基于二轨法D-InSAR技术监测地表沉降

高 清 勇

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队，贵州 安顺 561000)

0 引言

InSAR技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar)也称干涉雷达测量技术，是不同时间点、形变前后、覆盖同一研究区域的两张SAR影像为基本处理数据，通过求取两幅SAR影像的相位差，获取干涉条纹图像，经滤波和相位解缠后，通过差分处理从干涉条纹中获取地表形变数据的空间对地观测新技术。因地下施工，地质板块运动而引起的地面沉陷问题，对人们生产生活、经济发展及周围环境造成了影响，对地表沉陷的监测是至关重要的。传统的监测手段有精密水准测量、三角高程测量和GPS观测技术等，具有精度高、可靠性强等优点，但同时存在工作量大、观测时间长、成本高、空间分辨率低等缺点。随着SAR技术的提出与发展，沉降地区地表沉陷监测手段得到快速发展，利用InSAR技术来监测地表沉陷已进入新的阶段，其中D-InSAR技术因其快捷方便、低成本、高精度、对微小变形的高敏感度等优点，被广泛应用于各沉降地区的沉陷监测。本文中利用某沉降地区的InSAR数据进行实际处理、应用与分析，并与传统沉降地区监测方法实际测量数据进行分析比较，验证InSAR技术的可靠性与可行性。

1 二轨法D-InSAR形变测量基本原理

InSAR干涉相位包括地形信息和地表形变信息以及其他相位信息，表示如下：

φif=φflat+φtop+φdef+φorb+φatm+φnoi

(1)

其中，φflat为平地效应相位；φtop为地形相位；φdef为地表形变相位；φorb为轨道误差引起的相位；φatm为大气延迟相位；φnoi为噪声相位。

D-InSAR就是采用一系列措施来消除其他相位，只留下由地表形变引起的相位。以二轨法为例介绍D-InSAR形变监测原理。

若忽略轨道误差、大气扰动和噪声影响，由式(1)可知，从干涉相位中去除平地效应相位和地形相位，就可得到地表形变引起的相位，由此进一步得到地表形变。

点P1在参考椭球面上，该处相位只包含平地效应相位，地面点P2则包含平地效应相位和地形相位。

(2)

(3)

(4)

两幅SAR影像观测期间形变为：

(5)

利用误差传播定律对式(5)的h求偏导，可得：

(6)

由式(6)可知，DEM的精度对地表形变的误差起到了至关重要的作用。SRTM在2019年2月11日～22日完成了飞行使命，得到了覆盖地球80%以上的陆地面积的雷达影像数据，制成了DEM数据，SRTM3 DEM数据在我国的分辨率为90 m，平原地区绝对高程精度优于5 m,为二轨法差分干涉测量提供了有力的保证。

2 D-InSAR监测沉降地区沉陷的实例应用

2.1 实验区选择

某试验区位于某城市西南部，西北距某集团有限公司6 km，东南距某县城约15 km，行政区划隶属该市某沉降地区及该县管辖。该沉降区域宽约为2.5 km，走向长约为8 km，面积约为20 km2。该区域交通条件十分便利。在本文采用的SAR影像监测期间，该地区有地下常年施工。选择覆盖该沉降地区的两景SAR影像数据，将2019年1月9日和2月2日的RADARSAT影像形成干涉对，外加SRTM3 DEM数据：N36E114.hgt，监测该沉降地区在24 d内的地面沉降信息。

2.2 数据处理软件

目前，针对SAR数据的处理开发出了很多软件，例如加拿大Atlantis公司的EARTH VIEW INSAR软件、荷兰Delft科技大学开发的Doris、美国的JPL和Caltech开发的ROI_PAC等。本文选用GAMMA软件完成差分干涉处理工作，该软件是由瑞士GAMMA遥感公司开发的，可以在Linux系统和Win系统下安装，也可开放源代码，操作比较简单易学。该软件可分成组件式的SAR处理器、干涉SAR处理器、差分干涉和地理编码、土地利用工具和干涉点目标分析这五个部分，可处理ERS-1/2,TerraSAR-X,SIR-C,JERS,PALSAR,RADARSAT,ENVISAT ASAR等SAR数据。

2.3 实验结果与分析

采用二轨法进行差分干涉处理，基本流程图如图2所示，利用地表形变前后的SAR影像对产生的干涉条纹图和DEM模拟的地形相位，从干涉图中去除地形相位获得地面沉降信息。通过ENVI和Golden Surfer软件，从获取的地面沉降图中提取出地形信息，绘制沉降等值线图。利用沉陷预测预报系统，预计在监测时间段内的沉降地区下沉曲线。对比两图，可以发现SAR影像监测得到的等值线与MSPS软件预计的等值线趋势、形状大致吻合，35 mm等值线吻合度最高，15 mm等值线吻合度最低，但还存在部分差异，一些差分干涉图反映的沉陷信息在预测等值线图中没有反映，而预计软件是在各方面条件均理想化的情况下得到预计结果，导致出现不吻合的地方。

该沉降地区附近设立了地表移动观测站，将观测站实测数据处理得到的沉降值与SAR影像监测相应观测站点的沉降量进行对比分析，计算出了两种方法的误差值，两组数据如表1所示。其中测站T0,T17～T26位于下沉边界以外，理论上不存在下沉，而影像监测到下沉值，可能因为SAR数据处理过程中存在影像间偏差、配准误差、轨道参数误差、操作误差等，此时要对这些测站的监测沉降值进行补偿。确定补偿值方法有：

1)利用沉降图取边界外相干系数为0.8以上的点的沉降值，求取平均值；2)根据Surfer软件得到的监测等值线图确定边界外补偿值。本文采用第一种方法，取补偿值为14 mm。为了有更加形象、直观的认识，将地面监测沉降量与影像监测形变量进行分析成图，如图3所示。从图3中可知，两者的最小误差为0 mm，最大误差为30 mm，18个点误差在10 mm以内，11个点误差在10 mm及以上，平均误差为8.97 mm，标准偏差为9.68 mm。

表1 D-InSAR监测沉降值与地面实测沉降值对比表 mm

通过对D-InSAR方法得到的沉降信息与地面观测站实测数据对比分析可知，两种方法处理结果基本相符合，但也存在一定的差值，这是因为基准象元点选取有偏差、数据内插不准确、轨道参数变化、大气影响等。总体来说，D-InSAR技术能够有效地监测矿区因开采沉陷引起的沉陷盆地，且D-InSAR技术可以得到整个区域的沉陷信息、不用布设观测站、更加方便快捷，节省了大量人力物力，这说明InSAR影像监测地面沉降具有一定的可行性和良好的应用前景。

3 结语

本文详细叙述了RADARSAT数据在沉降地区地表监测中的应用，结合SRTM DEM数据进行差分干涉处理，得到沉降地区的沉降信息。首先介绍了InSAR技术测量的基本原理和二轨法D-InSAR技术测量原理，然后介绍了干涉差分处理用到的GAMMA软件，讨论了主要模块的功能及相关程序，针对数据处理过程进行了论述，并研究了InSAR技术在某城市地区地表沉降中的实际应用，把得到的沉降信息与预测软件的预计结果、传统观测方法得到的沉降数据进行对比分析，得出了InSAR技术在监测地表沉降中的可行性与适用性的结论。