合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)在地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

張倍倍

摘要：近年來，合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測研究領(lǐng)域的方法與實例在國內(nèi)外工程實踐和科研活動中經(jīng)常出現(xiàn)。近幾十年來由于地下水的長期超量開采，華北平原已成為世界上超采地下水最嚴重、地下水降落漏斗面積最大、地面沉降面積最大、沉降類型最復(fù)雜的地區(qū)，地表沉降監(jiān)測周期長、成本高、數(shù)據(jù)量大，通過InSAR技術(shù)的應(yīng)用可有效提高地表沉降觀測的精確性，為預(yù)防和減少經(jīng)濟損失發(fā)揮積極重要作用。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達士涉測量（InSAR） 變形監(jiān)測 地面沉降

1.InSAR簡介

孔徑雷達干涉測量（InSAR）是合成孔徑雷達應(yīng)用中較晚出現(xiàn)的技術(shù)，它是以合成孔徑雷達復(fù)數(shù)據(jù)提取的干涉相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的技術(shù)，合成孔徑雷達（SAR）屬于微波遙感的范疇，它可以穿透云層，甚至在一定程度上穿透雨區(qū)，同時具有不依賴于太陽作為照射源的特點，使其具有全天候、全天時的觀測能力；微波遙感還可以在一定程度上穿透植被，可以提供可見光、紅外遙感所得不到的關(guān)鍵信息。隨著SAR遙感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，它已在變形監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。

2.InSAR基本原理

InSAR技術(shù)基本思想是：利用兩副天線同時成像或一副天線相隔一定時間重復(fù)成像，獲取同一區(qū)域的復(fù)雷達圖像對，形成干涉紋圖。干涉紋圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值，根據(jù)相位差與地面目標(biāo)的三維空間位置之間存在的關(guān)系，利用軌道參數(shù)，即可測定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，其基本幾何原理為（見圖1）：設(shè)H為第一個天線的相對高度，ξ為基線B的傾斜角，λ為波長，γ₁、γ₂是雷達天線與地物點之間的距離，可以用基線分量B_x、B_z：及區(qū)域入射角θ來表示，兩天線接收同一表面元素信號的相位差Φ表示為：

3.數(shù)據(jù)解算過程

從InSAR的原理可知，欲求得高程，一方面要求獲得準確的相位差，另一方面也要求能估計出精確的軌道參數(shù)等，InSAR數(shù)據(jù)處理的主要步驟包括：影像配準，干涉圖生成，噪聲濾除，基線估算，平地效應(yīng)消除，相位解纏，高程計算等，有時還需要一定的地面控制點來計算有關(guān)的參數(shù)。InSAR數(shù)據(jù)處理基本流程見圖2。

4.InSAR應(yīng)用實例

天津市是地面沉降較嚴重的城市之一，其年沉降率已達到厘米級。我國一些科研院所采用歐空局ERS-1和ERS-2的天津地區(qū)復(fù)雷達圖像數(shù)據(jù)進行了試驗，經(jīng)D-In-SAR處理后，兩年中由重復(fù)精密水準測量求得的地面沉降等值線圖與D-InSAR得到的基于干涉條紋的沉降等值線圖相比較，得出了二者一致性和相似性的結(jié)果。由D-InSAR監(jiān)測得出的沉降殘余均方誤差（RMS）只有1.1cm，顯示出雷達干涉測量的優(yōu)勢。

河北省滄州市是華北地區(qū)地表沉降最為嚴重的地區(qū)之一，通過采用三圖像差分處理ERS-1 SAR 1996-12-01、1996-11-01和1995-06-15干涉影像對，獲取滄州地區(qū)1995～1996年地表沉降的雷達差分干涉紋（圖3），得出的結(jié)論是沉降主要分布在滄州市區(qū)、泊頭鎮(zhèn)和青縣三個地區(qū)，同時，通過圖像轉(zhuǎn)換我們可以得到各個地區(qū)的沉降值，其中滄州市區(qū)的一年半期間最大沉降量達到7cm，泊頭鎮(zhèn)最大沉降量達到3.5cm，青縣也達到了3cm。經(jīng)過野外踏勘和實測資料的對比，這些結(jié)果和實際情況比較吻合。

5.結(jié)論

采用InSAR技術(shù)能夠提供全天候詳細的地面測繪資料和圖像，而且在惡劣天氣下雷達是一種合適的探測傳感器，能夠正常地工作，用此方法可以獲得地面觀測點精確三維坐標(biāo)，極大地減輕了外業(yè)工作強度，其優(yōu)點顯而易見，隨著獲取InSAR數(shù)據(jù)的渠道越來越廣泛，未來在城市地面沉降監(jiān)測、預(yù)防泥石流滑坡、礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測、水文、森林調(diào)查等方面，此項技術(shù)也將不斷得到發(fā)展，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。