合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量小基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)在南水北調(diào)雙王城水庫(kù)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

宋 翔，張運(yùn)保，任夢(mèng)龍

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東潤(rùn)魯工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250109)

1 研究區(qū)概況

雙王城水庫(kù)位于南水北調(diào)膠東輸水干線中部的山東省壽光市北部，年可調(diào)蓄凈水量5711萬(wàn)m3，其中濰坊、青島調(diào)蓄凈水量3711萬(wàn)m3。該水庫(kù)形狀大概為梯形，拐點(diǎn)處利用圓弧順滑連接。設(shè)計(jì)總庫(kù)容6150萬(wàn)m3，水庫(kù)占地總面積7.5km2，水庫(kù)圍壩總長(zhǎng)9.636km。水庫(kù)周邊地勢(shì)平坦，土質(zhì)較差，屬微傾斜低平原區(qū)的沖積-海積平原亞區(qū)。壽光市是中國(guó)蔬菜之鄉(xiāng)，近年來(lái)大量抽取地下水資源進(jìn)行蔬菜灌溉，造成了局部區(qū)域不均勻沉陷，研究庫(kù)區(qū)地表變形的發(fā)生、發(fā)育規(guī)律，對(duì)保證雙王城水庫(kù)的安全運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究背景

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)作為空間測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要分支，已廣泛應(yīng)用到地震、火山、地面沉降以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，在國(guó)外也有成功用于水庫(kù)開采沉陷監(jiān)測(cè)的例子。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量小基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)基于其空間覆蓋范圍廣、高分辨率、高精度以及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)地表變形的能力，可以精確探測(cè)地表空間位置的微小變化，利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的雷達(dá)圖像信息，進(jìn)行地表垂直形變量的提取，理論精度可達(dá)到毫米級(jí)。同時(shí)可以利用存檔數(shù)據(jù)，獲取以前沒有進(jìn)行測(cè)量的沉降數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致對(duì)沉降過程的不了解。

3 小基線集(SBAS)時(shí)序分析數(shù)據(jù)處理方法

2002年，Berardino最早提出了小基線集(SBAS)方法，并將其用于長(zhǎng)時(shí)間緩慢形變的研究。SBAS方法將所有覆蓋同一地區(qū)的不同時(shí)相的SAR影像按預(yù)先設(shè)定好的基線閾值組合成若干小基線集合，集合內(nèi)SAR影像基線小，集合間的SAR影像基線距大。利用常規(guī)DInSAR對(duì)這些基線集進(jìn)行干涉處理，從干涉圖中識(shí)別出具有穩(wěn)定相位的相干目標(biāo)，得到相干目標(biāo)在兩次成像時(shí)間間隔內(nèi)的地表形變信息，以此增加觀測(cè)樣本數(shù)量；將這些干涉像對(duì)的形變信息按時(shí)間先后順序組合起來(lái)，據(jù)此減弱大氣相位和隨機(jī)噪聲對(duì)形變相位的影響。每個(gè)小集合的地表形變時(shí)間序列可以利用最小二乘法得到，并利用奇異值分解(SVD)法將多個(gè)小基線集聯(lián)合起來(lái)得到整個(gè)觀測(cè)時(shí)間的沉降序列。

4 雙王城水庫(kù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)

根據(jù)雙王城水庫(kù)的地理位置和研究區(qū)域的要求，調(diào)查了歐洲航天局現(xiàn)有的2012年以來(lái)存檔的3m高分辨率COSMO-SkyMed雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。考慮到基線限制、時(shí)間去向干性等因素，利用20120209—20141231共9景SAR影像進(jìn)行研究。此外還通過歐洲航天局2015年5月—2016年4月27景10m分辨率的哨兵數(shù)據(jù)(Sentienl-1A)獲取2015年5月—2016年4月雙王城水庫(kù)的沉降。首先進(jìn)行9景COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)處理，然后再進(jìn)行27景哨兵數(shù)據(jù)(Sentienl-1A)的數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

圖1 2012—02—09接收的SAR影像強(qiáng)度圖

4.2 美國(guó)宇航局SRTM DEM數(shù)據(jù)

選取了美國(guó)宇航局發(fā)布的SRTM DEM數(shù)據(jù)作為外部DEM，如圖2所示。數(shù)據(jù)范圍為北緯37°～38°，東經(jīng)118°～119°。

圖2 SRTM DEM(37°～38°N，118°～119°E)

4.3 氣象數(shù)據(jù)

此外還采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡(jiǎn)稱ECMWF)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣延遲剔除。

5 小基線集(SBAS)數(shù)據(jù)處理方案

本次試驗(yàn)主要采用ENVI SARscape和開源軟件GMTSAR、GIAnT進(jìn)行SBAS時(shí)序分析，在形變結(jié)果的后處理中采用NV和ARC/INFO GIS軟件進(jìn)行幾何校正、影像疊加和影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)融合處理等，如圖3所示。

小基線技術(shù)的核心思想主要包括兩點(diǎn)，一是將干涉影像對(duì)作為觀測(cè)量，利用最小二乘思想求解形變量，通過多余觀測(cè)提高精度；二是盡量選用時(shí)空基線較小的干涉影像對(duì)，以避免失相干引起的誤差。另外，對(duì)于軌道誤差及大氣誤差的去除，采用時(shí)空濾波的方法。

圖3 SBAS時(shí)序分析流程

5.1 小基線集(SBAS)選取

本次研究選取的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為5a，雙王城水庫(kù)周邊覆蓋有濃密的植被，這使得在時(shí)空基線較大的干涉相對(duì)存在嚴(yán)重的失相干。本次研究設(shè)置的時(shí)間基線閾值、空間基線閾值根據(jù)數(shù)據(jù)不同而有所不同，但原則是時(shí)間基線閾值盡量短，空間基線閾值盡量小。

需要說(shuō)明的是，SBAS時(shí)序分析處理得到的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果是一個(gè)相對(duì)值，時(shí)間參考點(diǎn)和形變參考點(diǎn)的不同將影響最終結(jié)果。本次研究COSMO-SkyMed選取20120209數(shù)據(jù)，哨兵數(shù)據(jù)選取20150519，即將2類數(shù)據(jù)第一景影像作為時(shí)間參考點(diǎn)。另外，選擇東營(yíng)市區(qū)東北部東勝機(jī)場(chǎng)作為形變參考基點(diǎn)。

5.1.1COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)基線選取

本次選取的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2012—2014年年底3m分辨率的9景COSMO數(shù)據(jù)，其中3m分辨率的COSMO數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間分辨率為360d，空間基線為允許最大基線的45%(臨界基線=4400m)。選擇了2013年5月2日的SAR影像數(shù)據(jù)作為超級(jí)主影像，并為本次研究提供統(tǒng)一的配準(zhǔn)基準(zhǔn)，共得到28對(duì)干涉對(duì)，如圖4所示。

圖4 三維時(shí)空基線組合

5.1.2哨兵數(shù)據(jù)(Sentienl-1A)數(shù)據(jù)基線選取

選擇2015年11月15日作為超級(jí)主影像，設(shè)置時(shí)間基線閾值為72d，空間基線閾值為100m共構(gòu)建了94對(duì)干涉影像對(duì)。其中，最大時(shí)間基線為72d，最大空間基線為98m;最小時(shí)間基線為12d，最小空間基線為0.55m，如圖5所示。

圖5 小基線集組合圖

5.2 干涉處理

首先，需將所有影像與超級(jí)主影像進(jìn)行配準(zhǔn)處理。其次，在配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上需對(duì)輔影像進(jìn)行重采樣，這時(shí)需考慮影像變化的多普勒頻率，對(duì)重采樣核進(jìn)行調(diào)制。然后減去地形相位，并調(diào)用Snaphu進(jìn)行相位解纏，如圖6所示。

圖6 (20131212—20140113)時(shí)段干涉條紋圖(去除地形相位、濾波、解纏)

5.3 小基線集(SBAS)時(shí)序分析處理

對(duì)小基線集的所有干涉影像對(duì)進(jìn)行干涉處理，分別得到28對(duì)COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)和97對(duì)哨兵數(shù)據(jù)(Sentienl-1A)的差分干涉圖和相干系數(shù)圖。然后基于篩選后的像元進(jìn)行大氣效應(yīng)去除。鑒于雙王城水庫(kù)庫(kù)區(qū)水汽豐富，大氣效應(yīng)尤為嚴(yán)重，采用ECMWF氣象數(shù)據(jù)使用數(shù)值大氣校正的方式進(jìn)行大氣校正，通過對(duì)真實(shí)的大氣觀測(cè)資料(高度、濕度、氣壓和溫度等參數(shù))進(jìn)行建模，來(lái)估計(jì)大氣延遲。本次研究所用軌道為精密軌道數(shù)據(jù)，故軌道誤差對(duì)于干涉圖的影響不大，如圖7—8所示。

注：黑框?yàn)殡p王城水庫(kù)庫(kù)區(qū)

圖8 雙王城水庫(kù)相對(duì)形變速率

最后，將經(jīng)過大氣校正和軌道誤差去除的差分干涉圖作為觀測(cè)值，并將形變量作為待求值進(jìn)行SBAS求解。此外，還將求解DEM誤差，以獲得更高精度的形變量。可得如下觀測(cè)方程：

(1)

式中，δφn—第n～(n+1)幅干涉圖的相位遞增量；φij—第i～j幅干涉圖的差值；f(Δtk)—根據(jù)給定形變模型計(jì)算的形變相位，由于本文所選影像間時(shí)間跨度較短，故使用與時(shí)間相關(guān)的二次多項(xiàng)式作為形變模型；Bk—第1～k幅SAR影像的基線累積量；e—常數(shù)項(xiàng)，其與Bk的乘積為DEM誤差；v1，v2—計(jì)算誤差。上述方程在實(shí)際中需采用迭代最小二乘方法逐步求解，得到最終的形變量及形變速率。

6 結(jié)論與展望

對(duì)上述方案進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)處理，且在監(jiān)測(cè)方案中進(jìn)行了不同的關(guān)鍵算法的試驗(yàn)，如干涉圖的濾波、相位解纏和大氣噪聲消除等，最終得出的各個(gè)時(shí)間段的沉降量是可靠的。本次研究最終獲取4個(gè)監(jiān)測(cè)階段2012—2013、2013—2014、2014—2015、2015—2016年間雙王城水庫(kù)系列形變圖。形變圖分別與影像強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加或融合，并將雙王城水庫(kù)的觀測(cè)點(diǎn)名稱標(biāo)注在形變圖上，以便于形變范圍和形變量級(jí)的定位與解釋。該技術(shù)應(yīng)用于大區(qū)域地面沉降災(zāi)害監(jiān)測(cè)是完全可行的，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)可以彌補(bǔ)歷史缺失的資料，只要能找到存檔的SAR影像數(shù)據(jù)，在滿足一定技術(shù)要求下，采用SBAS-InSAR技術(shù)可以監(jiān)測(cè)過去的沉降狀況。

(2)SBAS-InSAR技術(shù)以計(jì)算為主，除建立必要的控制點(diǎn)和野外踏勘外幾乎不需要外業(yè)的操作，可以實(shí)現(xiàn)人員難以到達(dá)的區(qū)域，特別是危險(xiǎn)區(qū)域的災(zāi)害形變監(jiān)測(cè)。

(3)SBAS-InSAR技術(shù)直接獲取形變數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)很容易被存儲(chǔ)為其他軟件要求的數(shù)據(jù)格式，如GIS數(shù)據(jù)格式等，這樣很容易與其他技術(shù)的數(shù)據(jù)銜接，為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合、影像疊加和GIS管理與分析等提供了條件。

SBAS-InSAR技術(shù)作為一種新型的監(jiān)測(cè)手段，其技術(shù)方法還不成熟，不像傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)那樣只要按現(xiàn)成的作業(yè)規(guī)范去操作即可獲取需要的結(jié)果。因此從目前研究來(lái)看還存在以下問題。

(1)SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)首先取決于所獲取的SAR數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而SAR技術(shù)作為一種主動(dòng)遙感技術(shù)對(duì)所監(jiān)測(cè)的環(huán)境有很大的依賴性，尤其是監(jiān)測(cè)區(qū)域的植被、含水量、土地變化、形變量級(jí)、氣候等因素。

(2)大氣影響也是SBAS-InSAR形變監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，這主要取決于研究區(qū)域的氣候、降水、季節(jié)性變化等。

(3)由于SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)只是一種相對(duì)測(cè)量，是空間和時(shí)間兩方面的相對(duì)測(cè)量，因此為獲得研究區(qū)域的絕對(duì)形變量，需要提供相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域的信息，即需要一定數(shù)量的地面監(jiān)測(cè)資料。另一方面為了對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)成果的標(biāo)定，也需要具有一定分布特點(diǎn)和一定數(shù)量的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于本次試驗(yàn)缺乏此類數(shù)據(jù)，所以還無(wú)法對(duì)DInSAR監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行校正及其精度方面的分析。

綜上分析，SBAS-InSAR技術(shù)用于地面沉降監(jiān)測(cè)是可行的，是一種十分具有應(yīng)用前景的技術(shù)。存在的一些問題在一定程度上是可以解決的，本次研究正是通過采用多種有效的技術(shù)措施和技術(shù)方法，較好地獲取了雙王城水庫(kù)2012—2016年地表形變的重要信息。