高分辨率SAR数据在河北省城市形变监测中的应用

王俊肖，张倩女，顾润德，杨 旭，李会杰

(1.河北省第三测绘院，河北 石家庄 050031；2.黑龙江大学信息管理学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引 言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高精度对地观测技术，利用对同一目标成像的两景影像的回波信号相位差来获取地表高程信息。

SAR对地观测技术最早在20世纪50年代初由美国科学家提出，1978年5月美国宇航局发射了海洋一号卫星SEASAT-A，这是卫星上首次装载合成孔径雷达。之后星载SAR技术得到了迅速的发展，一系列星载SAR系统先后升空。SAR对地观测技术主要有以下两方面特点：

1）SAR图像空间分辨率可以达到几米到几十米，提取的高相干点密度高。如ERS(European Remote-Sensing Satellite)和ENVISAT ASAR(Environmental Satellite Advanced SAR)分辨率达到25m，Radarsat-1和ALOS PALSAR（Advanced Land Observing Satellite Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar）分辨率达到10 m，新一代Radarsat-2分辨率可达3m，TerraSAR-X的空间分辨率更高，可达1 m。

2）SAR卫星的重访周期较短，对地观测的时间采样率高。SAR卫星重访周期一般在一天到一个月左右，如ERS-1/2和ENVISAT ASAR为35天，Radarsat-1/2为24天，ALOS PALSAR为46天，TerraSAR-X为11天。多颗卫星组成的星座群的重访周期更短，如意大利的COSMO SkyMed（Constellation of Small Satellites for Mediterranean basin Observation）卫星群由4颗SAR卫星组成，重访周期可以在12h以内，卫星每次过境，就是对地表形变信息的一次记录。

地表形变是一种缓慢的形变，它是由多种因素引起的[1]。许多研究学者都对地表形变做了很多的工作，传统监测地表形变的方法是水准测量和GPS测量。然而水准测量和GPS测量的时间都是以年为单位，有些地区甚至好几年才能观测一次。随着技术的发展和监测的需求，传统的测量方法在大范围短时间的形变监测中越来越不能满足需求。InSAR（Interferometry SAR）作为一种新技术得到了发展。Gabriel等在1989年第一次将SAR影像干涉处理技术应用于地表微小形变的测量[2]。A.Ferretti，C.Prati和F.Rocca等在1999年前后共同提出了时序InSAR技术即PSI（Permanent Scatterer Interferometry，PSInSAR），该技术进一步提升了SAR影像用于地表形变监测的精度[3]。如今随着数据获取技术及数据处理能力的发展，InSAR在地表形变监测领域尤其是大范围形变监测方面发挥着越来越重要的作用，得到了中外研究及应用部门的高度关注。本文内容即是在这种趋势的推动下，利用InSAR技术在河北省城市地表形变监测中的应用。

1 方法与数据

1.1 关键技术

差分干涉测量技术（Differential Interferometry,D-InSAR）是干涉测量技术的一个延伸，目的是为了利用雷达影像获取在视线方向上的地面形变信息。D-InSAR技术即利用发生形变前后的两景SAR影像，将地形、大气等相位去除，进而得到形变相位的技术。

D-InSAR技术在应用中会受到去相干及大气延迟的影响，为了解决这一问题，采用了永久散射体雷达干涉测量技术。PS-InSAR技术的基本原理是利用同一地区的多景SAR影像，通过统计分析所用影像的幅度和相位信息，查找不受时间、空间基线去相干和大气效应影响的永久散射体[5]。通过对这些散射体进行分析可以得到高程、地表运动、大气等各相位组分，而且可以根据各网点的相位值插值拟合出研究区域的大气效应的线性贡献值提高形变监测的精度。

基本方法就是利用按时间排序的N景影像，利用一定的方式选取一个主影像，其他的N-1景为从影像，进行影像配准并取样于主影像之后再进行差分干涉处理，得到N-1景差分干涉图。之后按照过滤条件选取在N-1景差分图上稳定的PS点，后续的处理都集中在这些PS点中。将大气信号、地形信息及噪声等进行估计并从PS点相位中去除，则可以得到这些PS点上高信噪比的信息，进而进行进一步的研究。

PS-InSAR技术的主要处理步骤如下[6-8]：

1）主从影像配准及生成差分干涉图

选取N景SAR影像中的一景作为主影像，对其他N-1景与主影像进行匹配、干涉，其中目标P在第i景干涉图上的差分相位可用如下形式表示：

2）选取PS点。

PS点是指在时间序列上稳定的点，即在形成的所有干涉图中都具有很好的相干性。在PS-InSAR处理过程中，以其中一景影像作为主影像，其他作为从影像，分别与主影像配准生成干涉图，剔除掉相干性不理想的影像，再利用振幅离差法选取在时间序列上都比较稳定的PS点。

4）相位解缠。

在选取出PS点后，由于其相位也是缠绕在[-π，π]之间，因此采用三维时空解缠的方法进行相位解缠来得到其真实相位，再将解缠后的相位通过滤波器去除大气相位后，就可得到了最终需要的形变相位信息。

本文中的数据处理采用SARPRPZ软件来处理，处理流程如图1所示。SAR影像数据集为输入数据，经过配准、重采样、去地平、PS点选取等步骤最终得到实验结果。在该软件中，可以根据需要输出不同的数据结果，本文中石家庄实验区输出的结果为时间序列内的累积形变量，沧州实验区输出结果为时间序列内的年形变速率。

图1 PS-InSAR形变信息提取流程Fig. 1 Process flow of PS-InSAR

1.2 项目数据

项目采用了3m分辨率的COSMO SkyMed数据和3m分辨率的TerraSAR-X数据。实验对石家庄市和沧州市两个市区分别采购了37景数据，经过数据质检等选取了石家庄37景COSMO SkyMed数据、沧州市24景TerraSAR-X数据作为最终数据进行了后续数据处理（见表1，见表2）。如图2所示，图中外框为整景影像覆盖范围，内框为实际处理范围。

表1 石家庄影像时序表Tab. 1 Shijiazhuang image time series

表2 沧州影像时序表Tab. 2 Cangzhou image time series

图2 影像覆盖Fig. 2 Image coverage

2 结果分析

利用SARProZ软件，分别对石家庄和沧州的数据集进行时序InSAR处理，过程中相干系数均采用大于0.5部分，图3为石家庄市试验区累计形变量图，图4是沧州市试验区年形变速率图。

通过利用PS-InSAR技术对石家庄市区地表形变的监测，我们发现在2013年2月～2014年10月期间，石家庄市区地表沉降速率在5～10mm/a之间，总体趋于平稳，但是个别地区沉降速率较快，有些区域有不均匀沉降的发生，其中石家庄火车站南部铁轨沿线地区、石家庄西北部西简良地区较明显，即图3中两个红色方框所示区域。

图3 石家庄市实验区累计形变量图Fig. 3 Cumulative displacementmap of Shijiazhuang experimental area

同样，对沧州市市区地表形变的监测，发现在2013年3月～2015年6月期间，沧州市市区部分区域比较稳定，局部地区有沉降速率过快的现象发生。沧州市市区原来的水位埋深较大的区域没有发现沉降过快的现象，沉降速率在-20mm/a之上，其中原米苏阳光小区形变较为明显，即图4黑色方框所示区域。

图4 沧州市实验区年形变速率图Fig. 4 Annual velocity displacementmap of Cangzhou experimental area

2.1 与地下水有关的形变

石家庄市区所处的大地构造环境、地壳结构特征、新构造运动特征、断裂活动和地震活动按条件划分在区域上属于基本稳定型。石家庄市区属华北平原的西边缘，出露地层以新生界第四系地层为主,也是本区自然资源赋存及经济建设、人类活动涉及的主要层位。

石家庄西简良地区位于石家庄市西北部，实验结果显示其沉降累计量为-15～10mm。通过河北地质部门提供的石家庄浅层地下水水位埋深报告分析，石家庄西北部地区地下水水位埋深较大，且西北部地区的西简良一带正好位于石家庄的一个水位降落漏斗区，在这个区域中，浅层地下水低水位期（12月30日）和高水位期（6月30日）水位埋深大的区域面积变化较大。选取了该区域点进行形变分析发现，形变集中发生在2013年7月到12月，如图5形变点示意图所示。由此我们可以推测出地下水超采及高低水位的变化是造成该地区地面沉降的主要原因。西简良地区为居民区与工厂的聚集地，居民生活用水和工业用水的消耗量巨大，需要大量开采地下水，故上述两方面很可能是引起此处沉降较为严重的原因。

图5 形变点示意图Fig. 5 Displacement on permanent scatterers

由以上分析来看，西简良地区的沉降速率比其他地区的沉降速率要快，沉降累计量为-15～10mm，这个数值并不算大，但是由于西简良地区已经形成了地下水降落漏斗，并有逐年扩大的趋势，漏斗扩展的主要方向是北部-西北部市区供水原地，2005年比2000年的漏斗面积扩大了91.2km2，漏斗平均水位埋深也呈逐年下降的趋势，2005年比2000年水位埋深平均下降了5.09m，所以我们要对地下水降落漏斗区的沉降现象保持高度警惕。

2.2 与施工有关的形变

伴随着社会经济的持续发展，城市基础设施建设迅猛发展，尤其是河北各主要城市最近几年的城市化进程明显加快，旧城区改造、新居住区成片开发，大量高层、超高层建筑不断兴建，城市规模不断扩大，交通运输线路越来越密集，使得地表荷载加重，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，成为近年来新的沉降制约因素之一。高层建筑群造成的城区地面沉降的特点是距建筑物一倍基础宽度范围内的地面沉降速率大于建筑物本身的沉降速率。实验的结果显示（见图3下方红色框及图4黑色框），在很多施工工地周围的地区，在其施工期间会发生很明显的形变，沧州的米苏阳光小区附近的形变区和石家庄火车站南部铁路沿线的形变区就是典型的例子。

在实验中发现米苏阳光小区周围的形变较大，且该小区内无明显PS点。年形变速率在-20～10mm/a之间。通过对比不同时间的影像数据（图6所示），发现此区域在2013年地面有建筑物（图6a），2014年后建筑物被拆除进行再建设，2015年影像显示该区域已经是施工区（图6b）。经查阅资料及咨询沧州市负责沉降监测的有关部门发现：米苏阳光小区原为旧调料厂，现被纳入旧城区改造项目，米苏阳光小区所在地由工业用地转变为住宅用地，2014年时工厂已经迁出，厂房被拆除，住宅小区开始建设。因此可以知道，在数据覆盖的时间序列内，该小区为建设时间，因其地表变化明显造成了该区域的失相干，而其周围区域由于受其施工的影响发生了较明显的形变。

图6 米苏阳光小区2013年与2015年影像图Fig. 6 Images comparison of Misuyangguang in 2015 and 2013

实验显示石家庄火车站南部铁路沿线地区沉降比较严重，沉降累计量为-50～10mm，如图7所示。石家庄站是石家庄自2013年以来投入使用的新站，在此处发现的形变区域位于石家庄站南部，在南二环以南。通过历史影像对比如图8所示发现该段铁轨是2011年建设的，2012年已建成，工程施工可能是造成沿轨区域地表荷载加重，从而引起沉降的原因。另外，由图8中两图对比可以发现，铁轨两侧区域在2013还是裸露的地表，在2014年新建高层建筑明显增多。该区域城区改造不断加快，而铁轨位于其新建建筑区范围内，该范围内的地面沉降速率会大于建筑区本身的沉降速率，所以这个因素有可能会加剧铁轨沿线的地面沉降。高速火车（高铁、动车）以较快速度在铁轨上行驶，由于速度快、火车质量大的原因，给铁轨沿线区域造成了很大的地表荷载压力，再加上新建不久的建筑及交通设施，本来就处于施工后的加速沉降阶段，这样的叠加效应也会引起该区域的沉降速率过快。

图7 石家庄站南部铁轨形变Fig. 7 Displacement of the railway track in southern Shijiazhuang

图8 石家庄站南部2013年与2014年影像图对比Fig. 8 Images comparison of the railway track in southern Shijiazhuang Station in 2013 and 2014

通过计算得出，该沿轨区域平均沉降速率为-30～20mm/a，数值处于国家规定的铁路交通设施施工后沉降标准的临界值上。这样的结果说明了该区域沉降速率比较快，也造成了该区域的不均匀沉降。这种现象长时间存在，会给铁轨造成不同程度的损坏，有发生铁轨断裂造成火车出轨的可能性，需对该区域进行持续的监测，若有必要则采取铁轨加固、路基加固等相关措施，防止铁轨及沿线区域沉降的发生，从而避免发生重大交通事故。

石家庄市是华北地区重要的交通枢纽，京九铁路、京广铁路等多条铁路干线交汇于此，另外多条高速公路也贯穿石家庄通过，利用PS-InSAR技术对石家庄境内的交通设施进行常态化监测，获取高精度的监测结果，用于来解决交通设施沿线区域沉降速率过快的问题，从而为交通设施的维护、保养等作业提供专业可靠的数据保证。

3 结束语

近年来，InSAR技术随着星座化SAR卫星的发展趋势得到了快速的发展[11]，并且该技术在地震形变研究、有效提取洪水淹没范围[12]、滑坡形变监测等各个领域都得到了广泛应用，利用时序InSAR技术进行大面积城市地表形变监测也日益受到关注，利用高分辨率雷达数据对城市地区进行持续监测是城市形变监测的有效手段之一。本文中的项目属于国情监测的一部分，以此为契机，对河北省石家庄市和沧州市采用时序InSAR技术进行了城市地表形变监测的应用研究，并得到了很好的结果。河北省各主要城市近年来发展速度非常快，各种大型基础设施、大型商业综合体、新建高层住宅等都全面建成或在建设中，城市周边近郊的建设也在如火如荼的开展中。城市的快速发展离不开科技的创新驱动。我们这次利用InSAR技术对两个城市市区进行地表形变监测，是对其地质承载力的一种检测，同时也是对城市功能区和周边配套区域的全方位普查，得到了真实可信的成果，为城市的发展及领导的决策提供了有力的服务保障。