侯建国,初 禹

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050；2.黑龙江省地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨 150036)

合成孔径雷达差分干涉测量技术在城市地面沉降监测中的应用

侯建国1,初 禹2

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050；2.黑龙江省地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨 150036)

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是利用合成孔径雷达(SAR)两次观测中的相位差与空间距离差之间的关系，提取地表三维信息和形变信息的一项技术。利用欧空局存档雷达数据，通过常规D-InSAR、PS-InSAR和SBAS技术，实现对哈尔滨城市历史和现今地面沉降情况调查，为城市形变灾害预测提供详实可靠的观测数据，以便更好地指导今后的地面沉降防治工作。

合成孔径雷达；干涉测量；地面沉降；地下水；精度验证

地面沉降是一种缓变性地面变形环境地质灾害，是由于在经济发展过程中对地下资源过度开发而造成。地面沉降现象严重阻碍城市的可持续发展，它会对人们正常的生产生活造成影响，并破坏自然环境。在不同的时期，哈尔滨市发生了不同程度的地面沉降现象，这主要是因为开采地下水和哈尔滨市城市建设的发展造成的。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)不仅能对现在和未来任意时刻的地面变形进行监测，而且还能利用卫星存档数据对历史地面沉降特征进行监测，相比之下，历史监测无法由布设传统GPS监测网及传统水准网的方式获得。文中实现利用合成孔径雷达干涉测量技术调查哈尔滨市历史及现今的地面沉降情况，为预测城市形变灾害提供可靠详实的观测数据，从而为城市地面沉降变形的预防提供指导依据。

1 差分雷达干涉测量技术原理

常规差分测量技术，首先通过对两景SAR影像进行干涉处理得到干涉相位，所利用的一对影像是跨越形变期的，得到的干涉相位中包含形变信息，由于反演干涉相位不仅包含形变信息，还有参考面相位、地形相位、大气效应和其它噪声等，最后进行二次差分处理。本文数据处理是利用已知DEM反演的干涉相位及干涉处理获得的相位，通过最后一步的处理就能将地形相位从干涉相位中除去，这样处理后得到的相位就只表征地表形变信息，进而可以对地表形变量进行计算。图1为两轨法差分干涉测量的具体处理步骤。首先选取主影像和从影像，并配准到主影像空间，然后将上述配准的SAR影像进行干涉处理，从而得到相干系数(标志影像相关性程度的参数)和干涉相位，再对干涉相位进行去平地效应处理，并将其中的参考面相位去除，得到的相位中就会包含形变、地形信息。最后进行解缠，解缠需要借助于相干系数对去平地效应后的相位。上述整个处理过程是探测形变的差分干涉测量的核心步骤，也是SAR技术的数据处理过程。

图1 两轨法差分干涉处理流程

2 差分雷达干涉测量结果

2.1 试验数据

依据研究区的地理位置，对20世纪90年代以来欧空局存档的Envisat卫星和ERS卫星雷达影像数据进行调查，总共定购20景覆盖该地区的雷达存档数据，分别是15景Envisat卫星影像和5景ERS卫星雷达影像。

2.2 常规差分干涉测量结果

通过组合SAR数据干涉方案，并对大量的数据进行处理，在每一个监测方案中都对不同的关键算法进行试验。通过反复处理及比较各个方案后得出哈尔滨市20世纪90年代和2000年以后两时间段的等值线图及年形变速率，如图2～3所示。通过差分干涉处理，从结果中可以看出，沉降及隆起两种变形现象同时存在于哈尔滨市地面变形中。在1996年，哈尔滨市地面沉降量最大达到1.5 cm/a，结果显示地面存在较严重的变形。但是在1997年及1988年两年中，沉降速率最大值小于1.0 cm/a。香坊区南部、南岗区及道里区在1996～1998年间存在大面积的地面沉降形变，地面抬升的趋势则存在于香坊区北部和道外区部分地区。形变速率在2004～2007年间基本稳定，形变速率平均值为0.6 cm/a。地面沉降变形的趋势出现在道外区，此地区原来是处于地面抬升的趋势，南岗区中部及道里区中部则存在地面抬升趋势。

图2 1996～1997年形变等值线图

图3 2006～2007年形变等值线图

3 干涉叠加技术结果

在利用常规D-InSAR技术进行长时间的地表微小形变监测中，存在的时间和几何去相干以及大气的干扰等因素大大限制其应用，监测精度一般为厘米量级。针对这一缺陷，根据城区SAR图像表现的特点，即在长时间范围内仍然存在相位和幅度变化稳定的点，利用这些稳定点上的相位特征，可以很好地解决时间去相干问题，从而实现长时间尺度上地表形变分析。其解决方法就是利用时间序列SAR图像，分析多时相SAR相位，挖掘时间序列SAR图像可以识别区域范围内，一定时间内地表位移表现在信号相关和一致性，获取地表毫米级的形变信息，主要包括两个应用方向：永久散射体(Persistent Scatters，PS)点目标特征和短基线(Small Baselines，SBAS)分布式特征。

3.1 PS-InSAR技术

PS技术的特点是利用密集分布的散射体消除大部分电磁波信号传播延迟(对流层变化引起)的优势。PS技术可以推断在时间段上的变形速度，包括独立的、无空间相关的位移，主要适合用于人为因素引起的位移现象(如城市区域等)。本文利用对研究区域550像素×550像素SAR影像，共识别出6242个PS目标点，统计得出研究区的PS密度为52个/km2。利用PS-InSAR对空间相邻PS点进行处理，需要建立相邻PS点的关系模型，采用Delaunay构网方法建立三角网。同时为防止大气误差的传递，提高基线观测值的稳定性，对距离进行限制，从中去除基线距离大于1 km的PS点。

图4和图5显示出PS-InSAR监测结果。

图4 PS点变形速率图

图5 插值后研究区变形速率图

3.2 短基线集干涉(SBAS)处理

短基线起源于2002年，连接由长基线造成的相互独立的SAR影像，形成短基线SAR影像集合，以增加数据获取的采样率，从而可在已有的SAR影像数据集中形成若干小集合，每个小集合内SAR影像间的基线较小，集合间SAR影像的基线较大。本文对哈尔滨地区SAR数据的处理采用了SBAS技术进行试验研究，主要是为保证D-InSAR监测结果的精度和可靠性，以及考虑到常规D-InSAR存在失相干和大气效应影响的情况。短基线干涉处理试验选2004～2006年时间段进行。图6所示为试验所采用的短基线组合。图7和图8所示为该时间段累计形变时间序列图。

图6 2004～2006年短基线干涉处理试验组合

图7 04/06/03至05/07/28相隔420 d形变图

图8 04/06/03至06/01/19相隔595 d形变图

4 InSAR监测精度与可靠性分析

在常规差分干涉测量中，因为大气不等延时、几何去相干及时间等因素的影响，城市地面在利用此技术进行微小形变监测时会使结果出现不确定性。永久散射体干涉测量方法及长时间序列的短基线方法具有常规方法不具有的优势，它们可以消除大气的影响,使DEM精度通过运算得到提高,解决常规方法中相干条件的限制问题以及使现有SAR数据得到最大限度的利用，尽管如此，最后进行一些验证也是必要的，本文是通过地下水位升降监测资料进行验证。

对哈尔滨1996～1998年和2004～2007年两个时间段的地表形变进行统计，累计发生形变区域面积见表1所示。

统计结果显示，在1996～1998年和2004～2007年间，哈尔滨地区发生沉降形变的面积分别达到97.3 km2和52.9 km2，造成这种现象的主要原因是对哈市地区地下水的限采。通过对比1996～1998年和2004～2007年两个时间段哈尔滨地区地面沉降面积可以看出，后时间段发生的沉降面积要比前时间段小得多，这主要是因为哈尔滨市对城区地下水的开采量在1993年以后进行了逐步的控制，在此情况下的超采状态仍然比较严重。对比结果同时显示，地面隆起的面积及范围也因为对城区地下水开采量的控制而逐渐扩大。图9为2004～2005年的水位沉降等值线图，其是根据41个地下水位监测点的监测数据绘制的。2004～2005年InSAR监测结果绘制的等值线图如图10所示。从图中可以看出，等值线值在菅草岭处较低，与2006年哈尔滨市地下水情通报的地下水漏斗中心位置一致。

表1 两时间段累计形变发生面积统计

图9 2004～2005年地下水位升降等值线

图10 2004～2005年InSAR监测形变等值线

5 结 论

本文利用D-InSAR、PS-InSAR和SBAS方法，首次全面系统地研究了哈尔滨市的地面沉降，得到年沉降量为毫米的地面沉降信息和近十几年的地面形变时空特征，并对雷达干涉测量监测的结果与地下水位升降数据进行对比分析。验证结果表明，在形变区域得到较高的一致性，InSAR监测结果可靠。

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[责任编辑：张德福]

Application of differential SAR interferometry to the land subsidence in urban area

HOU Jian-guo1,CHU Yu2

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China;2.Heilongjiang Institute of Geological Survey,Harbin 150036,China)

Synthetic Aperture Radar Interferometric technique (InSAR) is an information technology to extract the three-dimensional spatial information of ground targets on the basis of the phase data of a radar image.Currently,many departments and research institutions at home and abroad are actively engaged in the research of mechanism of InSAR and its applications,which have made many achievements.InSAR is a new promisin g research domain.With the development of Harbin city and the exploitation of groundwater in different periods, many of the subsidence phenomenon have been created in this area.InSAR is applied to the survey of the past and present ground subsidence in Harbin city,in order to provide a better guidance for subsidence prevention.

SAR；interferometry；land subsidence；underground water; verify the accuracy

2014-01-02

黑龙江工程学院博士基金资助项目(2012)

侯建国(1968-)，男，教授，博士.

P227

：A

：1006-7949(2014)08-0040-05