PS-InSAR技术在城市地表形变监测中的应用

葛 琳

(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院)，山东 济南 250014)

InSAR(合成孔径雷达干涉测量)技术是年几十年来快速发展起来的新型测绘技术，它借助波束干涉原理实现卫星对地观测，使用两幅或以上的SAR影像形成的干涉影像，经过差分干涉处理等步骤获得某一像元的形变，其精度可达毫米级。PS-InSAR(永久性散射体雷达干涉测量法)技术是利用InSAR技术生成SAR影像的干涉图集，采用相干系数法、振幅离差法、相位分析法等PS点目标选取，选择稳定性强、相干性好的PS点，建立相应的数学模型，对选定的PS点进行相位解缠，可获得不同因素对地表沉降量的贡献度，即可生成每个像元点的形变量。

1 PS-InSAR监测技术的优点

大范围地表形变监测技术是预防及治理城市地面沉降、地质灾害等的手段之一，主要借助于水准测量和卫星定位系统(GNSS)测量。其中，水准测量具有观测周期长、效率低、耗费资源大等缺点；卫星定位系统(GNSS)测量虽然弥补了水准测量的缺点，但仅局限于某一点的观测数据，无法满足实际工作中对区域性地表沉降信息的需求。传统形变测量如水准仪测量、全站仪测量、测斜仪测量、应变计测量、分层沉降测量等等，多是点测量方式，空间密度严重不足，很难覆盖大区域范围，而且成本较高。对于大范围监测而言，传统测量方式是异步的，即所有的观测点的观测值不是同一时间获取的，即测量结果不同步。这种由点到面、不连续的监测模式存在以偏概全，有片面性的缺点，导致获取的地面沉降等信息可靠性极差。与常规监测技术相比，PS-InSAR监测技术的优势如下：

(1)PS-InSAR技术具有面上监测的优势。传统的测量技术以独立点测量为主，进而获得面上的测量数据；而PS-InSAR技术则是地面上随机分布的若干个相干像元，观测相位是一定分辨单元内所有目标散射相位的相干叠加。在相干性良好的情况下，可以获得密度较高的相干像元，进而获得连续的观测面因此，对于观测大范围形变等目的是十分有效的。从观测的同步性上分析，传统方式是异步的，是在不同的时间点上观测完一个网络，进而求解不同时间间隔下的相对变化。PS-InSAR技术主要在同步条件下实现监测区域的监测任务，即能够在相同的时间内获得大范围内的监测数据，因此，所获实时动态数据具有同步同时的特征。综上所述，PS-InSAR技术实现了由“片段式”监测到“全覆盖”监测的目的。

(2)监测范围增加。传统的监测技术以独立的监测点为主，所覆盖的监测范围较小，而PS-InSAR技术有效的弥补了这一短板，实现了较大范围内高密度点位采样监测的目的，解决了大范围监测难度大的问题。

(3)实现了定量定性监测。与传统的监测技术相比，PS-InSAR技术不仅可以获得监测区域的高精度形变图，而且该类形变图具有定量的特征。如使用PS-InSAR技术处理监测结果，可以获得任何一个相干目标的形变速率、累计形变量、时间序列变化等，即任何一个相干点就是一张形变图谱。

(4)能够获得更加精细的监测成果。传统的监测技术以单点为主，导致在监测采样密度和时间上无法获得更高的精细度，但是PS-InSAR技术有效的避免了这一缺陷，能够获得高精细度的相干点分布图，且分辨率越高，其精细度越高。

(5)测量精度高。PS-InSAR技术所能达到的理论精度，精度是优于3 mm的。国内和国外的科研项目和监测实例证实PS-InSAR技术在测量精度上是没有问题的，完全可以满足大范围的区域监测。

(6)低成本、高效益。城市地表形变监测是一项长期而缓慢的过程，即耗时长，InSAR技术只需在特定的监测区域安放监测设备就可以获得实时动态监测数据，并自动输出形变等图件，减少了人力、物力资源的浪费。

2 PS-InSAR技术在城市地表形变监测中的应用

2.1 影像配准

监测区域的影像配准是分析地表形变量的基础，将获得的覆盖同一监测区域的主影像(参考影像)和从影像(待配准影像)进行配准，即通过主影像和从影像的配准就可以获得不同像元的位移量，再依据所获不同像元的位移量进行坐标转换和重新采集样点(图1)，然后在两幅影像中选取少量的特征点用于匹配影像间的同名像素，并采用匹配算法搜索出均匀分布在覆盖区域内的足够多的同名像素，即可以完成影像的配准工作。

2.2 SAR数据差分处理

PS-InSAR技术的SAR数据差分处理技术与D-InSAR技术的数据处理方法一致，即对初步处理好的SAR影像进行实践序列的干涉处理，获得以时间序列为基础的干涉图集，再结合DEM数据将地形信息从生成的干涉图集中剔除，就可以获得除去地形和平地效应的差分干涉图序列。

2.3 PS点选取

在使用该技术时，PS点的选取是关键环节，即在SAR数据差分处理成果的基础上，选择稳定性强、相干性好的PS点目标。PS-InSAR技术与D-InSAR技术相比，该技术采用相干系数法、振幅离差法、相位分析法等PS点目标选取，选择稳定性强、相干性好的PS点，进而建立相应的数学模型，对选定的PS点进行相位解缠，可获得不同因素对地表沉降量的贡献度，即可生成每个像元点的形变量。

2.4 相位解缠

PS-InSAR技术的相位解缠方式与传统的InSAR技术的相位解缠方法不同，传统的InSAR技术主要针对整个干涉图进行连续相位解缠，而PS-InSAR技术是基于PS点所建立的矩阵格网进行相位解缠，其对象主要是位于矩阵上稀疏分布的相互独立的PS点目标，因此，在进行PS-InSAR相位解缠时传统的方法不适用。关于PS-InSAR相位解缠的方法比较多，如二维解缠法(路径控制积分法、最小二乘法、最小费用流法)和三维空间解缠法。其中三位解缠法对SAR数据质量要求比较高，一般采用二维解缠法进行相位解缠，其流程为：计算相邻像素间的

相位差，在时间域上进行低通滤波处理，削弱影像时间序列间大气延迟的影响；计算滤波后的相位差的相位主值并积分，解缠时间维的相位差。

3 应用效果分析

本文以某市建设区域的COSMO-SkyMed数据为基础，使用PS-InSAR技术进行数据处理、相位解缠等流程，最终获得某PS目标及沉降点位分布图(图2)，不同的PS点目标使用不同的颜色加以区别，在网络平差过程中依据误差传播定律计算得到的各PS点目标的中误差，经解算得到各PS目标上高差变化量，获得该城市内最大沉降量可达65 mm。

图2 某城区PS目标及沉降点位分布图

4 结语

城市地表形变监测是提高城市建设安全的基础，也是防治城市中长期规划引起区域性地表沉降的基础数据依据。因此，加强城市地表形变监测研究有助于推动城市现代化建设进程，并对城市地表形变规律有清晰的认知，可以为城市规划、治理提供可靠的数据。