PS-InSAR技術在城市地表形變監測中的應用

葛 琳

(山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟南 250014)

InSAR(合成孔徑雷達干涉測量)技術是年幾十年來快速發展起來的新型測繪技術，它借助波束干涉原理實現衛星對地觀測，使用兩幅或以上的SAR影像形成的干涉影像，經過差分干涉處理等步驟獲得某一像元的形變，其精度可達毫米級。PS-InSAR(永久性散射體雷達干涉測量法)技術是利用InSAR技術生成SAR影像的干涉圖集，采用相干系數法、振幅離差法、相位分析法等PS點目標選取，選擇穩定性強、相干性好的PS點，建立相應的數學模型，對選定的PS點進行相位解纏，可獲得不同因素對地表沉降量的貢獻度，即可生成每個像元點的形變量。

1 PS-InSAR監測技術的優點

大范圍地表形變監測技術是預防及治理城市地面沉降、地質災害等的手段之一，主要借助于水準測量和衛星定位系統(GNSS)測量。其中，水準測量具有觀測周期長、效率低、耗費資源大等缺點；衛星定位系統(GNSS)測量雖然彌補了水準測量的缺點，但僅局限于某一點的觀測數據，無法滿足實際工作中對區域性地表沉降信息的需求。傳統形變測量如水準儀測量、全站儀測量、測斜儀測量、應變計測量、分層沉降測量等等，多是點測量方式，空間密度嚴重不足，很難覆蓋大區域范圍，而且成本較高。對于大范圍監測而言，傳統測量方式是異步的，即所有的觀測點的觀測值不是同一時間獲取的，即測量結果不同步。這種由點到面、不連續的監測模式存在以偏概全，有片面性的缺點，導致獲取的地面沉降等信息可靠性極差。與常規監測技術相比，PS-InSAR監測技術的優勢如下：

(1)PS-InSAR技術具有面上監測的優勢。傳統的測量技術以獨立點測量為主，進而獲得面上的測量數據；而PS-InSAR技術則是地面上隨機分布的若干個相干像元，觀測相位是一定分辨單元內所有目標散射相位的相干疊加。在相干性良好的情況下，可以獲得密度較高的相干像元，進而獲得連續的觀測面因此，對于觀測大范圍形變等目的是十分有效的。從觀測的同步性上分析，傳統方式是異步的，是在不同的時間點上觀測完一個網絡，進而求解不同時間間隔下的相對變化。PS-InSAR技術主要在同步條件下實現監測區域的監測任務，即能夠在相同的時間內獲得大范圍內的監測數據，因此，所獲實時動態數據具有同步同時的特征。綜上所述，PS-InSAR技術實現了由“片段式”監測到“全覆蓋”監測的目的。

(2)監測范圍增加。傳統的監測技術以獨立的監測點為主，所覆蓋的監測范圍較小，而PS-InSAR技術有效的彌補了這一短板，實現了較大范圍內高密度點位采樣監測的目的，解決了大范圍監測難度大的問題。

(3)實現了定量定性監測。與傳統的監測技術相比，PS-InSAR技術不僅可以獲得監測區域的高精度形變圖，而且該類形變圖具有定量的特征。如使用PS-InSAR技術處理監測結果，可以獲得任何一個相干目標的形變速率、累計形變量、時間序列變化等，即任何一個相干點就是一張形變圖譜。

(4)能夠獲得更加精細的監測成果。傳統的監測技術以單點為主，導致在監測采樣密度和時間上無法獲得更高的精細度，但是PS-InSAR技術有效的避免了這一缺陷，能夠獲得高精細度的相干點分布圖，且分辨率越高，其精細度越高。

(5)測量精度高。PS-InSAR技術所能達到的理論精度，精度是優于3 mm的。國內和國外的科研項目和監測實例證實PS-InSAR技術在測量精度上是沒有問題的，完全可以滿足大范圍的區域監測。

(6)低成本、高效益。城市地表形變監測是一項長期而緩慢的過程，即耗時長，InSAR技術只需在特定的監測區域安放監測設備就可以獲得實時動態監測數據，并自動輸出形變等圖件，減少了人力、物力資源的浪費。

2 PS-InSAR技術在城市地表形變監測中的應用

2.1 影像配準

監測區域的影像配準是分析地表形變量的基礎，將獲得的覆蓋同一監測區域的主影像(參考影像)和從影像(待配準影像)進行配準，即通過主影像和從影像的配準就可以獲得不同像元的位移量，再依據所獲不同像元的位移量進行坐標轉換和重新采集樣點(圖1)，然后在兩幅影像中選取少量的特征點用于匹配影像間的同名像素，并采用匹配算法搜索出均勻分布在覆蓋區域內的足夠多的同名像素，即可以完成影像的配準工作。

2.2 SAR數據差分處理

PS-InSAR技術的SAR數據差分處理技術與D-InSAR技術的數據處理方法一致，即對初步處理好的SAR影像進行實踐序列的干涉處理，獲得以時間序列為基礎的干涉圖集，再結合DEM數據將地形信息從生成的干涉圖集中剔除，就可以獲得除去地形和平地效應的差分干涉圖序列。

2.3 PS點選取

在使用該技術時，PS點的選取是關鍵環節，即在SAR數據差分處理成果的基礎上，選擇穩定性強、相干性好的PS點目標。PS-InSAR技術與D-InSAR技術相比，該技術采用相干系數法、振幅離差法、相位分析法等PS點目標選取，選擇穩定性強、相干性好的PS點，進而建立相應的數學模型，對選定的PS點進行相位解纏，可獲得不同因素對地表沉降量的貢獻度，即可生成每個像元點的形變量。

2.4 相位解纏

PS-InSAR技術的相位解纏方式與傳統的InSAR技術的相位解纏方法不同，傳統的InSAR技術主要針對整個干涉圖進行連續相位解纏，而PS-InSAR技術是基于PS點所建立的矩陣格網進行相位解纏，其對象主要是位于矩陣上稀疏分布的相互獨立的PS點目標，因此，在進行PS-InSAR相位解纏時傳統的方法不適用。關于PS-InSAR相位解纏的方法比較多，如二維解纏法(路徑控制積分法、最小二乘法、最小費用流法)和三維空間解纏法。其中三位解纏法對SAR數據質量要求比較高，一般采用二維解纏法進行相位解纏，其流程為：計算相鄰像素間的

相位差，在時間域上進行低通濾波處理，削弱影像時間序列間大氣延遲的影響；計算濾波后的相位差的相位主值并積分，解纏時間維的相位差。

3 應用效果分析

本文以某市建設區域的COSMO-SkyMed數據為基礎，使用PS-InSAR技術進行數據處理、相位解纏等流程，最終獲得某PS目標及沉降點位分布圖(圖2)，不同的PS點目標使用不同的顏色加以區別，在網絡平差過程中依據誤差傳播定律計算得到的各PS點目標的中誤差，經解算得到各PS目標上高差變化量，獲得該城市內最大沉降量可達65 mm。

圖2 某城區PS目標及沉降點位分布圖

4 結語

城市地表形變監測是提高城市建設安全的基礎，也是防治城市中長期規劃引起區域性地表沉降的基礎數據依據。因此，加強城市地表形變監測研究有助于推動城市現代化建設進程，并對城市地表形變規律有清晰的認知，可以為城市規劃、治理提供可靠的數據。