InSAR技術(shù)在南京河西新城地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

王慶 ，張濤，邱志偉，岳建平

(1.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210019;2.南京市規(guī)劃局，江蘇南京 210029;3.河海大學(xué)，江蘇南京 210098)

1 引言

近年來，由于城市化進(jìn)程加快，城市地下水的過度抽取以及礦產(chǎn)資源的過度開發(fā)等原因，許多城市特別在南京河西新城發(fā)生了不同程度的地面沉降。作為地表沉降監(jiān)測的重要手段，星載InSAR技術(shù)以其覆蓋范圍大、精度較高等特點已得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于星載SAR數(shù)據(jù)受時空失相干影響嚴(yán)重，并且無法對于地表的微小變化進(jìn)行實時監(jiān)測。地基InSAR技術(shù)利用連續(xù)對觀測區(qū)域獲取的雷達(dá)反射信號，能夠隨時監(jiān)測到地表所發(fā)生的微小形變。通過地基雷達(dá)與干涉測量技術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)了一種地面沉降監(jiān)測的新方法［1］。

2 地基合成孔徑雷達(dá)測量原理及IBIS－L系統(tǒng)介紹

地基合成孔徑雷達(dá)干涉(GBInSAR)技術(shù)基于微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，通過合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高空間分辨率，克服了星載SAR影像受時空失相干嚴(yán)重和時空分辨率低的缺點，通過干涉技術(shù)可實現(xiàn)優(yōu)于毫米級微變形監(jiān)測。采用GBInSAR技術(shù)能精確測定被測物表面沿雷達(dá)視線向(LOS)的微量變形信息，其基本原理是:通過合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像，利用SF－CW技術(shù)提高雷達(dá)的距離向分辨率，通過比較影像中目標(biāo)點的電磁波相位信息，采用干涉技術(shù)求取監(jiān)測區(qū)域的變形量［2］。

IBIS(Image by Interferometric Survey)是用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測目標(biāo)位移且具有成像能力的陸基微波干涉儀，IBIS－L是一種基于微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達(dá)(如圖1所示)。遙測距離可達(dá) 4 km，測量精度達(dá) 0.1 mm，與GPS、全站儀等技術(shù)相比，具有空間連續(xù)覆蓋的優(yōu)勢，能夠?qū)ψ冃螀^(qū)域全天時、全天候進(jìn)行連續(xù)觀測。該系統(tǒng)將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SF－CW)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)、干涉測量技術(shù)相結(jié)合，通過合成孔徑技術(shù)獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像，通過干涉技術(shù)提取相位變化量。該設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于邊坡工程、地面沉降、大壩等微小位移變化的監(jiān)測。

圖1 微變形監(jiān)測系統(tǒng)IBIS－L

3 地基InSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測原理

InSAR技術(shù)目前是一項非常成熟的測量技術(shù)，該技術(shù)主要是通過雷達(dá)反射波的相位差異而進(jìn)行的(如圖2所示)，將獲取到變形前后兩次的目標(biāo)物不同的相位信息差異進(jìn)行比較，從而利用式(1)解算出位移變化量。IBIS系統(tǒng)可以得到每一個像素單元的位移變化信息，由于IBIS得到的位移變化量是在視線向(Line Of Sight，LOS)的變化量，通過數(shù)學(xué)方法可以將目標(biāo)物的變化情況投影到其他方向上，進(jìn)而能夠保證設(shè)備監(jiān)測到微小的位移變化。

利用相位差反演徑向位移變化的公式為:

式中，φ1、φ2分別為目標(biāo)物變形前后雷達(dá)獲取的相位值。

圖2 干涉測量技術(shù)原理

如圖3所示，將IBIS設(shè)備架設(shè)在一個相對較高的區(qū)域，使得雷達(dá)波能夠覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域，通過雷達(dá)反射回來的相位的差異得到位移值，再將位移值投影到沉降方向，得到監(jiān)測區(qū)每個目標(biāo)的沉降變形。

由圖3不難看出，高程h、徑向距離r以及雷達(dá)入射角α滿足如下的幾何關(guān)系:

而視線向位移dLOS與鉛垂向位移dVERT間可依據(jù)下式相互轉(zhuǎn)換:

通過式(1)、(2)、(3)聯(lián)立后，便可由觀測得到的相位差計算得到地表沿鉛垂向的沉降值，公式為:

4 地面沉降監(jiān)測應(yīng)用

用IBIS－L系統(tǒng)對南京河西新城地區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，雷達(dá)覆蓋區(qū)域大約為 0.2 km2，區(qū)域內(nèi)有居民地、廠房以及丘陵等。為了便于對地面進(jìn)行沉降監(jiān)測，設(shè)備安置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的較高處，觀測點與測區(qū)間相對高程為 96.4 m。雷達(dá)的最遠(yuǎn)觀測距離為 1 km，最近距離為200 m。但是，遠(yuǎn)端由于入射角度較小，受雷達(dá)陰影的影響較嚴(yán)重，本次作業(yè)選取觀測條件較好的區(qū)域進(jìn)行沉降監(jiān)測。作業(yè)時間從2012年7月30日12:00～31日12:00，共計 24 h，采樣間隔為 5 min，獲取數(shù)據(jù)261景。

圖4為IBIS－L系統(tǒng)獲取的雷達(dá)信號的反射強度圖，由圖中可以看出，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地記錄下建筑物以及地表起伏，觀測區(qū)域內(nèi)反射信號的強度均在 15 dB以上。圖5為雷達(dá)的相干系數(shù)圖，由圖可知目標(biāo)區(qū)域的相干系數(shù)較高，均值在0.7左右。相干性是雷達(dá)干涉質(zhì)量評價的重要指標(biāo)，相干系數(shù)越高，表明影像的干涉質(zhì)量越高，觀測精度也就越高［3］。

圖4 觀測區(qū)的雷達(dá)反射強度

圖5 觀測區(qū)的空間相干系數(shù)

大氣擾動產(chǎn)生的延遲誤差是InSAR測量的主要誤差。為消除此影響，本作業(yè)在測區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定處選擇若干個穩(wěn)定點(如圖6所示)，依據(jù)這些點來自動評估大氣影響，進(jìn)而消除測區(qū)內(nèi)大氣所造成的延遲誤差，提高觀測精度［4］。首先，為了驗證IBIS系統(tǒng)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，在測區(qū)附近基巖裸露區(qū)域(圖4中白色虛線已標(biāo)出)選取3個點即:P10、P11、P12進(jìn)行觀測，由于3個點都在穩(wěn)定的基巖上，據(jù)此可認(rèn)為它們不會發(fā)生沉降。從圖7中可見，3個基巖點在觀測的 24 h內(nèi)實際的沉降量均在±1 mm以內(nèi)，這種微小的變形在監(jiān)測時間內(nèi)有近似的變化趨勢，可認(rèn)為是大氣延遲的殘余誤差對觀測結(jié)果的影響。從驗證的結(jié)果上可以看出，本次作業(yè)中IBIS－L獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠性較高。

依據(jù)相干系數(shù)及相位穩(wěn)定性等指標(biāo)，提取出觀測區(qū)域內(nèi)可靠的觀測點進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。經(jīng)過處理得到的視線向位移利用式(4)將其投影至沉降方向，圖8為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)選取的5個觀測點，在 24 h內(nèi)連續(xù)觀測的沉降過程曲線。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，5個觀測點的沉降變形過程可分為3個時段，即為:30日12:00～21:00為變形時段;30日21:00～31日8:00為穩(wěn)定時段;31日8:00～12:00為下一個變形時段。從以上3個時段的沉降規(guī)律可以推斷出，該地區(qū)的沉降主要受附近廠房的工作周期影響，其中距離廠房較近的4點與5點，由于受廠房生產(chǎn)的振動影響，沉降變化較為突出，但是各點的形變均在±5 mm內(nèi)，連續(xù)觀測的 24 h內(nèi)地表沉降的影響較小。

圖6 觀測區(qū)地表沉降偽彩色圖

圖7 基巖處沉降曲線圖

圖8 IBIS－L系統(tǒng)江灘地面沉降監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

本次作業(yè)利用IBIS－L系統(tǒng)，對南京河西新城區(qū)域進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，獲取連續(xù) 24 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了觀測區(qū)域?qū)崟r的沉降位移變化過程。通過作業(yè)證明，地基InSAR技術(shù)采用微波探測主動成像方式，獲取被監(jiān)測區(qū)域二維影像，可以實現(xiàn)對地面高精度的連續(xù)變形信息提取，是一種極具潛力的沉降監(jiān)測新技術(shù)［5，6］。IBIS系統(tǒng)外業(yè)操作簡單，不需要反射裝置配合，工作人員不用進(jìn)入變形體內(nèi)，既保證了人員的安全，也避免了對變形體的影響。利用IBIS設(shè)備進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，可以提高沉降監(jiān)測精度，能夠?qū)崟r地掌握地表的變化，為城市的健康發(fā)展提供保障，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［7］。

［1］岳建平，方露，黎昵．變形監(jiān)測理論與技術(shù)研究進(jìn)展［J］．測繪通報，2007(7)．

［2］廖明生，林琿．雷達(dá)干涉測量—原理與信號處理基礎(chǔ)［M］．北京:測繪出版社，2003(8)．

［3］邱志偉，張路，廖明生．一種顧及相干性的星載干涉SAR成像算法［J］．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2010(9):1065～1068．

［4］何敏，何秀鳳．合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)及其在形變?yōu)暮ΡO(jiān)測中的應(yīng)用［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2005(2)．

［5］湯益先，張紅，王超．基于永久散射體雷達(dá)干涉測量的蘇州地區(qū)沉降研究［J］．自然科學(xué)進(jìn)展，2006，18(6):1015～10201．

［6］Strozzi T，F(xiàn)arina P，Corsini A．Survey and monitoring of landslide displacements by means of L－band satellite SAR interferometry［J］．Landslides，2005，2(3):193 ～201．

［7］李德仁，廖明生，王艷．永久散射體雷達(dá)干涉測量技術(shù)［J］．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2004，29(8)．