合成孔徑雷達差分干涉測量技術在城市地面沉降監測中的應用

侯建國,初 禹

(1.黑龍江工程學院 測繪工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省地質調查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036)

合成孔徑雷達差分干涉測量技術在城市地面沉降監測中的應用

侯建國1,初 禹2

(1.黑龍江工程學院 測繪工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省地質調查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036)

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是利用合成孔徑雷達(SAR)兩次觀測中的相位差與空間距離差之間的關系，提取地表三維信息和形變信息的一項技術。利用歐空局存檔雷達數據，通過常規D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技術，實現對哈爾濱城市歷史和現今地面沉降情況調查，為城市形變災害預測提供詳實可靠的觀測數據，以便更好地指導今后的地面沉降防治工作。

合成孔徑雷達；干涉測量；地面沉降；地下水；精度驗證

地面沉降是一種緩變性地面變形環境地質災害，是由于在經濟發展過程中對地下資源過度開發而造成。地面沉降現象嚴重阻礙城市的可持續發展，它會對人們正常的生產生活造成影響，并破壞自然環境。在不同的時期，哈爾濱市發生了不同程度的地面沉降現象，這主要是因為開采地下水和哈爾濱市城市建設的發展造成的。合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)不僅能對現在和未來任意時刻的地面變形進行監測，而且還能利用衛星存檔數據對歷史地面沉降特征進行監測，相比之下，歷史監測無法由布設傳統GPS監測網及傳統水準網的方式獲得。文中實現利用合成孔徑雷達干涉測量技術調查哈爾濱市歷史及現今的地面沉降情況，為預測城市形變災害提供可靠詳實的觀測數據，從而為城市地面沉降變形的預防提供指導依據。

1 差分雷達干涉測量技術原理

常規差分測量技術，首先通過對兩景SAR影像進行干涉處理得到干涉相位，所利用的一對影像是跨越形變期的，得到的干涉相位中包含形變信息，由于反演干涉相位不僅包含形變信息，還有參考面相位、地形相位、大氣效應和其它噪聲等，最后進行二次差分處理。本文數據處理是利用已知DEM反演的干涉相位及干涉處理獲得的相位，通過最后一步的處理就能將地形相位從干涉相位中除去，這樣處理后得到的相位就只表征地表形變信息，進而可以對地表形變量進行計算。圖1為兩軌法差分干涉測量的具體處理步驟。首先選取主影像和從影像，并配準到主影像空間，然后將上述配準的SAR影像進行干涉處理，從而得到相干系數(標志影像相關性程度的參數)和干涉相位，再對干涉相位進行去平地效應處理，并將其中的參考面相位去除，得到的相位中就會包含形變、地形信息。最后進行解纏，解纏需要借助于相干系數對去平地效應后的相位。上述整個處理過程是探測形變的差分干涉測量的核心步驟，也是SAR技術的數據處理過程。

圖1 兩軌法差分干涉處理流程

2 差分雷達干涉測量結果

2.1 試驗數據

依據研究區的地理位置，對20世紀90年代以來歐空局存檔的Envisat衛星和ERS衛星雷達影像數據進行調查，總共定購20景覆蓋該地區的雷達存檔數據，分別是15景Envisat衛星影像和5景ERS衛星雷達影像。

2.2 常規差分干涉測量結果

通過組合SAR數據干涉方案，并對大量的數據進行處理，在每一個監測方案中都對不同的關鍵算法進行試驗。通過反復處理及比較各個方案后得出哈爾濱市20世紀90年代和2000年以后兩時間段的等值線圖及年形變速率，如圖2～3所示。通過差分干涉處理，從結果中可以看出，沉降及隆起兩種變形現象同時存在于哈爾濱市地面變形中。在1996年，哈爾濱市地面沉降量最大達到1.5 cm/a，結果顯示地面存在較嚴重的變形。但是在1997年及1988年兩年中，沉降速率最大值小于1.0 cm/a。香坊區南部、南崗區及道里區在1996～1998年間存在大面積的地面沉降形變，地面抬升的趨勢則存在于香坊區北部和道外區部分地區。形變速率在2004～2007年間基本穩定，形變速率平均值為0.6 cm/a。地面沉降變形的趨勢出現在道外區，此地區原來是處于地面抬升的趨勢，南崗區中部及道里區中部則存在地面抬升趨勢。

圖2 1996～1997年形變等值線圖

圖3 2006～2007年形變等值線圖

3 干涉疊加技術結果

在利用常規D-InSAR技術進行長時間的地表微小形變監測中，存在的時間和幾何去相干以及大氣的干擾等因素大大限制其應用，監測精度一般為厘米量級。針對這一缺陷，根據城區SAR圖像表現的特點，即在長時間范圍內仍然存在相位和幅度變化穩定的點，利用這些穩定點上的相位特征，可以很好地解決時間去相干問題，從而實現長時間尺度上地表形變分析。其解決方法就是利用時間序列SAR圖像，分析多時相SAR相位，挖掘時間序列SAR圖像可以識別區域范圍內，一定時間內地表位移表現在信號相關和一致性，獲取地表毫米級的形變信息，主要包括兩個應用方向：永久散射體(Persistent Scatters，PS)點目標特征和短基線(Small Baselines，SBAS)分布式特征。

3.1 PS-InSAR技術

PS技術的特點是利用密集分布的散射體消除大部分電磁波信號傳播延遲(對流層變化引起)的優勢。PS技術可以推斷在時間段上的變形速度，包括獨立的、無空間相關的位移，主要適合用于人為因素引起的位移現象(如城市區域等)。本文利用對研究區域550像素×550像素SAR影像，共識別出6242個PS目標點，統計得出研究區的PS密度為52個/km2。利用PS-InSAR對空間相鄰PS點進行處理，需要建立相鄰PS點的關系模型，采用Delaunay構網方法建立三角網。同時為防止大氣誤差的傳遞，提高基線觀測值的穩定性，對距離進行限制，從中去除基線距離大于1 km的PS點。

圖4和圖5顯示出PS-InSAR監測結果。

圖4 PS點變形速率圖

圖5 插值后研究區變形速率圖

3.2 短基線集干涉(SBAS)處理

短基線起源于2002年，連接由長基線造成的相互獨立的SAR影像，形成短基線SAR影像集合，以增加數據獲取的采樣率，從而可在已有的SAR影像數據集中形成若干小集合，每個小集合內SAR影像間的基線較小，集合間SAR影像的基線較大。本文對哈爾濱地區SAR數據的處理采用了SBAS技術進行試驗研究，主要是為保證D-InSAR監測結果的精度和可靠性，以及考慮到常規D-InSAR存在失相干和大氣效應影響的情況。短基線干涉處理試驗選2004～2006年時間段進行。圖6所示為試驗所采用的短基線組合。圖7和圖8所示為該時間段累計形變時間序列圖。

圖6 2004～2006年短基線干涉處理試驗組合

圖7 04/06/03至05/07/28相隔420 d形變圖

圖8 04/06/03至06/01/19相隔595 d形變圖

4 InSAR監測精度與可靠性分析

在常規差分干涉測量中，因為大氣不等延時、幾何去相干及時間等因素的影響，城市地面在利用此技術進行微小形變監測時會使結果出現不確定性。永久散射體干涉測量方法及長時間序列的短基線方法具有常規方法不具有的優勢，它們可以消除大氣的影響,使DEM精度通過運算得到提高,解決常規方法中相干條件的限制問題以及使現有SAR數據得到最大限度的利用，盡管如此，最后進行一些驗證也是必要的，本文是通過地下水位升降監測資料進行驗證。

對哈爾濱1996～1998年和2004～2007年兩個時間段的地表形變進行統計，累計發生形變區域面積見表1所示。

統計結果顯示，在1996～1998年和2004～2007年間，哈爾濱地區發生沉降形變的面積分別達到97.3 km2和52.9 km2，造成這種現象的主要原因是對哈市地區地下水的限采。通過對比1996～1998年和2004～2007年兩個時間段哈爾濱地區地面沉降面積可以看出，后時間段發生的沉降面積要比前時間段小得多，這主要是因為哈爾濱市對城區地下水的開采量在1993年以后進行了逐步的控制，在此情況下的超采狀態仍然比較嚴重。對比結果同時顯示，地面隆起的面積及范圍也因為對城區地下水開采量的控制而逐漸擴大。圖9為2004～2005年的水位沉降等值線圖，其是根據41個地下水位監測點的監測數據繪制的。2004～2005年InSAR監測結果繪制的等值線圖如圖10所示。從圖中可以看出，等值線值在菅草嶺處較低，與2006年哈爾濱市地下水情通報的地下水漏斗中心位置一致。

表1 兩時間段累計形變發生面積統計

圖9 2004～2005年地下水位升降等值線

圖10 2004～2005年InSAR監測形變等值線

5 結 論

本文利用D-InSAR、PS-InSAR和SBAS方法，首次全面系統地研究了哈爾濱市的地面沉降，得到年沉降量為毫米的地面沉降信息和近十幾年的地面形變時空特征，并對雷達干涉測量監測的結果與地下水位升降數據進行對比分析。驗證結果表明，在形變區域得到較高的一致性，InSAR監測結果可靠。

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[責任編輯：張德福]

Application of differential SAR interferometry to the land subsidence in urban area

HOU Jian-guo1,CHU Yu2

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China;2.Heilongjiang Institute of Geological Survey,Harbin 150036,China)

Synthetic Aperture Radar Interferometric technique (InSAR) is an information technology to extract the three-dimensional spatial information of ground targets on the basis of the phase data of a radar image.Currently,many departments and research institutions at home and abroad are actively engaged in the research of mechanism of InSAR and its applications,which have made many achievements.InSAR is a new promisin g research domain.With the development of Harbin city and the exploitation of groundwater in different periods, many of the subsidence phenomenon have been created in this area.InSAR is applied to the survey of the past and present ground subsidence in Harbin city,in order to provide a better guidance for subsidence prevention.

SAR；interferometry；land subsidence；underground water; verify the accuracy

2014-01-02

黑龍江工程學院博士基金資助項目(2012)

侯建國(1968-)，男，教授，博士.

P227

：A

：1006-7949(2014)08-0040-05