時序InSAR多源數據地面沉降監測研究

劉平利，喬天榮，張鴻祥，王傳先，于 雷，王景道

（1.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001；2.河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001；3.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

隨著衛星遙感技術的飛躍發展，由于其具備高精度變形監測能力，作為城市地面沉降重要手段的InSAR 技術得到了快速的發展，并逐漸成熟[1-2]，在城市地面沉降監測、地表各類地物形變監測中得到了重視和應用。將其應用于城市地面沉降監測，具有高精度、監測范圍大、監測連續性好、受氣候影響較小、監測實施方便容易、成本相對低、安全性高等獨特監測優勢[3]。

1 技術路線

基于多源數據的時序InSAR 城市地面沉降監測技術，將其研究過程分為4 個步驟:①通過收集已有資料（DEM、光學影像、地質信息、氣象等）現場踏勘，根據現場情況分析選擇衛星影像完成項目的準備工作；②借助項目要求開展時間段內的雷達衛星數據，如TerraSAR、ALOS2、Radsat、 COSMO-KeyMed、Sentinel-1A 等常用的衛星遙感影像顯示D-InSAR、PSInSAR、SBAS-InSAR 等不同時序干涉SAR 監測城市區域地表變形的能力和主要問題；③根據現有時序InSAR技術監測結果，結合城市區域特點，對城區鐵路形變、公路形變、建構筑物形變、地鐵形變進行遙感動態監測[4]，并分析4 種類型地表形變的特點，為城市區域各主要交通、建構筑物的穩定性評估提供基礎[5]；④將成果進行總結，形成不同對象，不同類別的分析報告。

2 可用數據介紹

現有InSAR 雷達衛星數據較多，常用的InSAR 衛星數據有意大利的COSMO-SkyMeD（X波段）；德國的TerraSAR（X波段）；日本的ALOS-2（L波段）；歐洲航天局的Sentinel-1（C波段）等。根據InSAR 的成像原理，頻段越高（X、K波段）衛星影像分辨率越高，穿透能力越弱，但對地物細節描述能力越強，圖像的邊緣輪廓越清晰。反之頻段越低（P、L波段）衛星影像分辨率也越低，但穿透能力越強，適合用于植被較多的區域。中間頻段（S、C波段），兼顧穿透性和細節描述，綜合性能好。在城市區域植被覆蓋一般較少，且有較多較穩定的反射體，用高中頻段的衛星影像能獲取較多的形變監測點，且能很好的突出細節信息。由于SAR 衛星是側視成像區別于光學遙感衛星的正視成像，在城市區域由于建筑物較為密集，因此利用單一軌道衛星數據進行監測，對于反映整體形變能力不足，在監測時宜分別對升軌、降軌數據進行處理，以便全面反映城市區域內各對象的形變情況。目前市面上的各個SAR 衛星主要參數如表1 所示。

表1 SAR 衛星主要參數表

根據研究區域實際情況，選擇不同的雷達衛星影像數據作為開展InSAR 監測分析的原始數據。分別利用時序差分干涉測量（時序D-InSAR）、永久散射體干涉測量（PS）和小基線集干涉測量（SBAS）技術進行數據處理后，得到城市地表形變監測成果。

3 方法選取

D-InSAR 差分技術常用的有二軌法和三軌法，需SAR 數據量少，最少需要2 景SAR 數據和DEM 數據便可完成形變監測。側重于研究短時間間隔的單次形變，受到時間、空間失相關以及大氣相位等誤差因素的影響。由于SAR 衛星觀測周期以及空間和時間基線的限制，無法獲取連續的地面沉降場。時序InSAR技術如小基線子集法（SBAS）和永久散射體干涉測量技術（PS-InSAR）對數據量要求較高，SBAS 技術一般要求數據源至少為10 景SAR 數據[6]，PS-InSAR技術為15 景。但因去除了部分誤差，監測精度高于D-InSAR 差分技術[7]。因此，針對研究區域在前期數據量較少時采用D-InSAR 差分技術進行監測[8]，當后期數據不斷積累分別采用時序InSAR 技術進行監測。同一區域用不同監測方法，可以對監測數據進行交叉驗證，充分發揮多源數據的優勢[9]。對于D-InSAR技術形變監測達到cm 級精度（＜10 cm），SBASInSAR、PS-InSAR 技術形變監測達到mm 級監測精度（＜10 mm）。

3.1 數據處理

DInSAR 技術就是對兩組干涉對（形變前與形變后）進行差分處理[10]。具體而言，它通常是基于重復軌道干涉測量模式對同一地區進行不同時間地成像，使1 到2 個干涉相對的相位包含不同的地面信息，再對處理后的干涉相位進行差分，以達到獲取形變信息的目的。根據地形對干涉相位去除方法或重復軌道影像數目的不同，常規的DInSAR 技術可分為“二軌法”、“三軌法”和“四軌法”。在無法獲得高精度DEM的情況下，一般使用SRTM DEM，其精度優于1∶2.5 萬以上的地形圖。

PS-InSAR 技術是從N幅SAR 影像中選取一幅作為主影像。將所有影像與主影像進行幾何配準、輻射定標和干涉處理，生成差分干涉圖集，接著進行初始PS 點的選取，主要方法有相位離差閾值法、振幅離差閾值法、多極化選取法和相干系數與振幅離差雙重閾值法等。

SBAS 是由Berardino 等于2002 年提出的。假設存在N+1（設N為奇數）幅單視復數SAR 影像，其成像時間分別為t0,…,tN。根據設定的垂直基線閾值（如300 m），將上述影像進行分組，每個組內的影像進行差分干涉處理，則得到的干涉圖的數量K滿足:

SBAS 處理方法具有兩方面的優點:①要求的SAR影像數量相比于PS 大幅度減少；②兼顧短時間內具有高相干性的區域性目標，使得相干目標數目增多。

3.2 精度驗證與評價

對于利用時序InSAR 技術監測的地面沉降結果，采用水準（或GPS）測量數據驗證精度[11]。InSAR 技術獲取的是圖像覆蓋區域內對雷達信號，具有比較穩定的后向散射的目標（穩定點目標）上的形變信息，這些點目標與水準點的空間位置不一定完全一致。為了保證評價結果的客觀性和準確性，約定鄰近點原則對初始獲得的水準點進行篩選:即以水準點為中心，如果在一定距離范圍內（經驗值為80 m）存在至少一個InSAR 點目標，則選擇該水準點參與精度評價，比較水準點與最鄰近點InSAR 點目標測量得到的形變值，根據二者的差異評估InSAR 地面形變監測結果的精度。

假定有1,2,…,N個水準（或GPS）測量數據，其測量時段應與SAR 影像獲取時段相一致，如上所述，可得到N個形變速率誤差ΔV1,ΔV2,…,ΔVN，則

誤差最大值為: ΔVmax=max(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

誤差最小值為: ΔVmin=min(ΔV1,ΔV2,…,ΔVN)

4 地面沉降監測結果分析

利用GIS 技術，對沉降區InSAR 監測結果進行統計分析，包括:

1）地面沉降空間分析。基于InSAR 獲取的地面沉降結果，利用GIS 分析方法，對城市地面沉降規模、沉降中心分布（最大沉降速率、最大累計沉降量）、沉降范圍面積等信息進行統計分析。

2）沉降年際變化分析。 基于InSAR 得到的時間序列沉降結果，結合高分辨率光學遙感影像，分析形變區地面沉降的空間分布變化特征，分析地面沉降中心時間序列演化特征。

3）地面沉降影響分析。結合高分辨率光學影像及基礎地理數據和地理國情數據，分析形變區地面沉降影響范圍內生態環境、耕地水系、交通設施、地上建筑等受損情況，并開展地面沉降災害分區分析。

5 成果提交

1）監測周期內城市的累積形變量等值線圖、沉降速率圖、地表沉降危險性分區面積統計表。

2）公路、地鐵形變成果分析。動態形變過程圖，沉降速率圖、累積形變量等值線圖、地表沉降危險性分區里程統計表、沉降危險性分區面積統計表。

3）物形變成果分析。建構筑物動態形變過程圖，沉降速率圖、累積形變量等值線圖、建構筑物地表沉降危險性分區面積統計表。

6 結 語

傳統的地面監測方法如水準測量、GNSS 測量等在城市監測中只能獲取單點離散的監測值，而基于時間序列的合成孔徑雷達干涉測量（時序InSAR）進行方法選取得當，精度可達mm 級，相比于其他測量技術，具有極大的優勢。