基于D-InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法

岳　順，岳建平，邱志偉，汪學(xué)琴

(1. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

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基于D-InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法

岳順1,2，岳建平1，邱志偉1，汪學(xué)琴1

(1. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

針對(duì)傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)方法的不足，D-InSAR技術(shù)因其全天候、空間分辨率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在地面沉降監(jiān)測(cè)方面其表現(xiàn)得越來(lái)越重要。本文對(duì)香港地區(qū)的3幅ERS影像進(jìn)行處理，提取了該地區(qū)高精度的三維沉降場(chǎng)，結(jié)果表明，該地區(qū)最大沉降值為-0.551 6 cm，且沉降趨勢(shì)較緩慢，分布平均，D-InSAR技術(shù)可以有效地提供高精度的地面沉降信息，在地面沉降監(jiān)測(cè)方面具有較高的實(shí)用性。

D-InSAR；地面沉降；ERS；高精度；三維沉降場(chǎng)

傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)有水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀、GPS測(cè)量等，但其具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)成本大、空間分辨率低等缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代地面沉降監(jiān)測(cè)的要求[1]。隨著對(duì)衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用[2]，利用遙感測(cè)量技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)地表沉降的方法也越來(lái)越完善。作為雷達(dá)遙感的重要分支，InSAR在過(guò)去的十幾年里取得了重大的進(jìn)展[3-5]。該技術(shù)為大面積快速獲取高分辨率、高精度的DEM信息提供了一條新的路徑[6-8]。D-InSAR技術(shù)是由InSAR發(fā)展而來(lái)，通過(guò)若干幅影像干涉形成差分組合，消除地形影響，進(jìn)而得到地表形變信息[7-10]。它能夠沿著雷達(dá)的視線(xiàn)向監(jiān)測(cè)地球表面厘米級(jí)或更加微小的形變[11]，以揭示地球許多現(xiàn)象，如地震形變、地面沉降、火山運(yùn)動(dòng)、冰川漂移以及山體滑坡等[12-14]。D-InSAR技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、覆蓋面廣、高度自治化、觀(guān)測(cè)周期短、成本小和精度高等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為地面沉降監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)。利用D-InSAR技術(shù)對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于評(píng)估和預(yù)測(cè)地面沉降和殘余沉降災(zāi)害，進(jìn)而減少或避免沉降災(zāi)害帶給人們和環(huán)境的潛在危險(xiǎn)[15]，D-InSAR技術(shù)為地面沉降的監(jiān)測(cè)提供了全新、快速和有效的方法。

一、 D-InSAR進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)方法研究

圖1為D-InSAR成像幾何示意圖，A1、A2分別表示衛(wèi)星在地表未發(fā)生形變前獲取的兩幅SAR圖像[16]，則由P點(diǎn)返回信號(hào)為

(1)

(2)

圖1　D-InSAR原理示意圖

在地表P點(diǎn)發(fā)生形變后，衛(wèi)星在A(yíng)3位置獲取第3幅SAR圖像，此時(shí)P點(diǎn)返回的信號(hào)為

(3)

式中，ΔRd為視線(xiàn)向形變量。第1、3兩幅SAR圖像所引起的干涉紋圖的相位φ1既包含了區(qū)域的地形信息又包含了觀(guān)測(cè)期間地表的形變信息，由圖1可以看出，基線(xiàn)B、B′分別在雷達(dá)視線(xiàn)向上的投影分別為

B∥=Bsin(θ-α1)

(4)

(5)

將第1、3兩幅影像進(jìn)行配準(zhǔn)后干涉共軛相乘得

(6)

得到干涉相位

(7)

如果要獲取地表的形變信息，則必須消除區(qū)域的地表信息，可以通過(guò)第1、2兩幅影像干涉相乘形成干涉紋圖，其干涉相位只包含地形信息

(8)

根據(jù)式(7)、式(8)所得最終的形變相位為

(9)

二、 實(shí)例數(shù)據(jù)分析

香港由九龍半島、香港島、新界內(nèi)陸地區(qū)及262個(gè)大小島嶼組成。隨著香港地區(qū)的快速發(fā)展，地面沉降現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。常規(guī)的水準(zhǔn)和GPS監(jiān)測(cè)手段存在監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，而D-InSAR技術(shù)正好可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，正在逐漸應(yīng)用到地面沉降監(jiān)測(cè)。本文基于D-InSAR技術(shù)對(duì)香港地區(qū)3幅影像進(jìn)行處理，所用數(shù)據(jù)是ERS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分別表示為影像24440、4767、6270。影像24440、4767為地面沉降之前的兩幅影像，作為地形像對(duì)，影像6270為地面沉降之后的影像，與影像24440作為形變像對(duì)，具體的主輔影像參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　主輔影像參數(shù)

分別對(duì)地形像對(duì)和形變像對(duì)進(jìn)行處理，得到兩像對(duì)的相干系數(shù)圖和干涉相位圖。

從相干系數(shù)圖(如圖2、圖3所示)可以看出，亮度越強(qiáng)的地方相干系數(shù)越大，即相干性越好，另外可以看出地形像對(duì)的相干性比形變像對(duì)的相干性好。從圖4、圖5可以看出地形像對(duì)和形變像對(duì)的干涉圖發(fā)生了明顯的變化，說(shuō)明在這期間地面發(fā)生了沉降。對(duì)得到的兩幅干涉圖進(jìn)行相位解纏、差分、地理編碼，最終得到該地區(qū)的三維沉降圖(如圖6所示)。

圖2　地形像對(duì)相干系數(shù)圖

圖3　形變像對(duì)相干系數(shù)圖

圖4　地形像對(duì)干涉圖

圖5　形變像對(duì)干涉圖

從圖6中可以看出該地區(qū)的最大沉降量是-0.551 6cm，大部分在[-0.2,-0.4]區(qū)間內(nèi)，且沉降趨勢(shì)較緩慢，分布平均，說(shuō)明該地區(qū)沉降量較小。

圖6　三維沉降圖

三、結(jié)束語(yǔ)

本文基于D-InSAR技術(shù)對(duì)香港地區(qū)3幅影像進(jìn)行處理，得到該地區(qū)的三維沉降圖，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析，為地面災(zāi)害預(yù)測(cè)提供了新的監(jiān)測(cè)手段和方法。如果可以采集到沉降區(qū)域的地層條件、地下水等數(shù)據(jù)，可以利用D-InSAR對(duì)其地表移動(dòng)參數(shù)進(jìn)行反演，從地質(zhì)的角度解釋地面沉降的原理，完善D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果分析。

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The Methods of Ground Subsidence Monitoring Based on D-InSAR Technique

YUE Shun，YUE Jianping，QIU Zhiwei，WNAG Xueqin

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0160.

2015-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(41174002)；湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金(PHLHD201311)

岳順(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)?S集成與應(yīng)用。E-mail：yue_shun@163.com

P237

B

0494-0911(2016)05-0077-03

引文格式： 岳順，岳建平，邱志偉，等. 基于D-InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(5)：77-79.