InSAR在大范围区域性地面沉降监测中的应用

垢元培

河北地矿局第二地质大队 河北 唐山 063000

技术应用

InSAR在大范围区域性地面沉降监测中的应用

垢元培

河北地矿局第二地质大队 河北 唐山 063000

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是利用对同一地区观测的两幅SAR复影像数据进行相干处理，通过相位信息获取地面沉降信息的技术。经过数十年的发展，InSAR测量技术对于缓慢地面沉降监测具有范围覆盖广、周期短、数据准确的优势，区域性的总体监测精度一般与常规技术相当，可有效的应用于大范围区域性地面沉降监测项目。

InSAR 地面沉降 优势 解译方法 精度

一、InSAR测量基本原理

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是利用对同一地区观测的两幅SAR复影像数据进行相干处理，通过相位信息获取地面沉降信息的技术。

InSAR根据成像的时间可分为单次轨道和重复轨道两种模式。目前，常说的InSAR地面沉降监测通常为星载SAR重复轨道模式。而重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成像，分别发、收信号，利用得到的数据进行干涉处理。

二、InSAR沉降测量的本质及优势

InSAR沉降测量的本质是相位干涉测量，差分干涉相位对变形的敏感度可以达到亚毫米级。

从时间上而言，InSAR测量结果是一段时间内目标沿雷达视线方向的变形量，从空间上而言，是相对于参考位置或者稳定点的相对变形量。与传统监测手段中利用不同时期单点测量值的较差来反映变形量的模式相比较而言，差分InSAR技术中的测量结果为同步测量，不存在由施测周期引起的一致性不同的存在。这种情况下，对于大范围测量而言，InSAR测量更具真实性，变形量更接近实际变形值。

从观测对象上而言，InSAR测量所获取的是相干目标的形变量或形变速率，而传统地面沉降测量（多数情况下以水准测量为主）得到的是地面某个特定点的沉降变化量。点位密度上，传统地面沉降测量可以认为加密，而InSAR测量则取决于目标的密度。两者在空间位置上并非完全一致，但从统计意义上又都是一定范围内地表变形的概括，传统地面测量在地面沉降中则是利用一定密度的点位的统计在概括表达区域特点，而InSAR观测的点位密度与自然地物的密度相关，直接测量结果为地物变形。

与可见光遥感相比较，InSAR实现了遥感技术对地表变化的几何测量，能够定量化地研究自然环境的活动变化状况，是传统遥感技术和测量手段的有益补充。

三、InSAR技术发展现状

利用星载雷达数据获取的相位信息，基于空间相干性估计和二维相位解缠等技术，合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）可用于大区域地形测图和高精度的缓慢地表形变观测。

上世纪90年代初，InSAR技术已开始在全球及区域性地形测图、大尺度地表形变监测中得到广泛的研究和应用。促使InSAR技术迅速发展的原因可归结为两个方面，一是区域性地表形变灾害监测与预报的需要；二是连续可靠的数据源。

近几年来，ESA-GMES启动的SLAM和Terrafirma计划，以及PSIC4（等研究项目，旨在利用InSAR技术开展全欧洲地质灾害调查与监测，促进InSAR技术在灾害性地表形变监测中的应用。通过这些计划的开展，已查明了全欧洲各主要城市的地面沉降、重点地震带地壳形变速率、矿山地面塌陷以及滑坡活动和火山活动等情况，将InSAR技术工程化应用向前推进了很大一步。同时，意大利借助ERS-1/2的从1992年至2000年获取的存档数据以及ENVISAT卫星数据，开展了全国全覆盖的地表形变遥感调查工作，目前已建立了覆盖全国的地表形变InSAR调查数据库，为开展全国范围内地表形变调查工作起到了很好的先导作用。

2005年，Casu等利用小基线集（SBAS-InSAR）方法测量意大利Naples湾和美国Los Angles的地面形变，并与水准测量及GPS数据进行比较。

InSAR在地面沉降监测中的重要事件还包括：

（1）GMES与Terrafirma计划

GMES（Global Monitoring of Environment and Security）是一项由欧空局（ESA）支持的旨在开展全球环境安全监测的长期计划。在其领导下开展了以服务全欧洲地质灾害监测的任务，即Terrafirma（One of ten services being supported by ESA's GMES programme）计划，通过联合欧盟各个成员国的地质调查局和相关研究机构，开展基于InSAR调查与监测的欧洲地表活动灾害信息获取与服务，最终目标实现识别地质灾害隐患、促进地质安全保障、降低危害程度。

（2）意大利全国地表形变InSAR调查与监测

该项计划是在意大利政府支持下，集合意大利国内从事InSAR技术研究的多家研究机构组成项目组，开展覆盖意大利全境的地表形变InSAR调查与监测。与Terrafirma的相同点在于该计划都旨在开展地面沉降、滑坡和其他类型形变InSAR调查，主要利用欧空局ERS和ENVISAT系列卫星和加拿大RADASAT卫星中等分辨率数据。不同之处在于该计划不仅面向主要城市地面沉降监测，而且实现了覆盖国家级层面的地表形变全覆盖监测，建立世界上首个基于InSAR调查成果的全国地表形变基础数据库。

四、InSAR常用解译方法的分析

常用的InSAR影像解译技术包括：差分干涉方法（D-InSAR）、永久散射体方法（PS-InSAR）、人工角反射器方法（CR-InSAR）和小基线集方法（SBASInSAR）等。不同的解译技术适用的条件不同，即不同的区域选择不同的解译方法会使解译精度更高。

（1）差分干涉方法（D-InSAR）可用于高精度的缓慢地表形变观测。该方法的机理是基于空间相干性估计和二维相位解缠等技术，利用雷达波相位差进行大范围地表形变观测。

差分干涉方法（D-InSAR）测量的结果为两次获取数据时段内的相对变形量，受制于相干性和大气、轨道等其他因素的影响，其实际监测精度为在大范围（100km×100km）上的精度为1cm，在局部形变场的监测中精度优于5～10mm。

（2）永久散射体技术（PS-InSAR）通常分布于市区等人工建筑较多的地方或无植被覆盖的山峰、山脊等有裸露巨石的地方。可有效的解决D-InSAR中时空去相关和大气效应等瓶颈问题，以提高地面沉降监测数据的精度和可靠性。

永久散射体方法（PS-InSAR）监测精度测量结果精度的因素包括：SAR影像个数、PS点与参考点间的距离、PS点的变形特征与线性模型的逼近程度、相位解缠的可靠性和大气影响的大小、轨道误差的控制程度等。在数据量大于25～30景的条件下获取的沉降速率的精度为0.1～0.5mm/年，在距参考点距离小于4～5km范围内PS形变速率的观测精度可达到0.1mm/年，而单次获取的形变量的精度优于1～3mm。与地面沉降监测精密水准测量的精度指标比较发现，2km范围内观测精度为1mm与二等水准测量相当。

在实际应用过程中受制于数据获取条件、数据处理方法、处理算法差异以及技术人员专业水平的影响，监测结果目前尚难以完全达到上述理论精度。通过欧空局GMES计划下在Terrafirma工作中组织开展了PSIC4（Persistent Scatterers Interferometry Independent Validation and Intercomparison of Results）项目，研究表明，InSAR时序分析处理方法在数据量达到20景左右时可达到1～3mm的监测精度。

（3）人工角反射器方法（CR-InSAR）人工角反射器大部分采用金属材料制成并且与雷达波的入射方向保持最佳的夹角，通常反射强度远大于周围物体的反射强度，可以看作是一个点状目标的人造永久散射体。

人工角反射器方法（CR-InSAR）有效的解决了永久散射体方法（PS-InSAR）对建筑物稀少或植被繁密地区地面沉降监测的限制。监测过程中，人工角反射器在SAR影像上的幅度和相位都很稳定，可以用于监测微小和缓慢的地表形变。同时，人工角反射器点位也可以看做成PS点的加密，可以有效的解决时间基线较长和空间基线较大的问题。其精度在永久散射体方法（PS-InSAR）的基本上进行了进一步的加强，可以精确的测量某一地区、某一时段内毫米级的位移。

（4）小基线集方法（SBAS-InSAR）

小基线集技术（SBAS-InSAR）是2001年由Berandino和Lanari等人提出的，其理论是由一定数量的SAR影像数据构成集合，通过将多幅影像公用一幅主影像进行配准，通过选择较短的基线距离，尤其是垂直基线，一般设置200米以内，通过“奇异值分解”（SVD），获得较低空间失相干，具有较高空间分辨率的干涉像对。并且，通过这种方法获得干涉像对，通过最小二乘法则，将由很多满足条件的干涉像对，得到时间序列。并且由时间序列，生成所选区域的垂直形变图。该方法不需要大量SAR影像，也不需要很高的费用，是一种非常有效的InSAR处理方法，并且在长时间序列监测地面沉降的应用中，具有非常广泛的应用前景。

小基线集技术（SBAS-InSAR）扩展了Ferreiti（2001）介绍的永久散射体技术（PS-InSAR），即将若干个小基线数据集，经过简单和有效的合并得到所有可用的小基线干涉图。小基线集技术（SBASInSAR）创新与永久散射体技术（PS-InSAR）主要在以下两个方面：（1）利用不同小基线子集的影像加大了时间采样率；（2）加强了提取空间分布密集形变图的能力。随着永久散射体技术（PS-InSAR）的发展，在计算机（目标的）空间和时间形变序列时，会进行大气相位初滤波的过程，在小基线集技术中，这样的过程亦可以减少图像像元中较高的空间密度。小基线集方法（SBAS-InSAR）限制了长基线导致的几何失相干，同时在进行小基线集技术（SBAS-InSAR）处理SAR影像数据时，可以利用尽可能多的SAR影像数据参与到数据处理中，最终获得形变图，这样就能够增加时间上的采样率。可见才用小基线集技术（SBAS-InSAR）得到的数据精度要优于永久散射体技术（PS-InSAR）。

五、总结

InSAR测量技术对于缓慢地面沉降监测具有范围覆盖广、周期短、数据准确的优势，区域性的总体监测精度一般与常规技术相当，监测精度可达到毫米级，可以用于有效地监测区域性地面沉降的发展趋势。可有效的应用于大范围区域性地面沉降监测项目。

[1]葛大庆,王艳,范景辉,刘圣伟,郭小方,王毅.地表形变D-InSAR监测方法及关键问题分析[J].国土资源遥感,2007年第四期

[2]杨成生,侯建国,季灵运,祁晓.InSAR中人工角反射器方法的研究[J].测绘工程,2008,17(4):12-14

征稿启事

本刊自2000年创刊以来，一直得到广大会员单位、会员和读者的支持和厚爱，目前已是《中国学术期刊网络出版总库》、《中文科技期刊数据库（全文版）》、《中国校心期刊（遴选）数据库》、《万方数据-数字化期刊群》全文收录期刊。敬希广大会员单位、会员和读者惠赐稿件，包括遥感科技论文，遥感科技动态、遥感科技成果，会员单位风貌与成就等等，均竭诚欢迎。并请自行严格校对，因专业语言和有关公式编辑很难核对。来稿请用电子文件，发送至yzhb2005@126.com或Guoqingshirs@163.com邮箱。