淺談基于PS-InSAR的城市地表形變監測

尚嘉寧

摘 要：改革開放以來，我國經濟建設突飛猛進，城市用地隨之急劇擴張，導致地面發生形變。地表形變一定程度上會誘發地質災害等一系列問題，對人們的生活水平、生命財產安全以及經濟、社會等發展會帶來負面影響。永久散射體干涉測量技術（PS-InSAR）技術既可以克服水準測量、GPS等傳統監測手段布設點少、路線稀疏、監測周期長、經費和人力不足等缺點，也可以彌補D-InSAR技術面臨的時空失相干、受大氣影響明顯等問題，能夠有效地監測城市地表形變。因此，基于PS-InSAR監測城市地表形變對于城市規劃治理、災害預防等具有重要的現實意義。

關鍵詞：PS-InSAR;形變監測

本文首先簡述了PS-InSAR技術的基本原理，然后分析了永久散射體干涉測量在城市地表形變監測中的應用，詳細地闡述了數據處理過程。

1基本原理

PS-InSAR技術的基本原理是基于研究區多景SAR影像，對所有影像的幅度信息進行統計分析，查找并分析不受時間、空間基線去相關和大氣效應影響，并且能保持高相干性的點作為永久散射體，以此探測研究區地表形變情況。

2數據處理與分析

要實現基于PS-InSAR的城市地表形變監測，需借助架構于ENVI之上的專業雷達圖像處理系統SARscape。它為使用者提供了完整的SAR數據處理功能，既可以實現對原始SAR數據進行處理、分析等操作，也可以很方便地輸出SAR圖像產品、數字高程模型（DEM）和地表形變圖等信息。具體數據處理過程如下：

（1）子區域選擇與裁剪。一般來說，應選擇能保持良好干涉的區域作為研究區。因為要找到穩定的PS點，所以城區符合要求。確定研究區域后，需在ENVI中對數據進行裁剪處理。

（2）連接圖生成。本步驟生成SAR數據對和連接圖，用于之后的差分干涉。自動或者手動選擇一個超級主影像，根據設定的臨界基線閾值對其他數據與超級主影像建立主-從數據對。臨界基線閾值我們一般設置為500%，是臨界基線的5倍。以延安新區的2018年2月28日至2018年12月13日共19景Sentinel-1A數據為例，處理完之后會生成多景SAR數據時間序列上的時空基線分布情況，一般情況下，圖中會顯示綠、黃、紅三種顏色，分別表示：有效數據對、超級主影像和丟棄的數據對。如圖1所示，綠色表示研究區有效數據對，黃色表示超級主影像，此次處理過程中沒有丟棄的數據對。

初步選取PS參考點。干涉步驟完成之后，需要檢查這一步的結果，尤其是配準精度。PS處理是根據輸入的參數：速率和高程區間（velocity and height range），這取決于研究區的實際情況以及預期的形變情況。

（4）第一次反演。主要方法是基于識別一定數量PS參考點（永久散射體），根據PS回波信號的高信噪比特性，利用振幅閾值探測城區里長期穩定、相干性高的點，例如橋梁、房屋等城市居住區比較常見的地物，以及大壩、金屬混凝土特性物體等人造地物或巖石等自然地物。然后重點分析這些相對可靠PS點的歷史相位。第一次模型反演獲得位移速率和殘余地形，用來對合成的干涉圖進行去平。輸出文件有速率、高程、相干性圖和差分干涉圖，包含大氣信息的結果，數據帶有后綴名_first。PS的模型只有一種線性模型（Linear Model），用來估算殘余高度和形變速率：

其中，Disp為T時間的形變，V為形變速率。

（5）第二次反演。利用第一次模型反演產品估算大氣成分、去除大氣成分，進行第二次反演得到最終形變速率。利用重去平的干涉圖估算形變相關信息，從每一期干涉測量結果減去之前的線性模型估算的結果，利用每一期內的地表形變量（高通成分）計算大氣效應，設置時間濾波窗口和濾波窗口，基于時間域的高通濾波和空間域的低通濾波對其進行大氣校正，得到大氣校正之后的平均形變速率等產品。此處的線性模型為：

（6）地理編碼。此步驟將實現反演結果由雷達坐標系地理編碼到WGS 1984坐標系的結果，通常情況下，設置相干系數閾值為0.75或者0.8，小于閾值的PS被剔除。

3結語

隨著時代進步和社會發展，由于城市交通便利、教學水平高、醫療條件良好等優勢，越來越多的人選擇在城市生活，城市出現了大量的建筑物形成密集建筑群，城市擴張速度持續加快，交通載荷也在不斷增大。傳統的監測手段難以滿足現代社會發展過程中要對地表形變進行快速、大范圍、長時間監測的需求，這就需要更加先進的現代技術來監測城市地表形變。目前永久散射體干涉測量技術已被應用到各個方面，比如地震、火山、冰川等監測，都取得了較好的成果，運用該技術監測城市地表形變得到的形變信息可以為政府城市規劃、生態治理和防災減災等提供理論參考，對保障人們生命財產安全和社會穩定發展具有重要意義。

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