时序InSAR多源数据地面沉降监测研究

刘平利，乔天荣，张鸿祥，王传先，于 雷，王景道

（1.河南省地质调查院，河南 郑州 450001；2.河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001；3.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

随着卫星遥感技术的飞跃发展，由于其具备高精度变形监测能力，作为城市地面沉降重要手段的InSAR 技术得到了快速的发展，并逐渐成熟[1-2]，在城市地面沉降监测、地表各类地物形变监测中得到了重视和应用。将其应用于城市地面沉降监测，具有高精度、监测范围大、监测连续性好、受气候影响较小、监测实施方便容易、成本相对低、安全性高等独特监测优势[3]。

1 技术路线

基于多源数据的时序InSAR 城市地面沉降监测技术，将其研究过程分为4 个步骤:①通过收集已有资料（DEM、光学影像、地质信息、气象等）现场踏勘，根据现场情况分析选择卫星影像完成项目的准备工作；②借助项目要求开展时间段内的雷达卫星数据，如TerraSAR、ALOS2、Radsat、 COSMO-KeyMed、Sentinel-1A 等常用的卫星遥感影像显示D-InSAR、PSInSAR、SBAS-InSAR 等不同时序干涉SAR 监测城市区域地表变形的能力和主要问题；③根据现有时序InSAR技术监测结果，结合城市区域特点，对城区铁路形变、公路形变、建构筑物形变、地铁形变进行遥感动态监测[4]，并分析4 种类型地表形变的特点，为城市区域各主要交通、建构筑物的稳定性评估提供基础[5]；④将成果进行总结，形成不同对象，不同类别的分析报告。

2 可用数据介绍

现有InSAR 雷达卫星数据较多，常用的InSAR 卫星数据有意大利的COSMO-SkyMeD（X波段）；德国的TerraSAR（X波段）；日本的ALOS-2（L波段）；欧洲航天局的Sentinel-1（C波段）等。根据InSAR 的成像原理，频段越高（X、K波段）卫星影像分辨率越高，穿透能力越弱，但对地物细节描述能力越强，图像的边缘轮廓越清晰。反之频段越低（P、L波段）卫星影像分辨率也越低，但穿透能力越强，适合用于植被较多的区域。中间频段（S、C波段），兼顾穿透性和细节描述，综合性能好。在城市区域植被覆盖一般较少，且有较多较稳定的反射体，用高中频段的卫星影像能获取较多的形变监测点，且能很好的突出细节信息。由于SAR 卫星是侧视成像区别于光学遥感卫星的正视成像，在城市区域由于建筑物较为密集，因此利用单一轨道卫星数据进行监测，对于反映整体形变能力不足，在监测时宜分别对升轨、降轨数据进行处理，以便全面反映城市区域内各对象的形变情况。目前市面上的各个SAR 卫星主要参数如表1 所示。

表1 SAR 卫星主要参数表

根据研究区域实际情况，选择不同的雷达卫星影像数据作为开展InSAR 监测分析的原始数据。分别利用时序差分干涉测量（时序D-InSAR）、永久散射体干涉测量（PS）和小基线集干涉测量（SBAS）技术进行数据处理后，得到城市地表形变监测成果。

3 方法选取

D-InSAR 差分技术常用的有二轨法和三轨法，需SAR 数据量少，最少需要2 景SAR 数据和DEM 数据便可完成形变监测。侧重于研究短时间间隔的单次形变，受到时间、空间失相关以及大气相位等误差因素的影响。由于SAR 卫星观测周期以及空间和时间基线的限制，无法获取连续的地面沉降场。时序InSAR技术如小基线子集法（SBAS）和永久散射体干涉测量技术（PS-InSAR）对数据量要求较高，SBAS 技术一般要求数据源至少为10 景SAR 数据[6]，PS-InSAR技术为15 景。但因去除了部分误差，监测精度高于D-InSAR 差分技术[7]。因此，针对研究区域在前期数据量较少时采用D-InSAR 差分技术进行监测[8]，当后期数据不断积累分别采用时序InSAR 技术进行监测。同一区域用不同监测方法，可以对监测数据进行交叉验证，充分发挥多源数据的优势[9]。对于D-InSAR技术形变监测达到cm 级精度（＜10 cm），SBASInSAR、PS-InSAR 技术形变监测达到mm 级监测精度（＜10 mm）。

3.1 数据处理

DInSAR 技术就是对两组干涉对（形变前与形变后）进行差分处理[10]。具体而言，它通常是基于重复轨道干涉测量模式对同一地区进行不同时间地成像，使1 到2 个干涉相对的相位包含不同的地面信息，再对处理后的干涉相位进行差分，以达到获取形变信息的目的。根据地形对干涉相位去除方法或重复轨道影像数目的不同，常规的DInSAR 技术可分为“二轨法”、“三轨法”和“四轨法”。在无法获得高精度DEM的情况下，一般使用SRTM DEM，其精度优于1∶2.5 万以上的地形图。

PS-InSAR 技术是从N幅SAR 影像中选取一幅作为主影像。将所有影像与主影像进行几何配准、辐射定标和干涉处理，生成差分干涉图集，接着进行初始PS 点的选取，主要方法有相位离差阈值法、振幅离差阈值法、多极化选取法和相干系数与振幅离差双重阈值法等。

SBAS 是由Berardino 等于2002 年提出的。假设存在N+1（设N为奇数）幅单视复数SAR 影像，其成像时间分别为t0,…,tN。根据设定的垂直基线阈值（如300 m），将上述影像进行分组，每个组内的影像进行差分干涉处理，则得到的干涉图的数量K满足:

SBAS 处理方法具有两方面的优点:①要求的SAR影像数量相比于PS 大幅度减少；②兼顾短时间内具有高相干性的区域性目标，使得相干目标数目增多。

3.2 精度验证与评价

对于利用时序InSAR 技术监测的地面沉降结果，采用水准（或GPS）测量数据验证精度[11]。InSAR 技术获取的是图像覆盖区域内对雷达信号，具有比较稳定的后向散射的目标（稳定点目标）上的形变信息，这些点目标与水准点的空间位置不一定完全一致。为了保证评价结果的客观性和准确性，约定邻近点原则对初始获得的水准点进行筛选:即以水准点为中心，如果在一定距离范围内（经验值为80 m）存在至少一个InSAR 点目标，则选择该水准点参与精度评价，比较水准点与最邻近点InSAR 点目标测量得到的形变值，根据二者的差异评估InSAR 地面形变监测结果的精度。

假定有1,2,…,N个水准（或GPS）测量数据，其测量时段应与SAR 影像获取时段相一致，如上所述，可得到N个形变速率误差ΔV1,ΔV2,…,ΔVN，则

误差最大值为: ΔVmax=max(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

误差最小值为: ΔVmin=min(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

4 地面沉降监测结果分析

利用GIS 技术，对沉降区InSAR 监测结果进行统计分析，包括:

1）地面沉降空间分析。基于InSAR 获取的地面沉降结果，利用GIS 分析方法，对城市地面沉降规模、沉降中心分布（最大沉降速率、最大累计沉降量）、沉降范围面积等信息进行统计分析。

2）沉降年际变化分析。 基于InSAR 得到的时间序列沉降结果，结合高分辨率光学遥感影像，分析形变区地面沉降的空间分布变化特征，分析地面沉降中心时间序列演化特征。

3）地面沉降影响分析。结合高分辨率光学影像及基础地理数据和地理国情数据，分析形变区地面沉降影响范围内生态环境、耕地水系、交通设施、地上建筑等受损情况，并开展地面沉降灾害分区分析。

5 成果提交

1）监测周期内城市的累积形变量等值线图、沉降速率图、地表沉降危险性分区面积统计表。

2）公路、地铁形变成果分析。动态形变过程图，沉降速率图、累积形变量等值线图、地表沉降危险性分区里程统计表、沉降危险性分区面积统计表。

3）物形变成果分析。建构筑物动态形变过程图，沉降速率图、累积形变量等值线图、建构筑物地表沉降危险性分区面积统计表。

6 结 语

传统的地面监测方法如水准测量、GNSS 测量等在城市监测中只能获取单点离散的监测值，而基于时间序列的合成孔径雷达干涉测量（时序InSAR）进行方法选取得当，精度可达mm 级，相比于其他测量技术，具有极大的优势。