基于二軌法D-InSAR技術(shù)監(jiān)測地表沉降

高 清 勇

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊，貴州 安順 561000)

0 引言

InSAR技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar)也稱干涉雷達測量技術(shù)，是不同時間點、形變前后、覆蓋同一研究區(qū)域的兩張SAR影像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR影像的相位差，獲取干涉條紋圖像，經(jīng)濾波和相位解纏后，通過差分處理從干涉條紋中獲取地表形變數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。因地下施工，地質(zhì)板塊運動而引起的地面沉陷問題，對人們生產(chǎn)生活、經(jīng)濟發(fā)展及周圍環(huán)境造成了影響，對地表沉陷的監(jiān)測是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段有精密水準測量、三角高程測量和GPS觀測技術(shù)等，具有精度高、可靠性強等優(yōu)點，但同時存在工作量大、觀測時間長、成本高、空間分辨率低等缺點。隨著SAR技術(shù)的提出與發(fā)展，沉降地區(qū)地表沉陷監(jiān)測手段得到快速發(fā)展，利用InSAR技術(shù)來監(jiān)測地表沉陷已進入新的階段，其中D-InSAR技術(shù)因其快捷方便、低成本、高精度、對微小變形的高敏感度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各沉降地區(qū)的沉陷監(jiān)測。本文中利用某沉降地區(qū)的InSAR數(shù)據(jù)進行實際處理、應(yīng)用與分析，并與傳統(tǒng)沉降地區(qū)監(jiān)測方法實際測量數(shù)據(jù)進行分析比較，驗證InSAR技術(shù)的可靠性與可行性。

1 二軌法D-InSAR形變測量基本原理

InSAR干涉相位包括地形信息和地表形變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為平地效應(yīng)相位；φtop為地形相位；φdef為地表形變相位；φorb為軌道誤差引起的相位；φatm為大氣延遲相位；φnoi為噪聲相位。

D-InSAR就是采用一系列措施來消除其他相位，只留下由地表形變引起的相位。以二軌法為例介紹D-InSAR形變監(jiān)測原理。

若忽略軌道誤差、大氣擾動和噪聲影響，由式(1)可知，從干涉相位中去除平地效應(yīng)相位和地形相位，就可得到地表形變引起的相位，由此進一步得到地表形變。

點P1在參考橢球面上，該處相位只包含平地效應(yīng)相位，地面點P2則包含平地效應(yīng)相位和地形相位。

(2)

(3)

(4)

兩幅SAR影像觀測期間形變?yōu)椋?/p>

(5)

利用誤差傳播定律對式(5)的h求偏導(dǎo)，可得：

(6)

由式(6)可知，DEM的精度對地表形變的誤差起到了至關(guān)重要的作用。SRTM在2019年2月11日～22日完成了飛行使命，得到了覆蓋地球80%以上的陸地面積的雷達影像數(shù)據(jù)，制成了DEM數(shù)據(jù)，SRTM3 DEM數(shù)據(jù)在我國的分辨率為90 m，平原地區(qū)絕對高程精度優(yōu)于5 m,為二軌法差分干涉測量提供了有力的保證。

2 D-InSAR監(jiān)測沉降地區(qū)沉陷的實例應(yīng)用

2.1 實驗區(qū)選擇

某試驗區(qū)位于某城市西南部，西北距某集團有限公司6 km，東南距某縣城約15 km，行政區(qū)劃隸屬該市某沉降地區(qū)及該縣管轄。該沉降區(qū)域?qū)捈s為2.5 km，走向長約為8 km，面積約為20 km2。該區(qū)域交通條件十分便利。在本文采用的SAR影像監(jiān)測期間，該地區(qū)有地下常年施工。選擇覆蓋該沉降地區(qū)的兩景SAR影像數(shù)據(jù)，將2019年1月9日和2月2日的RADARSAT影像形成干涉對，外加SRTM3 DEM數(shù)據(jù)：N36E114.hgt，監(jiān)測該沉降地區(qū)在24 d內(nèi)的地面沉降信息。

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

目前，針對SAR數(shù)據(jù)的處理開發(fā)出了很多軟件，例如加拿大Atlantis公司的EARTH VIEW INSAR軟件、荷蘭Delft科技大學(xué)開發(fā)的Doris、美國的JPL和Caltech開發(fā)的ROI_PAC等。本文選用GAMMA軟件完成差分干涉處理工作，該軟件是由瑞士GAMMA遙感公司開發(fā)的，可以在Linux系統(tǒng)和Win系統(tǒng)下安裝，也可開放源代碼，操作比較簡單易學(xué)。該軟件可分成組件式的SAR處理器、干涉SAR處理器、差分干涉和地理編碼、土地利用工具和干涉點目標分析這五個部分，可處理ERS-1/2,TerraSAR-X,SIR-C,JERS,PALSAR,RADARSAT,ENVISAT ASAR等SAR數(shù)據(jù)。

2.3 實驗結(jié)果與分析

采用二軌法進行差分干涉處理，基本流程圖如圖2所示，利用地表形變前后的SAR影像對產(chǎn)生的干涉條紋圖和DEM模擬的地形相位，從干涉圖中去除地形相位獲得地面沉降信息。通過ENVI和Golden Surfer軟件，從獲取的地面沉降圖中提取出地形信息，繪制沉降等值線圖。利用沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，預(yù)計在監(jiān)測時間段內(nèi)的沉降地區(qū)下沉曲線。對比兩圖，可以發(fā)現(xiàn)SAR影像監(jiān)測得到的等值線與MSPS軟件預(yù)計的等值線趨勢、形狀大致吻合，35 mm等值線吻合度最高，15 mm等值線吻合度最低，但還存在部分差異，一些差分干涉圖反映的沉陷信息在預(yù)測等值線圖中沒有反映，而預(yù)計軟件是在各方面條件均理想化的情況下得到預(yù)計結(jié)果，導(dǎo)致出現(xiàn)不吻合的地方。

該沉降地區(qū)附近設(shè)立了地表移動觀測站，將觀測站實測數(shù)據(jù)處理得到的沉降值與SAR影像監(jiān)測相應(yīng)觀測站點的沉降量進行對比分析，計算出了兩種方法的誤差值，兩組數(shù)據(jù)如表1所示。其中測站T0,T17～T26位于下沉邊界以外，理論上不存在下沉，而影像監(jiān)測到下沉值，可能因為SAR數(shù)據(jù)處理過程中存在影像間偏差、配準誤差、軌道參數(shù)誤差、操作誤差等，此時要對這些測站的監(jiān)測沉降值進行補償。確定補償值方法有：

1)利用沉降圖取邊界外相干系數(shù)為0.8以上的點的沉降值，求取平均值；2)根據(jù)Surfer軟件得到的監(jiān)測等值線圖確定邊界外補償值。本文采用第一種方法，取補償值為14 mm。為了有更加形象、直觀的認識，將地面監(jiān)測沉降量與影像監(jiān)測形變量進行分析成圖，如圖3所示。從圖3中可知，兩者的最小誤差為0 mm，最大誤差為30 mm，18個點誤差在10 mm以內(nèi)，11個點誤差在10 mm及以上，平均誤差為8.97 mm，標準偏差為9.68 mm。

表1 D-InSAR監(jiān)測沉降值與地面實測沉降值對比表 mm

通過對D-InSAR方法得到的沉降信息與地面觀測站實測數(shù)據(jù)對比分析可知，兩種方法處理結(jié)果基本相符合，但也存在一定的差值，這是因為基準象元點選取有偏差、數(shù)據(jù)內(nèi)插不準確、軌道參數(shù)變化、大氣影響等?？傮w來說，D-InSAR技術(shù)能夠有效地監(jiān)測礦區(qū)因開采沉陷引起的沉陷盆地，且D-InSAR技術(shù)可以得到整個區(qū)域的沉陷信息、不用布設(shè)觀測站、更加方便快捷，節(jié)省了大量人力物力，這說明InSAR影像監(jiān)測地面沉降具有一定的可行性和良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

本文詳細敘述了RADARSAT數(shù)據(jù)在沉降地區(qū)地表監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)合SRTM DEM數(shù)據(jù)進行差分干涉處理，得到沉降地區(qū)的沉降信息。首先介紹了InSAR技術(shù)測量的基本原理和二軌法D-InSAR技術(shù)測量原理，然后介紹了干涉差分處理用到的GAMMA軟件，討論了主要模塊的功能及相關(guān)程序，針對數(shù)據(jù)處理過程進行了論述，并研究了InSAR技術(shù)在某城市地區(qū)地表沉降中的實際應(yīng)用，把得到的沉降信息與預(yù)測軟件的預(yù)計結(jié)果、傳統(tǒng)觀測方法得到的沉降數(shù)據(jù)進行對比分析，得出了InSAR技術(shù)在監(jiān)測地表沉降中的可行性與適用性的結(jié)論。