基于哨兵—1A數據的D—InSAR地表沉降監(jiān)測研究

曹強 侯岳 馬海濤

摘 要：本文采用D-InSAR技術對試驗區(qū)范圍內收集的3期哨兵-1A數據進行處理，獲取地表沉降區(qū)域。試驗結果與采礦區(qū)分布位置相吻合，表明哨兵-1A數據在大范圍地表沉降監(jiān)測中是切實可行的，能使工作人員全面、及時、快速掌握大范圍地表形變狀況，有效降低監(jiān)測成本。

關鍵詞：D-InSAR；哨兵-1A；地表沉降監(jiān)測

中圖分類號：P642.26 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0125-02

Research on Surface Subsidence Monitoring ofD-InSAR

Based by Sentinel -1A Data

CAO Qiang1 HOUYue2 MA Haitao3

Abstract：In this paper， the D-InSAR technology was used to process the 3 phase sentinel -1A data collected in the experimental area， and the surface subsidence area was obtained. The results of the experiment coincided with the distribution of the mining area， which showed that the sentinel -1A data was feasible in the large-scale surface subsidence monitoring. It could make the staff fully， promptly and quickly grasp the large scale surface deformation condition and effectively reduce the monitoring cost.

Keywords：D-InSAR；Sentinel-1A；surface subsidence monitoring

1 研究背景

哨兵1號衛(wèi)星是歐洲太空局哥白尼計劃（GMES）中的地球觀測衛(wèi)星，于2014年4月3日發(fā)射升空，搭載有C波段合成孔徑雷達，能為區(qū)域性地表形變監(jiān)測免費提供5m×20m干涉寬幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）數據。利用D-InSAR技術獲取地表沉降監(jiān)測的研究己較為成熟，可靠性也得到論證。例如，吳立新[1]等人利用5期SAR數據獲取礦區(qū)形變結果；董玉森[2]等人利用二軌法對礦區(qū)地表形變進行監(jiān)測，得到了沉降區(qū)分布范圍與最大沉降量；馬海濤[3]等人利用二軌法和三軌法對鐵礦區(qū)地表形變進行監(jiān)測。哨兵-1A SAR數據時間周期短和實效性好，在大范圍區(qū)域性地表形變監(jiān)測方面優(yōu)勢突出。但是，當前利用該數據進行地表形變監(jiān)測的研究較少。本文旨在對哨兵-1A數據在大范圍地表監(jiān)測方面做一些探討，為廣域地表形變監(jiān)測拓展新思路。

2 D-InSAR監(jiān)測地表沉降原理

InSAR技術是通過兩期或多期相干性強的SAR數據進行差分干涉，得到高精度的地表微小形變引起的地表形變相位。通常情況下，干涉相位包含大氣延遲相位、噪聲相位、地形相位、平地相位及地表形變相位5部分[4]，計算公式為：

[?ini=?topo+?def+?flat+?atmo+?noise] （1）

其中，[?topo]為地形起伏引起的地形相位；[?def]表示地表形變引起相位；[?flat]為平地場相位；[?atmo]表示大氣延遲相位；[?noise]為噪聲相位。

根據是否有公共參考影像和DEM，可將D-InSAR技術分為二軌法、三軌法[5-6]及四軌法。

3 基于D-InSAR技術的地表沉降監(jiān)測

3.1 試驗區(qū)概況

本文選擇鶴壁市采礦區(qū)作為地表沉降監(jiān)測的對象，地理坐標為113°59′E至114°45′E，35°26′N至36°02′N。采礦區(qū)集中于鶴山區(qū)和山城區(qū)。這兩個區(qū)域人工建筑較多，硬化地表面積大，后向散射特性穩(wěn)定，具有高相干性，利用D-InSAR技術監(jiān)測大范圍的地表沉降是切實可行的。

3.2 數據及預處理

本文選擇空間基線和時間基線都較小、具有高相干性的20151214期（1期）、20160107期（2期）、20160307（3期）期哨兵-1ASAR數據作為礦區(qū)地表沉降監(jiān)測數據源，進而獲取1-2、2-3時間段內礦區(qū)地表形變狀況。因SAR原始數據幅寬為250km×250km，需要根據試驗區(qū)的地理坐標進行影像裁剪，便于配準及差分干涉處理等工作。數字高程模型為30m的SRTM數據，范圍必須覆蓋裁剪后SAR影像。圖1和圖2分別為試驗區(qū)SAR強度圖、試驗區(qū)DEM。

3.3 D-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

對預處理的1-2、2-3兩組SAR像對進行基線估算，確保滿足干涉條件，并獲取軌道偏移參數及其他有關的參數。本文空間基線、時間基線及多普勒質心頻率遠小于臨界基線值，具有良好的相干性，完全滿足要求。

將兩組SAR像對進行共軛相乘，即得到原始干涉圖。在此基礎上，利用DEM數據去除地形相位、通過濾波抑制噪聲相位，得到兩組相位圖和相干系數圖，并利用最小費用流法[7]（Minimum Cost Flow，MCF），相干性閾值為0.4，分解等級為1，獲取解纏后的地表形變真實相位，其中1-2像對的干涉及解纏結果如圖3所示。

在地表未發(fā)生形變的平地區(qū)域，選擇高相干性的GCP點，選擇二次式[y=k0+k1xrange+k2xazimuth]，求取軌道參數改正數，并根據數學模型將真實地表形變相位轉換為地理坐標系下的地表沉降量，具體見圖4和圖5。

3.4 監(jiān)測結果分析

圖4中的方框為地表沉降集中區(qū)域，這與鶴壁市礦區(qū)實際位置相一致。通過比較兩期形變結果，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)位置分布趨于一致，范圍有較明顯的擴張趨勢。兩期形變結果最大沉降量均大于2.5cm，2-3期最大沉降量達5.5cm。

利用ArcGIS空間分析工具獲取圖沉降區(qū)的剖面線，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)剖面呈漏斗狀，沉降量均超過2cm。由于選取剖面位置的不同，所獲剖面線并不能準確衡量漏斗中心的沉降量。

4 結語

利用D-InSAR技術對3期哨兵-1A SAR數據進行處理，獲取鶴壁市礦區(qū)地表形變監(jiān)測狀況，有助于從宏觀方面掌握沉降分布的空位與位置，為監(jiān)管因礦區(qū)開采造成的地表變形提供有效手段。為有效掌握采礦區(qū)范圍微小形變及采礦沉降規(guī)律，常規(guī)D-InSAR技術難以滿足需求，后續(xù)將利用時序InSAR技術進行監(jiān)測。

參考文獻：

[1]吳立新，高均海，葛大慶，等.工礦區(qū)地表沉陷D-InSAR監(jiān)測試驗研究[J].東北大學學報，2005（8）：778-782.

[2]董玉森，Linlin G. E.，Hsingchun Chang，等.基于差分雷達干涉測量的礦區(qū)地面沉降監(jiān)測研究[J].武漢大學學報（信息科學版），2007（10）：888-891.

[3]馬海濤，李輝，劉勇峰，等.D-InSAR技術在礦區(qū)地表沉降監(jiān)測中的應用[J].金屬礦山，2011（2）：95-98.

[4]祁曉明.PS-InSAR技術在西安地區(qū)的變形監(jiān)測研究[D].西安：長安大學，2009.

[5]Ragha L K， Bhatia M S. Evaluation of SAR Reduction for Mobile Phones Using RF Shields[J]. International Journal of Computer Applications，2010（13）：80-86.

[6]張紅.基于相干目標的DInSAR方法研究[M].北京：科學出版社，2009.

[7]Moccia A，F(xiàn)asano G. Analysis of Spaceborne Tandem Configurations for Complementing COSMO with SAR Interferometry[J]. Eurasip J Adv Sig Pr，2005（20）：1-12.