测范围大、成本费用低的优点。2001年，刘国祥等利用InSAR技术获取了香港赤腊角机场监测时间段内的沉降结果[1]。2002年，单新建等利用该技术获取了玛尼地震同震形变场[2]。同年，路旭等对天津的地面沉降开展了形变监测。此后我国的InSAR应用研究也进入了一个较热的阶段[3]，目前InSAR已在我国地面沉降、滑坡、地震、煤矿开采、线型工程等方面有了较广泛的应用，是继GNSS技术后一种新型空间大地测量尖端技术和对地观测手段。

文章针对杭州市城市地面沉降监测以项目的实际目标需求为出发点，采用日本ALOS卫星PALSAR数据实施InSAR技术地面沉降监测。该数据为星载重复轨道周期性观测数据，存档周期为2007年年初至2011年年初，获取了该市数据覆盖范围内 2 531.6 km2范围监测期内高精度地面沉降模型，并与同期的水准观测数据进行对比，科学地验证了本技术的可行性。

2 InSAR方法基础

InSAR沉降监测是根据两幅或多幅星载重复轨道SAR数据干涉进行的，即由干涉相位差求解位移量的变化。对于干涉处理而言，一个重要的前提是存在相干性，即两景影像信号的相似性或相关性。准确获取干涉相位需满足相干条件，失相干条件下难以获取真实的干涉相位。

2.1 DEM数据

SAR数据处理过程中，DEM数据主要用于生成模拟干涉相位图，并结合雷达卫星轨道数据用于影像配准和干涉结果的地理编码。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数据由美国航空航天局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量。该数据产品2003年开始公开发布，其地面分辨率为 90 m，平面位置相对精度为 ±8.8 m，高程相对误差为 ±8.7 m。SRTM数据分发采用GeoTiff格式按每5度经纬度方格网划分为一个文件，作业中根据卫星数据覆盖范围，需要对相邻的数据块进行拼接和镶嵌，并采用三次卷积内插方式将其重采样为1″×1″分辨率的格网(约 30 m×30 m左右)，存储为ArcGrid格式。

2.2 ALOS卫星PALSAR数据

ALOS卫星由日本宇宙航空研究开发机构(The Japan Aerospace Exploration Agency，简称JAXA)2006年发射，2011年日本3·11大地震后卫星寿命到期。星载PALSAR传感器雷达运行在L波段，波长为 23.6 cm，重访周期为46天。项目设计阶段对存档数据进行查询，根据数据覆盖范围和获取周期，订购了ALOS卫星444轨道590框幅的PALSAR数据23期。该数据为重复轨道周期性观测的条带形式升轨数据，地面分辨率约 8 m～10 m，数据范围约 60 km×60 km。获取时PALSAR传感器入射角34.3°，卫星过境时间14：29(UTC时间)左右。数据覆盖范围如图1所示。

图1 InSAR监测杭州城市地面沉降范围

2.3 技术路线

(1)收集ALOS卫星PALSAR传感器2007年1月～2011年1月期间数据，对其覆盖范围、中心点经纬度、多普勒中心频率、干涉基线和数据时相等进行数据完整性检查。

(2)根据杭州市城市行政境界区域和数据覆盖范围空间关系，对SRTM数据进行拼接和镶嵌，对Envisat卫星ASAR传感器原始数据进行裁切，保证数据完全覆盖监测范围，并与SRTM数据相对应。

(3)基于经典二轨法干涉测量原理，对PALSAR数据采用短基线集干涉测量法进行差分干涉测量，通过全解析相干像元提取技术探测相干像元，并提取其空间位置和差分相位，获得解缠后相位形变信息。

(4)将相干像元解缠后形变相位信息导入InSAR TS+AEM软件进行时序分析，获取监测区域高精度地面沉降成果[4]。

(5)收集杭州市2006年和2010年高程复测成果资料，对InSAR技术监测结果进行对比和验证。

(6)根据InSAR技术监测结果开展野外调查，并对典型沉降点进行评估。

具体技术路线如图2所示。

干涉测量采用经典的二轨法原理[5]，其数据处理主要包括数据预处理、影像配准、生成干涉相位图和相干图、DEM模拟地形相位去除、相干点探测、地理编码和相位解缠等7个基本步骤。本项目在差分数据处理过程中，采用全解析像元提取技术，将以往的高相干区域转移到了长时序上具有永久散射特性的点集上，获取影像原始分辨率下的相干像元。该技术吸收了永久散射体的优势，相干点具有更小、更精确的像元尺寸和位置，使得用于测量相位的相干像元产生了永久散射体技术的效果。

图2 技术路线

3 技术实例

本次沉降监测采用ALOS卫星PALSAR数据分析杭州市主城区地面沉降状况，监测期内共获取数据23期。差分干涉数据要求空间垂直基线不大于 800 m，时间基线不超过800天，要求每期数据生成的干涉集不少于5对。在这种条件下，根据干涉生成的像元相干系数图对全部23期数据进行组合筛选，获取干涉数据组合63对。

3.1 SNAPHU算法

相位解缠是InSAR处理中尤为关键和重要的一步，相位解缠结果的好坏直接影响InSAR最终数据产品的质量。

对于PALSAR数据，二维SNAPHU相位解缠Delaunay三角网边长不超过 200 m，解缠后相干像元相位闭合差一般不超过4弧度且均匀平滑，并不应出现明显突变和空间异常分布。作业中对干涉像对所形成的60个三角形相位闭合环全部进行了检验，相位闭合差满足要求。图3显示三期数据相互干涉相干像元之间检查结果。

图3 全解析像元干涉相位三角形闭合差检验图

3.2时序分析InSAR TS+AEM

采用经典的二轨法差分干涉测量的相位模型为：

φint=δφflat+δφtopo+δφdef+δφatm+δφnoise

(1)

其中：δφflat为平地相位，δφtopo为地形相位，δφdef为雷达两次观测期间目标沿卫星视线方向移动引起的形变相位，δφatm为两次观测时大气波动引起的延迟相位，δφnoise为噪声相位。

削弱大气延迟的影响是InSAR技术地面沉降监测的关键及难点。项目生产中实施单位利用自主开发的附有大气估算模型的InSAR时序分析算法和软件(InSAR Time Series with Atmospheric Estimation Model，简称InSAR TS + AEM)对原始分辨率的相干像元进行时序分析，削弱大气延迟对干涉相位的影响，获取最优的沉降结果估算。

(2)

4 对比验证

4.1 与高程复测成果对比验证

基于杭州市两次似大地水准面精化两期水准点高程的变化量对SAR技术处理结果进行对比和验证[6]。受InSAR成像原理和干涉测量时失相干影响，复测水准点与相干点在位置上不可能完全严格对应，水准点InSAR沉降量采用时序分析后的累积沉降量，计算水准点位置 150 m范围内相干点累积沉降量平均值进行对比和验证。监测区域内两期高程复测共有水准重合点253处，为了直观体现水准与InSAR技术沉降量的差异，作业中对其按 1 cm的分级进行分类，图4显示了水准点InSAR沉降量差值在频率域的分布特征，显示InSAR监测成果与水准复测资料保持了较好的一致性。

图4 差值对比分析

4.2 典型沉降点野外调查

选定某大桥作为典型沉降点，沿大桥轴线方向提取时序分析结果，绘制沉降量剖面图，如图5所示。野外调查发现沉降量变化规律与桥梁结构密切相关，沉降量接近为零的位置与桥墩重合，沿桥梁每跨区长度产生周期变化。受桥梁结构应力影响，大桥 1 km+150 m～2 km+810 m之间为钱江航道主跨区。主跨区表现为下沉，两侧表现为上升，因此在该位置产生剪切作用。野外调查发现桥梁两侧护栏发生开裂和挤压，业主对其采取工程措施进行加固。该位置沉降灾害在实地勘察中得到验证，与InSAR监测结果完全一致。

图5 InSAR技术沉降监测下沙大桥沉降量时间序列剖面图

5 结 语

文章利用SBAS-InSAR技术通过非在轨卫星存档数据对杭州市地面形变进行了调查，经济高效地完成了地面形变监测，为杭州市以后的多技术沉降监测确立了重点监测区域，也为InSAR技术的工程化应用提供了良好的借鉴作用。但在本次研究中，还存在以下的不足：

(1)本次在SBAS-InSAR数据处理中，主要是通过对残余相位进行时空滤波来获取各干涉组合的大气延迟相位，并进行大气延迟相位改正，由于缺乏SAR影像获取时刻的外部气象数据进行对比，因此，对SBAS-InSAR去除大气延迟的效果无法验证。

(2)目前多种不同波段的SAR影像数据可用于地表形变监测，高新InSAR技术方法和处理手段也层出不穷，本文仅选用了日本ALOS卫星PALSAR数据采用SBAS-InSAR技术进行形变探测，后续可尝试利用X波段的TerraSAR数据和PS-InSAR技术开展该地区的地表形变监测。

(3)本次对地表形变的解释主要通过实地调研和水准测量比较分析开展，由于缺乏该地区的地质地层资料、地下水开采及地下空间开挖数据、地表建筑物建设等，因此对地表形变未能做深入解释，同时也没开展地质地层、地下水开采、地表荷载与地表形变监测关系研究。