基于InSAR技術(shù)對杭州市地表形變進行監(jiān)測分析

張超，郭贊峰，萬銘，杜釗鋒

(1.國家測繪地理信息局第一大地測量隊，陜西 西安 710054； 2.杭州市勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

InSAR技術(shù)是SAR成像技術(shù)與射電天文學干涉測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，作為一種極具潛力的微波遙感新技術(shù)，目前在地表三維重建、地球表面形變場探測及土地利用分類等方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景，其在地球動力學方面的應(yīng)用最令人矚目。相對于傳統(tǒng)地表位移監(jiān)測方法，InSAR技術(shù)不受天氣影響，具有監(jiān)測范圍大、成本費用低的優(yōu)點。2001年，劉國祥等利用InSAR技術(shù)獲取了香港赤臘角機場監(jiān)測時間段內(nèi)的沉降結(jié)果[1]。2002年，單新建等利用該技術(shù)獲取了瑪尼地震同震形變場[2]。同年，路旭等對天津的地面沉降開展了形變監(jiān)測。此后我國的InSAR應(yīng)用研究也進入了一個較熱的階段[3]，目前InSAR已在我國地面沉降、滑坡、地震、煤礦開采、線型工程等方面有了較廣泛的應(yīng)用，是繼GNSS技術(shù)后一種新型空間大地測量尖端技術(shù)和對地觀測手段。

文章針對杭州市城市地面沉降監(jiān)測以項目的實際目標需求為出發(fā)點，采用日本ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)實施InSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測。該數(shù)據(jù)為星載重復(fù)軌道周期性觀測數(shù)據(jù)，存檔周期為2007年年初至2011年年初，獲取了該市數(shù)據(jù)覆蓋范圍內(nèi) 2 531.6 km2范圍監(jiān)測期內(nèi)高精度地面沉降模型，并與同期的水準觀測數(shù)據(jù)進行對比，科學地驗證了本技術(shù)的可行性。

2 InSAR方法基礎(chǔ)

InSAR沉降監(jiān)測是根據(jù)兩幅或多幅星載重復(fù)軌道SAR數(shù)據(jù)干涉進行的，即由干涉相位差求解位移量的變化。對于干涉處理而言，一個重要的前提是存在相干性，即兩景影像信號的相似性或相關(guān)性。準確獲取干涉相位需滿足相干條件，失相干條件下難以獲取真實的干涉相位。

2.1 DEM數(shù)據(jù)

SAR數(shù)據(jù)處理過程中，DEM數(shù)據(jù)主要用于生成模擬干涉相位圖，并結(jié)合雷達衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)用于影像配準和干涉結(jié)果的地理編碼。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)由美國航空航天局(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品2003年開始公開發(fā)布，其地面分辨率為 90 m，平面位置相對精度為 ±8.8 m，高程相對誤差為 ±8.7 m。SRTM數(shù)據(jù)分發(fā)采用GeoTiff格式按每5度經(jīng)緯度方格網(wǎng)劃分為一個文件，作業(yè)中根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍，需要對相鄰的數(shù)據(jù)塊進行拼接和鑲嵌，并采用三次卷積內(nèi)插方式將其重采樣為1″×1″分辨率的格網(wǎng)(約 30 m×30 m左右)，存儲為ArcGrid格式。

2.2 ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)

ALOS衛(wèi)星由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(The Japan Aerospace Exploration Agency，簡稱JAXA)2006年發(fā)射，2011年日本3·11大地震后衛(wèi)星壽命到期。星載PALSAR傳感器雷達運行在L波段，波長為 23.6 cm，重訪周期為46天。項目設(shè)計階段對存檔數(shù)據(jù)進行查詢，根據(jù)數(shù)據(jù)覆蓋范圍和獲取周期，訂購了ALOS衛(wèi)星444軌道590框幅的PALSAR數(shù)據(jù)23期。該數(shù)據(jù)為重復(fù)軌道周期性觀測的條帶形式升軌數(shù)據(jù)，地面分辨率約 8 m～10 m，數(shù)據(jù)范圍約 60 km×60 km。獲取時PALSAR傳感器入射角34.3°，衛(wèi)星過境時間14：29(UTC時間)左右。數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 InSAR監(jiān)測杭州城市地面沉降范圍

2.3 技術(shù)路線

(1)收集ALOS衛(wèi)星PALSAR傳感器2007年1月～2011年1月期間數(shù)據(jù)，對其覆蓋范圍、中心點經(jīng)緯度、多普勒中心頻率、干涉基線和數(shù)據(jù)時相等進行數(shù)據(jù)完整性檢查。

(2)根據(jù)杭州市城市行政境界區(qū)域和數(shù)據(jù)覆蓋范圍空間關(guān)系，對SRTM數(shù)據(jù)進行拼接和鑲嵌，對Envisat衛(wèi)星ASAR傳感器原始數(shù)據(jù)進行裁切，保證數(shù)據(jù)完全覆蓋監(jiān)測范圍，并與SRTM數(shù)據(jù)相對應(yīng)。

(3)基于經(jīng)典二軌法干涉測量原理，對PALSAR數(shù)據(jù)采用短基線集干涉測量法進行差分干涉測量，通過全解析相干像元提取技術(shù)探測相干像元，并提取其空間位置和差分相位，獲得解纏后相位形變信息。

(4)將相干像元解纏后形變相位信息導(dǎo)入InSAR TS+AEM軟件進行時序分析，獲取監(jiān)測區(qū)域高精度地面沉降成果[4]。

(5)收集杭州市2006年和2010年高程復(fù)測成果資料，對InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果進行對比和驗證。

(6)根據(jù)InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果開展野外調(diào)查，并對典型沉降點進行評估。

具體技術(shù)路線如圖2所示。

干涉測量采用經(jīng)典的二軌法原理[5]，其數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像配準、生成干涉相位圖和相干圖、DEM模擬地形相位去除、相干點探測、地理編碼和相位解纏等7個基本步驟。本項目在差分數(shù)據(jù)處理過程中，采用全解析像元提取技術(shù)，將以往的高相干區(qū)域轉(zhuǎn)移到了長時序上具有永久散射特性的點集上，獲取影像原始分辨率下的相干像元。該技術(shù)吸收了永久散射體的優(yōu)勢，相干點具有更小、更精確的像元尺寸和位置，使得用于測量相位的相干像元產(chǎn)生了永久散射體技術(shù)的效果。

圖2 技術(shù)路線

3 技術(shù)實例

本次沉降監(jiān)測采用ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)分析杭州市主城區(qū)地面沉降狀況，監(jiān)測期內(nèi)共獲取數(shù)據(jù)23期。差分干涉數(shù)據(jù)要求空間垂直基線不大于 800 m，時間基線不超過800天，要求每期數(shù)據(jù)生成的干涉集不少于5對。在這種條件下，根據(jù)干涉生成的像元相干系數(shù)圖對全部23期數(shù)據(jù)進行組合篩選，獲取干涉數(shù)據(jù)組合63對。

3.1 SNAPHU算法

相位解纏是InSAR處理中尤為關(guān)鍵和重要的一步，相位解纏結(jié)果的好壞直接影響InSAR最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

對于PALSAR數(shù)據(jù)，二維SNAPHU相位解纏Delaunay三角網(wǎng)邊長不超過 200 m，解纏后相干像元相位閉合差一般不超過4弧度且均勻平滑，并不應(yīng)出現(xiàn)明顯突變和空間異常分布。作業(yè)中對干涉像對所形成的60個三角形相位閉合環(huán)全部進行了檢驗，相位閉合差滿足要求。圖3顯示三期數(shù)據(jù)相互干涉相干像元之間檢查結(jié)果。

圖3 全解析像元干涉相位三角形閉合差檢驗圖

3.2時序分析InSAR TS+AEM

采用經(jīng)典的二軌法差分干涉測量的相位模型為：

φint=δφflat+δφtopo+δφdef+δφatm+δφnoise

(1)

其中：δφflat為平地相位，δφtopo為地形相位，δφdef為雷達兩次觀測期間目標沿衛(wèi)星視線方向移動引起的形變相位，δφatm為兩次觀測時大氣波動引起的延遲相位，δφnoise為噪聲相位。

削弱大氣延遲的影響是InSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測的關(guān)鍵及難點。項目生產(chǎn)中實施單位利用自主開發(fā)的附有大氣估算模型的InSAR時序分析算法和軟件(InSAR Time Series with Atmospheric Estimation Model，簡稱InSAR TS + AEM)對原始分辨率的相干像元進行時序分析，削弱大氣延遲對干涉相位的影響，獲取最優(yōu)的沉降結(jié)果估算。

(2)

4 對比驗證

4.1 與高程復(fù)測成果對比驗證

基于杭州市兩次似大地水準面精化兩期水準點高程的變化量對SAR技術(shù)處理結(jié)果進行對比和驗證[6]。受InSAR成像原理和干涉測量時失相干影響，復(fù)測水準點與相干點在位置上不可能完全嚴格對應(yīng)，水準點InSAR沉降量采用時序分析后的累積沉降量，計算水準點位置 150 m范圍內(nèi)相干點累積沉降量平均值進行對比和驗證。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)兩期高程復(fù)測共有水準重合點253處，為了直觀體現(xiàn)水準與InSAR技術(shù)沉降量的差異，作業(yè)中對其按 1 cm的分級進行分類，圖4顯示了水準點InSAR沉降量差值在頻率域的分布特征，顯示InSAR監(jiān)測成果與水準復(fù)測資料保持了較好的一致性。

圖4 差值對比分析

4.2 典型沉降點野外調(diào)查

選定某大橋作為典型沉降點，沿大橋軸線方向提取時序分析結(jié)果，繪制沉降量剖面圖，如圖5所示。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)沉降量變化規(guī)律與橋梁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，沉降量接近為零的位置與橋墩重合，沿橋梁每跨區(qū)長度產(chǎn)生周期變化。受橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響，大橋 1 km+150 m～2 km+810 m之間為錢江航道主跨區(qū)。主跨區(qū)表現(xiàn)為下沉，兩側(cè)表現(xiàn)為上升，因此在該位置產(chǎn)生剪切作用。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)橋梁兩側(cè)護欄發(fā)生開裂和擠壓，業(yè)主對其采取工程措施進行加固。該位置沉降災(zāi)害在實地勘察中得到驗證，與InSAR監(jiān)測結(jié)果完全一致。

圖5 InSAR技術(shù)沉降監(jiān)測下沙大橋沉降量時間序列剖面圖

5 結(jié) 語

文章利用SBAS-InSAR技術(shù)通過非在軌衛(wèi)星存檔數(shù)據(jù)對杭州市地面形變進行了調(diào)查，經(jīng)濟高效地完成了地面形變監(jiān)測，為杭州市以后的多技術(shù)沉降監(jiān)測確立了重點監(jiān)測區(qū)域，也為InSAR技術(shù)的工程化應(yīng)用提供了良好的借鑒作用。但在本次研究中，還存在以下的不足：

(1)本次在SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理中，主要是通過對殘余相位進行時空濾波來獲取各干涉組合的大氣延遲相位，并進行大氣延遲相位改正，由于缺乏SAR影像獲取時刻的外部氣象數(shù)據(jù)進行對比，因此，對SBAS-InSAR去除大氣延遲的效果無法驗證。

(2)目前多種不同波段的SAR影像數(shù)據(jù)可用于地表形變監(jiān)測，高新InSAR技術(shù)方法和處理手段也層出不窮，本文僅選用了日本ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)采用SBAS-InSAR技術(shù)進行形變探測，后續(xù)可嘗試利用X波段的TerraSAR數(shù)據(jù)和PS-InSAR技術(shù)開展該地區(qū)的地表形變監(jiān)測。

(3)本次對地表形變的解釋主要通過實地調(diào)研和水準測量比較分析開展，由于缺乏該地區(qū)的地質(zhì)地層資料、地下水開采及地下空間開挖數(shù)據(jù)、地表建筑物建設(shè)等，因此對地表形變未能做深入解釋，同時也沒開展地質(zhì)地層、地下水開采、地表荷載與地表形變監(jiān)測關(guān)系研究。