基于哨兵—1A数据的D—InSAR地表沉降监测研究

曹强 侯岳 马海涛

摘 要：本文采用D-InSAR技术对试验区范围内收集的3期哨兵-1A数据进行处理，获取地表沉降区域。试验结果与采矿区分布位置相吻合，表明哨兵-1A数据在大范围地表沉降监测中是切实可行的，能使工作人员全面、及时、快速掌握大范围地表形变状况，有效降低监测成本。

关键词：D-InSAR；哨兵-1A；地表沉降监测

中图分类号：P642.26 文献标识码：A 文章编号：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号卫星是欧洲太空局哥白尼计划（GMES）中的地球观测卫星，于2014年4月3日发射升空，搭载有C波段合成孔径雷达，能为区域性地表形变监测免费提供5m×20m干涉宽幅模式（Interferometric Wide Swath，IW）数据。利用D-InSAR技术获取地表沉降监测的研究己较为成熟，可靠性也得到论证。例如，吴立新[1]等人利用5期SAR数据获取矿区形变结果；董玉森[2]等人利用二轨法对矿区地表形变进行监测，得到了沉降区分布范围与最大沉降量；马海涛[3]等人利用二轨法和三轨法对铁矿区地表形变进行监测。哨兵-1A SAR数据时间周期短和实效性好，在大范围区域性地表形变监测方面优势突出。但是，当前利用该数据进行地表形变监测的研究较少。本文旨在对哨兵-1A数据在大范围地表监测方面做一些探讨，为广域地表形变监测拓展新思路。

2 D-InSAR监测地表沉降原理

InSAR技术是通过两期或多期相干性强的SAR数据进行差分干涉，得到高精度的地表微小形变引起的地表形变相位。通常情况下，干涉相位包含大气延迟相位、噪声相位、地形相位、平地相位及地表形变相位5部分[4]，计算公式为：

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

其中，[?topo]为地形起伏引起的地形相位；[?def]表示地表形变引起相位；[?flat]为平地场相位；[?atmo]表示大气延迟相位；[?noise]为噪声相位。

根据是否有公共参考影像和DEM，可将D-InSAR技术分为二轨法、三轨法[5-6]及四轨法。

3 基于D-InSAR技术的地表沉降监测

3.1 试验区概况

本文选择鹤壁市采矿区作为地表沉降监测的对象，地理坐标为113°59′E至114°45′E，35°26′N至36°02′N。采矿区集中于鹤山区和山城区。这两个区域人工建筑较多，硬化地表面积大，后向散射特性稳定，具有高相干性，利用D-InSAR技术监测大范围的地表沉降是切实可行的。

3.2 数据及预处理

本文选择空间基线和时间基线都较小、具有高相干性的20151214期（1期）、20160107期（2期）、20160307（3期）期哨兵-1ASAR數据作为矿区地表沉降监测数据源，进而获取1-2、2-3时间段内矿区地表形变状况。因SAR原始数据幅宽为250km×250km，需要根据试验区的地理坐标进行影像裁剪，便于配准及差分干涉处理等工作。数字高程模型为30m的SRTM数据，范围必须覆盖裁剪后SAR影像。图1和图2分别为试验区SAR强度图、试验区DEM。

3.3 D-InSAR技术监测矿区地表形变

对预处理的1-2、2-3两组SAR像对进行基线估算，确保满足干涉条件，并获取轨道偏移参数及其他有关的参数。本文空间基线、时间基线及多普勒质心频率远小于临界基线值，具有良好的相干性，完全满足要求。

将两组SAR像对进行共轭相乘，即得到原始干涉图。在此基础上，利用DEM数据去除地形相位、通过滤波抑制噪声相位，得到两组相位图和相干系数图，并利用最小费用流法[7]（Minimum Cost Flow，MCF），相干性阈值为0.4，分解等级为1，获取解缠后的地表形变真实相位，其中1-2像对的干涉及解缠结果如图3所示。

在地表未发生形变的平地区域，选择高相干性的GCP点，选择二次式[y=k0+k1xrange+k2xazimuth]，求取轨道参数改正数，并根据数学模型将真实地表形变相位转换为地理坐标系下的地表沉降量，具体见图4和图5。

3.4 监测结果分析

图4中的方框为地表沉降集中区域，这与鹤壁市矿区实际位置相一致。通过比较两期形变结果，发现沉降区位置分布趋于一致，范围有较明显的扩张趋势。两期形变结果最大沉降量均大于2.5cm，2-3期最大沉降量达5.5cm。

利用ArcGIS空间分析工具获取图沉降区的剖面线，发现沉降区剖面呈漏斗状，沉降量均超过2cm。由于选取剖面位置的不同，所获剖面线并不能准确衡量漏斗中心的沉降量。

4 结语

利用D-InSAR技术对3期哨兵-1A SAR数据进行处理，获取鹤壁市矿区地表形变监测状况，有助于从宏观方面掌握沉降分布的空位与位置，为监管因矿区开采造成的地表变形提供有效手段。为有效掌握采矿区范围微小形变及采矿沉降规律，常规D-InSAR技术难以满足需求，后续将利用时序InSAR技术进行监测。

参考文献：

[1]吴立新，高均海，葛大庆，等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测試验研究[J].东北大学学报，2005（8）：778-782.

[2]董玉森，Linlin G. E.，Hsingchun Chang，等.基于差分雷达干涉测量的矿区地面沉降监测研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2007（10）：888-891.

[3]马海涛，李辉，刘勇峰，等.D-InSAR技术在矿区地表沉降监测中的应用[J].金属矿山，2011（2）：95-98.

[4]祁晓明.PS-InSAR技术在西安地区的变形监测研究[D].西安：长安大学，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]张红.基于相干目标的DInSAR方法研究[M].北京：科学出版社，2009.

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