InSAR技術在南京河西新城地面沉降監測中的應用

王慶 ，張濤，邱志偉，岳建平

(1.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210019;2.南京市規劃局，江蘇南京 210029;3.河海大學，江蘇南京 210098)

1 引言

近年來，由于城市化進程加快，城市地下水的過度抽取以及礦產資源的過度開發等原因，許多城市特別在南京河西新城發生了不同程度的地面沉降。作為地表沉降監測的重要手段，星載InSAR技術以其覆蓋范圍大、精度較高等特點已得到了廣泛的應用。但是，由于星載SAR數據受時空失相干影響嚴重，并且無法對于地表的微小變化進行實時監測。地基InSAR技術利用連續對觀測區域獲取的雷達反射信號，能夠隨時監測到地表所發生的微小形變。通過地基雷達與干涉測量技術的結合，開創了一種地面沉降監測的新方法［1］。

2 地基合成孔徑雷達測量原理及IBIS－L系統介紹

地基合成孔徑雷達干涉(GBInSAR)技術基于微波探測主動成像方式獲取監測區域二維影像，通過合成孔徑技術和步進頻率技術實現雷達影像方位向和距離向的高空間分辨率，克服了星載SAR影像受時空失相干嚴重和時空分辨率低的缺點，通過干涉技術可實現優于毫米級微變形監測。采用GBInSAR技術能精確測定被測物表面沿雷達視線向(LOS)的微量變形信息，其基本原理是:通過合成孔徑雷達技術獲取監測區域的二維影像，利用SF－CW技術提高雷達的距離向分辨率，通過比較影像中目標點的電磁波相位信息，采用干涉技術求取監測區域的變形量［2］。

IBIS(Image by Interferometric Survey)是用于遠距離監測目標位移且具有成像能力的陸基微波干涉儀，IBIS－L是一種基于微波干涉技術的創新雷達(如圖1所示)。遙測距離可達 4 km，測量精度達 0.1 mm，與GPS、全站儀等技術相比，具有空間連續覆蓋的優勢，能夠對變形區域全天時、全天候進行連續觀測。該系統將步進頻率連續波技術(SF－CW)、合成孔徑雷達技術(SAR)、干涉測量技術相結合，通過合成孔徑技術獲取監測區域的二維影像，通過干涉技術提取相位變化量。該設備已經廣泛應用于邊坡工程、地面沉降、大壩等微小位移變化的監測。

圖1 微變形監測系統IBIS－L

3 地基InSAR技術地面沉降監測原理

InSAR技術目前是一項非常成熟的測量技術，該技術主要是通過雷達反射波的相位差異而進行的(如圖2所示)，將獲取到變形前后兩次的目標物不同的相位信息差異進行比較，從而利用式(1)解算出位移變化量。IBIS系統可以得到每一個像素單元的位移變化信息，由于IBIS得到的位移變化量是在視線向(Line Of Sight，LOS)的變化量，通過數學方法可以將目標物的變化情況投影到其他方向上，進而能夠保證設備監測到微小的位移變化。

利用相位差反演徑向位移變化的公式為:

式中，φ1、φ2分別為目標物變形前后雷達獲取的相位值。

圖2 干涉測量技術原理

如圖3所示，將IBIS設備架設在一個相對較高的區域，使得雷達波能夠覆蓋整個監測區域，通過雷達反射回來的相位的差異得到位移值，再將位移值投影到沉降方向，得到監測區每個目標的沉降變形。

由圖3不難看出，高程h、徑向距離r以及雷達入射角α滿足如下的幾何關系:

而視線向位移dLOS與鉛垂向位移dVERT間可依據下式相互轉換:

通過式(1)、(2)、(3)聯立后，便可由觀測得到的相位差計算得到地表沿鉛垂向的沉降值，公式為:

4 地面沉降監測應用

用IBIS－L系統對南京河西新城地區進行地面沉降監測，雷達覆蓋區域大約為 0.2 km2，區域內有居民地、廠房以及丘陵等。為了便于對地面進行沉降監測，設備安置于地質結構穩定的較高處，觀測點與測區間相對高程為 96.4 m。雷達的最遠觀測距離為 1 km，最近距離為200 m。但是，遠端由于入射角度較小，受雷達陰影的影響較嚴重，本次作業選取觀測條件較好的區域進行沉降監測。作業時間從2012年7月30日12:00～31日12:00，共計 24 h，采樣間隔為 5 min，獲取數據261景。

圖4為IBIS－L系統獲取的雷達信號的反射強度圖，由圖中可以看出，系統能夠準確地記錄下建筑物以及地表起伏，觀測區域內反射信號的強度均在 15 dB以上。圖5為雷達的相干系數圖，由圖可知目標區域的相干系數較高，均值在0.7左右。相干性是雷達干涉質量評價的重要指標，相干系數越高，表明影像的干涉質量越高，觀測精度也就越高［3］。

圖4 觀測區的雷達反射強度

圖5 觀測區的空間相干系數

大氣擾動產生的延遲誤差是InSAR測量的主要誤差。為消除此影響，本作業在測區內地質結構穩定處選擇若干個穩定點(如圖6所示)，依據這些點來自動評估大氣影響，進而消除測區內大氣所造成的延遲誤差，提高觀測精度［4］。首先，為了驗證IBIS系統沉降監測數據的可靠性，在測區附近基巖裸露區域(圖4中白色虛線已標出)選取3個點即:P10、P11、P12進行觀測，由于3個點都在穩定的基巖上，據此可認為它們不會發生沉降。從圖7中可見，3個基巖點在觀測的 24 h內實際的沉降量均在±1 mm以內，這種微小的變形在監測時間內有近似的變化趨勢，可認為是大氣延遲的殘余誤差對觀測結果的影響。從驗證的結果上可以看出，本次作業中IBIS－L獲取的監測數據準確，可靠性較高。

依據相干系數及相位穩定性等指標，提取出觀測區域內可靠的觀測點進行沉降變形監測。經過處理得到的視線向位移利用式(4)將其投影至沉降方向，圖8為監測區域內選取的5個觀測點，在 24 h內連續觀測的沉降過程曲線。由圖中可以發現，5個觀測點的沉降變形過程可分為3個時段，即為:30日12:00～21:00為變形時段;30日21:00～31日8:00為穩定時段;31日8:00～12:00為下一個變形時段。從以上3個時段的沉降規律可以推斷出，該地區的沉降主要受附近廠房的工作周期影響，其中距離廠房較近的4點與5點，由于受廠房生產的振動影響，沉降變化較為突出，但是各點的形變均在±5 mm內，連續觀測的 24 h內地表沉降的影響較小。

圖6 觀測區地表沉降偽彩色圖

圖7 基巖處沉降曲線圖

圖8 IBIS－L系統江灘地面沉降監測結果

5 結論

本次作業利用IBIS－L系統，對南京河西新城區域進行地面沉降監測，獲取連續 24 h的監測數據，得到了觀測區域實時的沉降位移變化過程。通過作業證明，地基InSAR技術采用微波探測主動成像方式，獲取被監測區域二維影像，可以實現對地面高精度的連續變形信息提取，是一種極具潛力的沉降監測新技術［5，6］。IBIS系統外業操作簡單，不需要反射裝置配合，工作人員不用進入變形體內，既保證了人員的安全，也避免了對變形體的影響。利用IBIS設備進行地面沉降監測，可以提高沉降監測精度，能夠實時地掌握地表的變化，為城市的健康發展提供保障，具有一定的經濟效益和社會效益［7］。

［1］岳建平，方露，黎昵．變形監測理論與技術研究進展［J］．測繪通報，2007(7)．

［2］廖明生，林琿．雷達干涉測量—原理與信號處理基礎［M］．北京:測繪出版社，2003(8)．

［3］邱志偉，張路，廖明生．一種顧及相干性的星載干涉SAR成像算法［J］．武漢大學學報·信息科學版，2010(9):1065～1068．

［4］何敏，何秀鳳．合成孔徑雷達干涉測量技術及其在形變災害監測中的應用［J］．水電自動化與大壩監測，2005(2)．

［5］湯益先，張紅，王超．基于永久散射體雷達干涉測量的蘇州地區沉降研究［J］．自然科學進展，2006，18(6):1015～10201．

［6］Strozzi T，Farina P，Corsini A．Survey and monitoring of landslide displacements by means of L－band satellite SAR interferometry［J］．Landslides，2005，2(3):193 ～201．

［7］李德仁，廖明生，王艷．永久散射體雷達干涉測量技術［J］．武漢大學學報·信息科學版，2004，29(8)．