淺談基于PS-InSAR的城市地表形變監(jiān)測

尚嘉寧

摘 要：改革開放以來，我國經(jīng)濟建設(shè)突飛猛進，城市用地隨之急劇擴張，導致地面發(fā)生形變。地表形變一定程度上會誘發(fā)地質(zhì)災害等一系列問題，對人們的生活水平、生命財產(chǎn)安全以及經(jīng)濟、社會等發(fā)展會帶來負面影響。永久散射體干涉測量技術(shù)（PS-InSAR）技術(shù)既可以克服水準測量、GPS等傳統(tǒng)監(jiān)測手段布設(shè)點少、路線稀疏、監(jiān)測周期長、經(jīng)費和人力不足等缺點，也可以彌補D-InSAR技術(shù)面臨的時空失相干、受大氣影響明顯等問題，能夠有效地監(jiān)測城市地表形變。因此，基于PS-InSAR監(jiān)測城市地表形變對于城市規(guī)劃治理、災害預防等具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：PS-InSAR;形變監(jiān)測

本文首先簡述了PS-InSAR技術(shù)的基本原理，然后分析了永久散射體干涉測量在城市地表形變監(jiān)測中的應用，詳細地闡述了數(shù)據(jù)處理過程。

1基本原理

PS-InSAR技術(shù)的基本原理是基于研究區(qū)多景SAR影像，對所有影像的幅度信息進行統(tǒng)計分析，查找并分析不受時間、空間基線去相關(guān)和大氣效應影響，并且能保持高相干性的點作為永久散射體，以此探測研究區(qū)地表形變情況。

2數(shù)據(jù)處理與分析

要實現(xiàn)基于PS-InSAR的城市地表形變監(jiān)測，需借助架構(gòu)于ENVI之上的專業(yè)雷達圖像處理系統(tǒng)SARscape。它為使用者提供了完整的SAR數(shù)據(jù)處理功能，既可以實現(xiàn)對原始SAR數(shù)據(jù)進行處理、分析等操作，也可以很方便地輸出SAR圖像產(chǎn)品、數(shù)字高程模型（DEM）和地表形變圖等信息。具體數(shù)據(jù)處理過程如下：

（1）子區(qū)域選擇與裁剪。一般來說，應選擇能保持良好干涉的區(qū)域作為研究區(qū)。因為要找到穩(wěn)定的PS點，所以城區(qū)符合要求。確定研究區(qū)域后，需在ENVI中對數(shù)據(jù)進行裁剪處理。

（2）連接圖生成。本步驟生成SAR數(shù)據(jù)對和連接圖，用于之后的差分干涉。自動或者手動選擇一個超級主影像，根據(jù)設(shè)定的臨界基線閾值對其他數(shù)據(jù)與超級主影像建立主-從數(shù)據(jù)對。臨界基線閾值我們一般設(shè)置為500%，是臨界基線的5倍。以延安新區(qū)的2018年2月28日至2018年12月13日共19景Sentinel-1A數(shù)據(jù)為例，處理完之后會生成多景SAR數(shù)據(jù)時間序列上的時空基線分布情況，一般情況下，圖中會顯示綠、黃、紅三種顏色，分別表示：有效數(shù)據(jù)對、超級主影像和丟棄的數(shù)據(jù)對。如圖1所示，綠色表示研究區(qū)有效數(shù)據(jù)對，黃色表示超級主影像，此次處理過程中沒有丟棄的數(shù)據(jù)對。

初步選取PS參考點。干涉步驟完成之后，需要檢查這一步的結(jié)果，尤其是配準精度。PS處理是根據(jù)輸入的參數(shù)：速率和高程區(qū)間（velocity and height range），這取決于研究區(qū)的實際情況以及預期的形變情況。

（4）第一次反演。主要方法是基于識別一定數(shù)量PS參考點（永久散射體），根據(jù)PS回波信號的高信噪比特性，利用振幅閾值探測城區(qū)里長期穩(wěn)定、相干性高的點，例如橋梁、房屋等城市居住區(qū)比較常見的地物，以及大壩、金屬混凝土特性物體等人造地物或巖石等自然地物。然后重點分析這些相對可靠PS點的歷史相位。第一次模型反演獲得位移速率和殘余地形，用來對合成的干涉圖進行去平。輸出文件有速率、高程、相干性圖和差分干涉圖，包含大氣信息的結(jié)果，數(shù)據(jù)帶有后綴名_first。PS的模型只有一種線性模型（Linear Model），用來估算殘余高度和形變速率：

其中，Disp為T時間的形變，V為形變速率。

（5）第二次反演。利用第一次模型反演產(chǎn)品估算大氣成分、去除大氣成分，進行第二次反演得到最終形變速率。利用重去平的干涉圖估算形變相關(guān)信息，從每一期干涉測量結(jié)果減去之前的線性模型估算的結(jié)果，利用每一期內(nèi)的地表形變量（高通成分）計算大氣效應，設(shè)置時間濾波窗口和濾波窗口，基于時間域的高通濾波和空間域的低通濾波對其進行大氣校正，得到大氣校正之后的平均形變速率等產(chǎn)品。此處的線性模型為：

（6）地理編碼。此步驟將實現(xiàn)反演結(jié)果由雷達坐標系地理編碼到WGS 1984坐標系的結(jié)果，通常情況下，設(shè)置相干系數(shù)閾值為0.75或者0.8，小于閾值的PS被剔除。

3結(jié)語

隨著時代進步和社會發(fā)展，由于城市交通便利、教學水平高、醫(yī)療條件良好等優(yōu)勢，越來越多的人選擇在城市生活，城市出現(xiàn)了大量的建筑物形成密集建筑群，城市擴張速度持續(xù)加快，交通載荷也在不斷增大。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段難以滿足現(xiàn)代社會發(fā)展過程中要對地表形變進行快速、大范圍、長時間監(jiān)測的需求，這就需要更加先進的現(xiàn)代技術(shù)來監(jiān)測城市地表形變。目前永久散射體干涉測量技術(shù)已被應用到各個方面，比如地震、火山、冰川等監(jiān)測，都取得了較好的成果，運用該技術(shù)監(jiān)測城市地表形變得到的形變信息可以為政府城市規(guī)劃、生態(tài)治理和防災減災等提供理論參考，對保障人們生命財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

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