基于D-InSAR技術(shù)的地表沉降監(jiān)測技術(shù)研究

王 鵬

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

地表沉降又稱為地面下沉或地陷。它是在人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的下降運(yùn)動(dòng)(或工程地質(zhì)現(xiàn)象)。

一、D-InSAR基本原理

基本原理是將覆蓋同一地區(qū)的兩幅SAR影像進(jìn)行配準(zhǔn)并取樣到相同空間,對(duì)同名像素進(jìn)行相位差分得到干涉相位圖,從干涉相位圖中扣除參考相位和地形相位

等因素的影響,最終提取形變信息。

其中，φflat為參考橢球相位，φtopo為地形相位，φdef為形變相位，φnoise為噪聲相位。

干涉測量基本原理

D-InSAR基本原理

其中，S1，S2分別為衛(wèi)星兩次經(jīng)過地面點(diǎn)P時(shí)的位置，R1，R2是斜距，B是空間基線，α是空間基線與水平面的夾角，H是衛(wèi)星到參考橢球面的距離，h是地面點(diǎn)P的高程。

二、D-InSAR數(shù)據(jù)處理

(一)基線估算。這一步用來評(píng)價(jià)干涉像對(duì)的質(zhì)量，計(jì)算基線、軌道偏移(距離向和方位向)和其他系統(tǒng)參數(shù)。只有在獲得的地面反射至少有兩個(gè)天線重疊的時(shí)候才可以產(chǎn)生干涉，當(dāng)基線垂直分量超過了臨界值的時(shí)候，沒有位相信息，相干性丟失，就無法做干涉。

(二)干涉圖生成。對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行干涉工作處理，所有數(shù)據(jù)以主影像為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)、采樣，生成干涉圖。由于影像對(duì)之間可能存在偏移，需要對(duì)影像對(duì)進(jìn)行配準(zhǔn)。影像配準(zhǔn)是計(jì)算坐標(biāo)映射關(guān)系，通過找尋同名像點(diǎn)，將從影像進(jìn)行重采樣，最終使兩幅SAR影像上的點(diǎn)與地面同一分辨單元相互對(duì)應(yīng)。SAR數(shù)據(jù)由實(shí)部和虛部構(gòu)成復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算相干系數(shù)，得到相干圖，經(jīng)過處理后，得到干涉圖，且相位值位于(-π，π)之間。輸入兩景SLC數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)得出距離向和方位向的數(shù)值。輸出數(shù)據(jù)包括干涉圖、去平后的干涉圖和相應(yīng)成果所對(duì)應(yīng)的TIFF文件及主從影像的強(qiáng)度圖，干涉強(qiáng)度圖由共軛相乘后的結(jié)果的絕對(duì)值進(jìn)行表示。

(三)濾波和相干性計(jì)算。得到干涉圖等相關(guān)成果，仍可能存在其他因素的影響，導(dǎo)致差分干涉結(jié)果較差。因此，還需要進(jìn)行濾波處理，即差分干涉圖的進(jìn)一步去噪處理。經(jīng)過去噪處理后將得到相應(yīng)的相干系數(shù)圖。相干性系數(shù)值分布在0-1之間，該值越大，說明對(duì)應(yīng)地區(qū)相干性越高。

(四)相位解纏。相位的變化是以2π為周期的，只要相位變化超過2π，相位就會(huì)重新開始和循環(huán)。相位解纏是對(duì)去平和濾波后的相位進(jìn)行處理，使之與線性變化的地形信息對(duì)應(yīng)，解決2π模糊的問題。在相位解纏過程中，存在分解等級(jí)選擇，通過迭代的方法，對(duì)數(shù)據(jù)做多視和稀疏采樣。解纏過程中分解可減少一定的誤差，同時(shí)，不同分解等級(jí)的選擇將會(huì)獲得不同的處理效率。分解等級(jí)包含-1、0、1、2、3。其中數(shù)值-1和0表示進(jìn)行原始的像素采樣。

(五)軌道精煉和重去平。進(jìn)行軌道精煉和相位偏移的計(jì)算，消除可能的斜坡相位，對(duì)衛(wèi)星軌道和相位偏移進(jìn)行糾正。控制點(diǎn)在選取時(shí)應(yīng)結(jié)合光學(xué)遙感影像，選取時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離形變區(qū)，盡量均勻分布在整幅圖像上。GCP選取是為了修正軌道參數(shù)。軌道精煉和重去平是結(jié)合GCP點(diǎn)、相位解纏結(jié)果和濾波后的干涉圖，使用多項(xiàng)式迭代進(jìn)行計(jì)算，最終將新的參數(shù)作為依據(jù)進(jìn)行干涉相位的去平地效應(yīng)，得到重去平后干涉圖和解纏結(jié)果圖。

(六)相位轉(zhuǎn)形變及地理編碼。將經(jīng)過絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的相位，結(jié)合合成相位，轉(zhuǎn)換為形變數(shù)據(jù)，并將SAR坐標(biāo)系下的相位地理編碼到制圖坐標(biāo)系中。

三、存在的不足

(1)受雷達(dá)空間分辨率的影響,該技術(shù)只能監(jiān)測大面積的地表形變。

(2)目前數(shù)據(jù)用于測量時(shí)大氣效應(yīng)和失相關(guān)影響干涉和差分干涉測量的精度甚至導(dǎo)致失敗。