高分辨率SAR數(shù)據(jù)在河北省城市形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王俊肖，張倩女，顧潤(rùn)德，楊 旭，李會(huì)杰

(1.河北省第三測(cè)繪院，河北 石家莊 050031；2.黑龍江大學(xué)信息管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高精度對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，利用對(duì)同一目標(biāo)成像的兩景影像的回波信號(hào)相位差來(lái)獲取地表高程信息。

SAR對(duì)地觀測(cè)技術(shù)最早在20世紀(jì)50年代初由美國(guó)科學(xué)家提出，1978年5月美國(guó)宇航局發(fā)射了海洋一號(hào)衛(wèi)星SEASAT-A，這是衛(wèi)星上首次裝載合成孔徑雷達(dá)。之后星載SAR技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，一系列星載SAR系統(tǒng)先后升空。SAR對(duì)地觀測(cè)技術(shù)主要有以下兩方面特點(diǎn)：

1）SAR圖像空間分辨率可以達(dá)到幾米到幾十米，提取的高相干點(diǎn)密度高。如ERS(European Remote-Sensing Satellite)和ENVISAT ASAR(Environmental Satellite Advanced SAR)分辨率達(dá)到25m，Radarsat-1和ALOS PALSAR（Advanced Land Observing Satellite Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar）分辨率達(dá)到10 m，新一代Radarsat-2分辨率可達(dá)3m，TerraSAR-X的空間分辨率更高，可達(dá)1 m。

2）SAR衛(wèi)星的重訪周期較短，對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間采樣率高。SAR衛(wèi)星重訪周期一般在一天到一個(gè)月左右，如ERS-1/2和ENVISAT ASAR為35天，Radarsat-1/2為24天，ALOS PALSAR為46天，TerraSAR-X為11天。多顆衛(wèi)星組成的星座群的重訪周期更短，如意大利的COSMO SkyMed（Constellation of Small Satellites for Mediterranean basin Observation）衛(wèi)星群由4顆SAR衛(wèi)星組成，重訪周期可以在12h以?xún)?nèi)，衛(wèi)星每次過(guò)境，就是對(duì)地表形變信息的一次記錄。

地表形變是一種緩慢的形變，它是由多種因素引起的[1]。許多研究學(xué)者都對(duì)地表形變做了很多的工作，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)地表形變的方法是水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量。然而水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量的時(shí)間都是以年為單位，有些地區(qū)甚至好幾年才能觀測(cè)一次。隨著技術(shù)的發(fā)展和監(jiān)測(cè)的需求，傳統(tǒng)的測(cè)量方法在大范圍短時(shí)間的形變監(jiān)測(cè)中越來(lái)越不能滿足需求。InSAR（Interferometry SAR）作為一種新技術(shù)得到了發(fā)展。Gabriel等在1989年第一次將SAR影像干涉處理技術(shù)應(yīng)用于地表微小形變的測(cè)量[2]。A.Ferretti，C.Prati和F.Rocca等在1999年前后共同提出了時(shí)序InSAR技術(shù)即PSI（Permanent Scatterer Interferometry，PSInSAR），該技術(shù)進(jìn)一步提升了SAR影像用于地表形變監(jiān)測(cè)的精度[3]。如今隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)及數(shù)據(jù)處理能力的發(fā)展，InSAR在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尤其是大范圍形變監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，得到了中外研究及應(yīng)用部門(mén)的高度關(guān)注。本文內(nèi)容即是在這種趨勢(shì)的推動(dòng)下，利用InSAR技術(shù)在河北省城市地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

差分干涉測(cè)量技術(shù)（Differential Interferometry,D-InSAR）是干涉測(cè)量技術(shù)的一個(gè)延伸，目的是為了利用雷達(dá)影像獲取在視線方向上的地面形變信息。D-InSAR技術(shù)即利用發(fā)生形變前后的兩景SAR影像，將地形、大氣等相位去除，進(jìn)而得到形變相位的技術(shù)。

D-InSAR技術(shù)在應(yīng)用中會(huì)受到去相干及大氣延遲的影響，為了解決這一問(wèn)題，采用了永久散射體雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)。PS-InSAR技術(shù)的基本原理是利用同一地區(qū)的多景SAR影像，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析所用影像的幅度和相位信息，查找不受時(shí)間、空間基線去相干和大氣效應(yīng)影響的永久散射體[5]。通過(guò)對(duì)這些散射體進(jìn)行分析可以得到高程、地表運(yùn)動(dòng)、大氣等各相位組分，而且可以根據(jù)各網(wǎng)點(diǎn)的相位值插值擬合出研究區(qū)域的大氣效應(yīng)的線性貢獻(xiàn)值提高形變監(jiān)測(cè)的精度。

基本方法就是利用按時(shí)間排序的N景影像，利用一定的方式選取一個(gè)主影像，其他的N-1景為從影像，進(jìn)行影像配準(zhǔn)并取樣于主影像之后再進(jìn)行差分干涉處理，得到N-1景差分干涉圖。之后按照過(guò)濾條件選取在N-1景差分圖上穩(wěn)定的PS點(diǎn)，后續(xù)的處理都集中在這些PS點(diǎn)中。將大氣信號(hào)、地形信息及噪聲等進(jìn)行估計(jì)并從PS點(diǎn)相位中去除，則可以得到這些PS點(diǎn)上高信噪比的信息，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

PS-InSAR技術(shù)的主要處理步驟如下[6-8]：

1）主從影像配準(zhǔn)及生成差分干涉圖

選取N景SAR影像中的一景作為主影像，對(duì)其他N-1景與主影像進(jìn)行匹配、干涉，其中目標(biāo)P在第i景干涉圖上的差分相位可用如下形式表示：

2）選取PS點(diǎn)。

PS點(diǎn)是指在時(shí)間序列上穩(wěn)定的點(diǎn)，即在形成的所有干涉圖中都具有很好的相干性。在PS-InSAR處理過(guò)程中，以其中一景影像作為主影像，其他作為從影像，分別與主影像配準(zhǔn)生成干涉圖，剔除掉相干性不理想的影像，再利用振幅離差法選取在時(shí)間序列上都比較穩(wěn)定的PS點(diǎn)。

4）相位解纏。

在選取出PS點(diǎn)后，由于其相位也是纏繞在[-π，π]之間，因此采用三維時(shí)空解纏的方法進(jìn)行相位解纏來(lái)得到其真實(shí)相位，再將解纏后的相位通過(guò)濾波器去除大氣相位后，就可得到了最終需要的形變相位信息。

本文中的數(shù)據(jù)處理采用SARPRPZ軟件來(lái)處理，處理流程如圖1所示。SAR影像數(shù)據(jù)集為輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、重采樣、去地平、PS點(diǎn)選取等步驟最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在該軟件中，可以根據(jù)需要輸出不同的數(shù)據(jù)結(jié)果，本文中石家莊實(shí)驗(yàn)區(qū)輸出的結(jié)果為時(shí)間序列內(nèi)的累積形變量，滄州實(shí)驗(yàn)區(qū)輸出結(jié)果為時(shí)間序列內(nèi)的年形變速率。

圖1 PS-InSAR形變信息提取流程Fig. 1 Process flow of PS-InSAR

1.2 項(xiàng)目數(shù)據(jù)

項(xiàng)目采用了3m分辨率的COSMO SkyMed數(shù)據(jù)和3m分辨率的TerraSAR-X數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)石家莊市和滄州市兩個(gè)市區(qū)分別采購(gòu)了37景數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)檢等選取了石家莊37景COSMO SkyMed數(shù)據(jù)、滄州市24景TerraSAR-X數(shù)據(jù)作為最終數(shù)據(jù)進(jìn)行了后續(xù)數(shù)據(jù)處理（見(jiàn)表1，見(jiàn)表2）。如圖2所示，圖中外框?yàn)檎坝跋窀采w范圍，內(nèi)框?yàn)閷?shí)際處理范圍。

表1 石家莊影像時(shí)序表Tab. 1 Shijiazhuang image time series

表2 滄州影像時(shí)序表Tab. 2 Cangzhou image time series

圖2 影像覆蓋Fig. 2 Image coverage

2 結(jié)果分析

利用SARProZ軟件，分別對(duì)石家莊和滄州的數(shù)據(jù)集進(jìn)行時(shí)序InSAR處理，過(guò)程中相干系數(shù)均采用大于0.5部分，圖3為石家莊市試驗(yàn)區(qū)累計(jì)形變量圖，圖4是滄州市試驗(yàn)區(qū)年形變速率圖。

通過(guò)利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)石家莊市區(qū)地表形變的監(jiān)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)在2013年2月～2014年10月期間，石家莊市區(qū)地表沉降速率在5～10mm/a之間，總體趨于平穩(wěn)，但是個(gè)別地區(qū)沉降速率較快，有些區(qū)域有不均勻沉降的發(fā)生，其中石家莊火車(chē)站南部鐵軌沿線地區(qū)、石家莊西北部西簡(jiǎn)良地區(qū)較明顯，即圖3中兩個(gè)紅色方框所示區(qū)域。

圖3 石家莊市實(shí)驗(yàn)區(qū)累計(jì)形變量圖Fig. 3 Cumulative displacementmap of Shijiazhuang experimental area

同樣，對(duì)滄州市市區(qū)地表形變的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在2013年3月～2015年6月期間，滄州市市區(qū)部分區(qū)域比較穩(wěn)定，局部地區(qū)有沉降速率過(guò)快的現(xiàn)象發(fā)生。滄州市市區(qū)原來(lái)的水位埋深較大的區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沉降過(guò)快的現(xiàn)象，沉降速率在-20mm/a之上，其中原米蘇陽(yáng)光小區(qū)形變較為明顯，即圖4黑色方框所示區(qū)域。

圖4 滄州市實(shí)驗(yàn)區(qū)年形變速率圖Fig. 4 Annual velocity displacementmap of Cangzhou experimental area

2.1 與地下水有關(guān)的形變

石家莊市區(qū)所處的大地構(gòu)造環(huán)境、地殼結(jié)構(gòu)特征、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征、斷裂活動(dòng)和地震活動(dòng)按條件劃分在區(qū)域上屬于基本穩(wěn)定型。石家莊市區(qū)屬華北平原的西邊緣，出露地層以新生界第四系地層為主,也是本區(qū)自然資源賦存及經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人類(lèi)活動(dòng)涉及的主要層位。

石家莊西簡(jiǎn)良地區(qū)位于石家莊市西北部，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其沉降累計(jì)量為-15～10mm。通過(guò)河北地質(zhì)部門(mén)提供的石家莊淺層地下水水位埋深報(bào)告分析，石家莊西北部地區(qū)地下水水位埋深較大，且西北部地區(qū)的西簡(jiǎn)良一帶正好位于石家莊的一個(gè)水位降落漏斗區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，淺層地下水低水位期（12月30日）和高水位期（6月30日）水位埋深大的區(qū)域面積變化較大。選取了該區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行形變分析發(fā)現(xiàn)，形變集中發(fā)生在2013年7月到12月，如圖5形變點(diǎn)示意圖所示。由此我們可以推測(cè)出地下水超采及高低水位的變化是造成該地區(qū)地面沉降的主要原因。西簡(jiǎn)良地區(qū)為居民區(qū)與工廠的聚集地，居民生活用水和工業(yè)用水的消耗量巨大，需要大量開(kāi)采地下水，故上述兩方面很可能是引起此處沉降較為嚴(yán)重的原因。

圖5 形變點(diǎn)示意圖Fig. 5 Displacement on permanent scatterers

由以上分析來(lái)看，西簡(jiǎn)良地區(qū)的沉降速率比其他地區(qū)的沉降速率要快，沉降累計(jì)量為-15～10mm，這個(gè)數(shù)值并不算大，但是由于西簡(jiǎn)良地區(qū)已經(jīng)形成了地下水降落漏斗，并有逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，漏斗擴(kuò)展的主要方向是北部-西北部市區(qū)供水原地，2005年比2000年的漏斗面積擴(kuò)大了91.2km2，漏斗平均水位埋深也呈逐年下降的趨勢(shì)，2005年比2000年水位埋深平均下降了5.09m，所以我們要對(duì)地下水降落漏斗區(qū)的沉降現(xiàn)象保持高度警惕。

2.2 與施工有關(guān)的形變

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，尤其是河北各主要城市最近幾年的城市化進(jìn)程明顯加快，舊城區(qū)改造、新居住區(qū)成片開(kāi)發(fā)，大量高層、超高層建筑不斷興建，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通運(yùn)輸線路越來(lái)越密集，使得地表荷載加重，工程建設(shè)的地面沉降效應(yīng)逐漸凸顯，成為近年來(lái)新的沉降制約因素之一。高層建筑群造成的城區(qū)地面沉降的特點(diǎn)是距建筑物一倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示（見(jiàn)圖3下方紅色框及圖4黑色框），在很多施工工地周?chē)牡貐^(qū)，在其施工期間會(huì)發(fā)生很明顯的形變，滄州的米蘇陽(yáng)光小區(qū)附近的形變區(qū)和石家莊火車(chē)站南部鐵路沿線的形變區(qū)就是典型的例子。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)米蘇陽(yáng)光小區(qū)周?chē)男巫冚^大，且該小區(qū)內(nèi)無(wú)明顯PS點(diǎn)。年形變速率在-20～10mm/a之間。通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間的影像數(shù)據(jù)（圖6所示），發(fā)現(xiàn)此區(qū)域在2013年地面有建筑物（圖6a），2014年后建筑物被拆除進(jìn)行再建設(shè)，2015年影像顯示該區(qū)域已經(jīng)是施工區(qū)（圖6b）。經(jīng)查閱資料及咨詢(xún)滄州市負(fù)責(zé)沉降監(jiān)測(cè)的有關(guān)部門(mén)發(fā)現(xiàn)：米蘇陽(yáng)光小區(qū)原為舊調(diào)料廠，現(xiàn)被納入舊城區(qū)改造項(xiàng)目，米蘇陽(yáng)光小區(qū)所在地由工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樽≌玫兀?014年時(shí)工廠已經(jīng)遷出，廠房被拆除，住宅小區(qū)開(kāi)始建設(shè)。因此可以知道，在數(shù)據(jù)覆蓋的時(shí)間序列內(nèi)，該小區(qū)為建設(shè)時(shí)間，因其地表變化明顯造成了該區(qū)域的失相干，而其周?chē)鷧^(qū)域由于受其施工的影響發(fā)生了較明顯的形變。

圖6 米蘇陽(yáng)光小區(qū)2013年與2015年影像圖Fig. 6 Images comparison of Misuyangguang in 2015 and 2013

實(shí)驗(yàn)顯示石家莊火車(chē)站南部鐵路沿線地區(qū)沉降比較嚴(yán)重，沉降累計(jì)量為-50～10mm，如圖7所示。石家莊站是石家莊自2013年以來(lái)投入使用的新站，在此處發(fā)現(xiàn)的形變區(qū)域位于石家莊站南部，在南二環(huán)以南。通過(guò)歷史影像對(duì)比如圖8所示發(fā)現(xiàn)該段鐵軌是2011年建設(shè)的，2012年已建成，工程施工可能是造成沿軌區(qū)域地表荷載加重，從而引起沉降的原因。另外，由圖8中兩圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，鐵軌兩側(cè)區(qū)域在2013還是裸露的地表，在2014年新建高層建筑明顯增多。該區(qū)域城區(qū)改造不斷加快，而鐵軌位于其新建建筑區(qū)范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)的地面沉降速率會(huì)大于建筑區(qū)本身的沉降速率，所以這個(gè)因素有可能會(huì)加劇鐵軌沿線的地面沉降。高速火車(chē)（高鐵、動(dòng)車(chē)）以較快速度在鐵軌上行駛，由于速度快、火車(chē)質(zhì)量大的原因，給鐵軌沿線區(qū)域造成了很大的地表荷載壓力，再加上新建不久的建筑及交通設(shè)施，本來(lái)就處于施工后的加速沉降階段，這樣的疊加效應(yīng)也會(huì)引起該區(qū)域的沉降速率過(guò)快。

圖7 石家莊站南部鐵軌形變Fig. 7 Displacement of the railway track in southern Shijiazhuang

圖8 石家莊站南部2013年與2014年影像圖對(duì)比Fig. 8 Images comparison of the railway track in southern Shijiazhuang Station in 2013 and 2014

通過(guò)計(jì)算得出，該沿軌區(qū)域平均沉降速率為-30～20mm/a，數(shù)值處于國(guó)家規(guī)定的鐵路交通設(shè)施施工后沉降標(biāo)準(zhǔn)的臨界值上。這樣的結(jié)果說(shuō)明了該區(qū)域沉降速率比較快，也造成了該區(qū)域的不均勻沉降。這種現(xiàn)象長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)給鐵軌造成不同程度的損壞，有發(fā)生鐵軌斷裂造成火車(chē)出軌的可能性，需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)，若有必要?jiǎng)t采取鐵軌加固、路基加固等相關(guān)措施，防止鐵軌及沿線區(qū)域沉降的發(fā)生，從而避免發(fā)生重大交通事故。

石家莊市是華北地區(qū)重要的交通樞紐，京九鐵路、京廣鐵路等多條鐵路干線交匯于此，另外多條高速公路也貫穿石家莊通過(guò)，利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)石家莊境內(nèi)的交通設(shè)施進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測(cè)，獲取高精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，用于來(lái)解決交通設(shè)施沿線區(qū)域沉降速率過(guò)快的問(wèn)題，從而為交通設(shè)施的維護(hù)、保養(yǎng)等作業(yè)提供專(zhuān)業(yè)可靠的數(shù)據(jù)保證。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，InSAR技術(shù)隨著星座化SAR衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)得到了快速的發(fā)展[11]，并且該技術(shù)在地震形變研究、有效提取洪水淹沒(méi)范圍[12]、滑坡形變監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，利用時(shí)序InSAR技術(shù)進(jìn)行大面積城市地表形變監(jiān)測(cè)也日益受到關(guān)注，利用高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)城市地區(qū)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)是城市形變監(jiān)測(cè)的有效手段之一。本文中的項(xiàng)目屬于國(guó)情監(jiān)測(cè)的一部分，以此為契機(jī)，對(duì)河北省石家莊市和滄州市采用時(shí)序InSAR技術(shù)進(jìn)行了城市地表形變監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究，并得到了很好的結(jié)果。河北省各主要城市近年來(lái)發(fā)展速度非?？?，各種大型基礎(chǔ)設(shè)施、大型商業(yè)綜合體、新建高層住宅等都全面建成或在建設(shè)中，城市周邊近郊的建設(shè)也在如火如荼的開(kāi)展中。城市的快速發(fā)展離不開(kāi)科技的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。我們這次利用InSAR技術(shù)對(duì)兩個(gè)城市市區(qū)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)，是對(duì)其地質(zhì)承載力的一種檢測(cè)，同時(shí)也是對(duì)城市功能區(qū)和周邊配套區(qū)域的全方位普查，得到了真實(shí)可信的成果，為城市的發(fā)展及領(lǐng)導(dǎo)的決策提供了有力的服務(wù)保障。