合成孔径雷达干涉测量小基线集(SBAS-InSAR)技术在南水北调双王城水库沉降监测中的应用

宋 翔，张运保，任梦龙

(1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东润鲁工程咨询有限公司，山东 济南 250109)

1 研究区概况

双王城水库位于南水北调胶东输水干线中部的山东省寿光市北部，年可调蓄净水量5711万m3，其中潍坊、青岛调蓄净水量3711万m3。该水库形状大概为梯形，拐点处利用圆弧顺滑连接。设计总库容6150万m3，水库占地总面积7.5km2，水库围坝总长9.636km。水库周边地势平坦，土质较差，属微倾斜低平原区的冲积-海积平原亚区。寿光市是中国蔬菜之乡，近年来大量抽取地下水资源进行蔬菜灌溉，造成了局部区域不均匀沉陷，研究库区地表变形的发生、发育规律，对保证双王城水库的安全运行具有十分重要的现实意义。

2 研究背景

合成孔径雷达干涉测量技术作为空间测量技术的一个重要分支，已广泛应用到地震、火山、地面沉降以及滑坡等地质灾害监测中，在国外也有成功用于水库开采沉陷监测的例子。合成孔径雷达干涉测量小基线集(SBAS-InSAR)技术基于其空间覆盖范围广、高分辨率、高精度以及自动化监测地表变形的能力，可以精确探测地表空间位置的微小变化，利用遥感卫星多时相的雷达图像信息，进行地表垂直形变量的提取，理论精度可达到毫米级。同时可以利用存档数据，获取以前没有进行测量的沉降数据，弥补数据缺失导致对沉降过程的不了解。

3 小基线集(SBAS)时序分析数据处理方法

2002年，Berardino最早提出了小基线集(SBAS)方法，并将其用于长时间缓慢形变的研究。SBAS方法将所有覆盖同一地区的不同时相的SAR影像按预先设定好的基线阈值组合成若干小基线集合，集合内SAR影像基线小，集合间的SAR影像基线距大。利用常规DInSAR对这些基线集进行干涉处理，从干涉图中识别出具有稳定相位的相干目标，得到相干目标在两次成像时间间隔内的地表形变信息，以此增加观测样本数量；将这些干涉像对的形变信息按时间先后顺序组合起来，据此减弱大气相位和随机噪声对形变相位的影响。每个小集合的地表形变时间序列可以利用最小二乘法得到，并利用奇异值分解(SVD)法将多个小基线集联合起来得到整个观测时间的沉降序列。

4 双王城水库试验数据

4.1 合成孔径雷达数据

根据双王城水库的地理位置和研究区域的要求，调查了欧洲航天局现有的2012年以来存档的3m高分辨率COSMO-SkyMed雷达影像数据。考虑到基线限制、时间去向干性等因素，利用20120209—20141231共9景SAR影像进行研究。此外还通过欧洲航天局2015年5月—2016年4月27景10m分辨率的哨兵数据(Sentienl-1A)获取2015年5月—2016年4月双王城水库的沉降。首先进行9景COSMO-SkyMed数据处理，然后再进行27景哨兵数据(Sentienl-1A)的数据处理，如图1所示。

图1 2012—02—09接收的SAR影像强度图

4.2 美国宇航局SRTM DEM数据

选取了美国宇航局发布的SRTM DEM数据作为外部DEM，如图2所示。数据范围为北纬37°～38°，东经118°～119°。

图2 SRTM DEM(37°～38°N，118°～119°E)

4.3 气象数据

此外还采用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，简称ECMWF)气象数据进行了大气延迟剔除。

5 小基线集(SBAS)数据处理方案

本次试验主要采用ENVI SARscape和开源软件GMTSAR、GIAnT进行SBAS时序分析，在形变结果的后处理中采用NV和ARC/INFO GIS软件进行几何校正、影像叠加和影像数据配准融合处理等，如图3所示。

小基线技术的核心思想主要包括两点，一是将干涉影像对作为观测量，利用最小二乘思想求解形变量，通过多余观测提高精度；二是尽量选用时空基线较小的干涉影像对，以避免失相干引起的误差。另外，对于轨道误差及大气误差的去除，采用时空滤波的方法。

图3 SBAS时序分析流程

5.1 小基线集(SBAS)选取

本次研究选取的数据时间跨度为5a，双王城水库周边覆盖有浓密的植被，这使得在时空基线较大的干涉相对存在严重的失相干。本次研究设置的时间基线阈值、空间基线阈值根据数据不同而有所不同，但原则是时间基线阈值尽量短，空间基线阈值尽量小。

需要说明的是，SBAS时序分析处理得到的形变监测结果是一个相对值，时间参考点和形变参考点的不同将影响最终结果。本次研究COSMO-SkyMed选取20120209数据，哨兵数据选取20150519，即将2类数据第一景影像作为时间参考点。另外，选择东营市区东北部东胜机场作为形变参考基点。

5.1.1COSMO-SkyMed数据基线选取

本次选取的数据时间跨度为2012—2014年年底3m分辨率的9景COSMO数据，其中3m分辨率的COSMO数据设置时间分辨率为360d，空间基线为允许最大基线的45%(临界基线=4400m)。选择了2013年5月2日的SAR影像数据作为超级主影像，并为本次研究提供统一的配准基准，共得到28对干涉对，如图4所示。

图4 三维时空基线组合

5.1.2哨兵数据(Sentienl-1A)数据基线选取

选择2015年11月15日作为超级主影像，设置时间基线阈值为72d，空间基线阈值为100m共构建了94对干涉影像对。其中，最大时间基线为72d，最大空间基线为98m;最小时间基线为12d，最小空间基线为0.55m，如图5所示。

图5 小基线集组合图

5.2 干涉处理

首先，需将所有影像与超级主影像进行配准处理。其次，在配准的基础上需对辅影像进行重采样，这时需考虑影像变化的多普勒频率，对重采样核进行调制。然后减去地形相位，并调用Snaphu进行相位解缠，如图6所示。

图6 (20131212—20140113)时段干涉条纹图(去除地形相位、滤波、解缠)

5.3 小基线集(SBAS)时序分析处理

对小基线集的所有干涉影像对进行干涉处理，分别得到28对COSMO-SkyMed数据和97对哨兵数据(Sentienl-1A)的差分干涉图和相干系数图。然后基于筛选后的像元进行大气效应去除。鉴于双王城水库库区水汽丰富，大气效应尤为严重，采用ECMWF气象数据使用数值大气校正的方式进行大气校正，通过对真实的大气观测资料(高度、湿度、气压和温度等参数)进行建模，来估计大气延迟。本次研究所用轨道为精密轨道数据，故轨道误差对于干涉图的影响不大，如图7—8所示。

注：黑框为双王城水库库区

图8 双王城水库相对形变速率

最后，将经过大气校正和轨道误差去除的差分干涉图作为观测值，并将形变量作为待求值进行SBAS求解。此外，还将求解DEM误差，以获得更高精度的形变量。可得如下观测方程：

(1)

式中，δφn—第n～(n+1)幅干涉图的相位递增量；φij—第i～j幅干涉图的差值；f(Δtk)—根据给定形变模型计算的形变相位，由于本文所选影像间时间跨度较短，故使用与时间相关的二次多项式作为形变模型；Bk—第1～k幅SAR影像的基线累积量；e—常数项，其与Bk的乘积为DEM误差；v1，v2—计算误差。上述方程在实际中需采用迭代最小二乘方法逐步求解，得到最终的形变量及形变速率。

6 结论与展望

对上述方案进行了大量的数据处理，且在监测方案中进行了不同的关键算法的试验，如干涉图的滤波、相位解缠和大气噪声消除等，最终得出的各个时间段的沉降量是可靠的。本次研究最终获取4个监测阶段2012—2013、2013—2014、2014—2015、2015—2016年间双王城水库系列形变图。形变图分别与影像强度图进行叠加或融合，并将双王城水库的观测点名称标注在形变图上，以便于形变范围和形变量级的定位与解释。该技术应用于大区域地面沉降灾害监测是完全可行的，而且还具有以下优点。

(1)可以弥补历史缺失的资料，只要能找到存档的SAR影像数据，在满足一定技术要求下，采用SBAS-InSAR技术可以监测过去的沉降状况。

(2)SBAS-InSAR技术以计算为主，除建立必要的控制点和野外踏勘外几乎不需要外业的操作，可以实现人员难以到达的区域，特别是危险区域的灾害形变监测。

(3)SBAS-InSAR技术直接获取形变数据，而该数据很容易被存储为其他软件要求的数据格式，如GIS数据格式等，这样很容易与其他技术的数据衔接，为后续进行数据的融合、影像叠加和GIS管理与分析等提供了条件。

SBAS-InSAR技术作为一种新型的监测手段，其技术方法还不成熟，不像传统监测技术那样只要按现成的作业规范去操作即可获取需要的结果。因此从目前研究来看还存在以下问题。

(1)SBAS-InSAR监测技术首先取决于所获取的SAR数据的质量，而SAR技术作为一种主动遥感技术对所监测的环境有很大的依赖性，尤其是监测区域的植被、含水量、土地变化、形变量级、气候等因素。

(2)大气影响也是SBAS-InSAR形变监测中的一项关键因素，这主要取决于研究区域的气候、降水、季节性变化等。

(3)由于SBAS-InSAR监测只是一种相对测量，是空间和时间两方面的相对测量，因此为获得研究区域的绝对形变量，需要提供相对稳定区域的信息，即需要一定数量的地面监测资料。另一方面为了对InSAR监测成果的标定，也需要具有一定分布特点和一定数量的地面监测数据，由于本次试验缺乏此类数据，所以还无法对DInSAR监测的结果进行校正及其精度方面的分析。

综上分析，SBAS-InSAR技术用于地面沉降监测是可行的，是一种十分具有应用前景的技术。存在的一些问题在一定程度上是可以解决的，本次研究正是通过采用多种有效的技术措施和技术方法，较好地获取了双王城水库2012—2016年地表形变的重要信息。