D-InSAR技術在地面變形監測中的應用

陳 雷

(安徽精益測繪有限公司,安徽 淮南 232000)

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D-InSAR技術在地面變形監測中的應用

陳 雷

(安徽精益測繪有限公司,安徽 淮南 232000)

描述了D-InSAR技術的相關原理，分析了差分干涉測量的整個處理流程，并根據伊朗巴姆地區地震前后的地面形變情況，利用ENVISAT雷達數據，獲取了SAR影像的干涉條紋，通過兩軌差分干涉測量方法得到實驗區域的地面沉降數據，驗證了合成孔徑雷達差分干涉測量技術在地表變形監測方面的可行性。

差分干涉測量，地面沉降，二軌差分，SAR影像

近年來，遙感技術在國土災害和環境監測方面得到迅速發展，并在相關的科研領域獲得了顯著成果。尤其是D-InSAR技術得到廣泛應用之后，此技術已經逐漸成為一種重要的地面沉降監測技術手段。近年來，自然災害越發頻繁，例如地震的影響會導致地面沉陷，這對地表建筑和人類的生存環境產生了嚴重的影響。面對不斷變化的自然環境和地質條件，進行沉降區的地表沉降監測及預計，建立有效的預防機制，以最小化人類生命財產的損失。

1 D-InSAR技術的運用原理

合成孔徑雷達是用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動，在不同位置上接受同一地物的回波信號并進行相關解調壓縮處理的側視雷達。可以獲取高分辨率的地球表面圖像，是目前廣泛使用的雷達系統[1]。

本次實驗利用兩幅SAR影像，再利用外部的DEM數據模擬干涉條紋圖，從而達到獲取地形因素的目的，稱之為“兩軌法”[3,4]。

2 兩軌法差分處理流程分析

兩軌法差分處理的流程主要包括選取影像數據、數據的基線等步驟。具體處理流程如下：

1)將同一地區的兩幅單視復數影像進行基線估算。

2)在工作流中輸入數據，進行干涉圖的生成。

3)對生成的干涉圖進行濾波處理，降低相干噪聲。

4)進行相位解纏，解纏時設置一個不太大的相關性閾值(0.15～0.2)。

5)選擇控制點用于軌道精煉和重去平。

6)相位轉高程和地理編碼。

7)數據輸出。

3 D-InSAR技術誤差影響分析

作為一種新興的監測手段，合成孔徑雷達差分干涉技術受噪聲的影響較為嚴重，嚴重影響了監測的精度[5-8]。為此，在處理過程中應注意以下幾個方面:

首先，為減少時間的失相干影響，應選擇時間間隔最小的兩景影像組成干涉對，如果影像的時間間隔是在春冬兩季之間，則可以忽略時間所產生的失相關。

其次，應選用基于相關系數的迭代濾波方法進行干涉圖的噪聲抑制，以提高干涉條紋的質量，改善干涉圖質量。

第三，在進行相位去除時選用SRTM的高程數據，其分辨率為90 m，垂直精度約為16 m，由于二軌差分中，外部DEM 10 m的垂直誤差只會導致約為0.9 mm的偏差，所以外部DEM的誤差可以忽略[9-12]。

第四，采用干涉圖堆疊方法去除大氣相位，以減小大氣相位對干涉圖的嚴重影響。

最后對干涉對進行相位解纏，獲取沿視線方向的形變量。

4 實驗處理

4.1 實驗數據

本次實驗數據是根據伊朗巴姆地區2003年12月3號(震前)和2004年2月11號(震后)，地表發生形變的兩幅ENVISAT ASAR SLC數據表作為例子(見表1)，數據為IS2模式，VV極化方式，入射角為22.74°，覆蓋范圍為56 km×40 km，含有衛星軌道信息保證精度，像元間隔為25 m×25 m。以25 m分辨率的DEM作為輔助數據。

根據時間及空間基線進行組合得到了一個差分干涉對，并運用SarScape軟件中的D-InSAR Displacement Workflow工作流進行數據處理，形成了12月3日～次年2月11日之間地震前后的地表沉降場變化圖，見圖1。

表1 影響參數

圖1就是利用SarScape軟件對兩幅影像進行數據處理后最終得到的該區域地震前后的形變圖，利用軟件中的Cursor Value工具進行DN值的檢測，負值表示地表原遠離傳感器移動，即該區域地表的沉降，正值表示靠近傳感器移動，即表示該區域地表的抬升。并能讀出沉降與抬升的精確值，精度可達到毫米級。

如圖2所示為影像的相干性圖，白色區域表示相干性比較高的區域，圓標出的就是失相干比較嚴重的區域，表示地物發生了變化，地震對這個地區的影響比較大。圖2中失相干比較嚴重的區域，即地震影響較大的區域與圖1中變形區域是相對應的。

4.2 D-InSAR處理數據結果分析

如圖1所示，選取一條直線，在直線上每隔1 km布設一個點，其變形量與差分干涉處理后的變形量相比較(見圖3)。數據的值是大致相等的，這就說明了利用D-InSAR技術無論監測地表變形的區域大小，還是監測變形區域沉降或抬升量的多少，都能夠達到理想的精度要求。

上述的實驗中，監測到的伊朗巴姆地區在震前與震后的震影

響的區域范圍與實地觀測的區域范圍是相符的，且其變形沉降量與實地測量的變形沉降量大致相等。充分說明了D-InSAR技術在地表變形監測應用的可行性。D-InSAR技術用于監測地震導致的地表的變形時，影像精度的影響因素有許多，例如分辨率、大氣、軌道及噪聲等影響因素，需進行綜合考慮。

5 結語

合成孔徑雷達差分干涉測量技術監測結果與水準觀測結果十分相近，但這兩種數據呈現出數值上的不同。在沉降量較大的區域，如距沉降盆地較近的區域，水準實測值與影像監測值有一定的差別，但對于實現高精度面狀監測有一優越性。由上述實驗數據的精度可以推測，在礦區的開采方面，能否利用D-InSAR技術進行煤礦開采區沉陷邊界的推算與預計，此種問題還有待于進一步的研究與探索。

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On application of D-InSAR technique in ground deformation monitoring

Chen Lei

(AnhuiJingyiMappingCo.,Ltd,Huainan232000,China)

The article describes the relevant principles D-InSAR technique, and analyzes the entire process flow differential interferometry measurements. And according to surface deformation Bam earthquake in Iran before and after the use of ENVISAT radar data acquired SAR influence of the interference fringes and using two rail differential interferometry experiments obtained ground subsidence data area. Verify that the differential synthetic aperture radar interferometry technique in measuring the feasibility of surface deformation monitoring applications.

differential interferometry measurement， land subsidence， two-pass differential, SAR influence

2016-03-24

陳 雷(1963- )，男，工程師

1009-6825(2016)16-0220-02

TU198

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