葛 琳

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟(jì)南 250014)

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

1 PS-InSAR監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點

大范圍地表形變監(jiān)測技術(shù)是預(yù)防及治理城市地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害等的手段之一，主要借助于水準(zhǔn)測量和衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)測量。其中，水準(zhǔn)測量具有觀測周期長、效率低、耗費資源大等缺點；衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)測量雖然彌補(bǔ)了水準(zhǔn)測量的缺點，但僅局限于某一點的觀測數(shù)據(jù)，無法滿足實際工作中對區(qū)域性地表沉降信息的需求。傳統(tǒng)形變測量如水準(zhǔn)儀測量、全站儀測量、測斜儀測量、應(yīng)變計測量、分層沉降測量等等，多是點測量方式，空間密度嚴(yán)重不足，很難覆蓋大區(qū)域范圍，而且成本較高。對于大范圍監(jiān)測而言，傳統(tǒng)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(jié)果不同步。這種由點到面、不連續(xù)的監(jiān)測模式存在以偏概全，有片面性的缺點，導(dǎo)致獲取的地面沉降等信息可靠性極差。與常規(guī)監(jiān)測技術(shù)相比，PS-InSAR監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢如下：

(1)PS-InSAR技術(shù)具有面上監(jiān)測的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的測量技術(shù)以獨立點測量為主，進(jìn)而獲得面上的測量數(shù)據(jù)；而PS-InSAR技術(shù)則是地面上隨機(jī)分布的若干個相干像元，觀測相位是一定分辨單元內(nèi)所有目標(biāo)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(jìn)而獲得連續(xù)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(tǒng)方式是異步的，是在不同的時間點上觀測完一個網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而求解不同時間間隔下的相對變化。PS-InSAR技術(shù)主要在同步條件下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測任務(wù)，即能夠在相同的時間內(nèi)獲得大范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，所獲實時動態(tài)數(shù)據(jù)具有同步同時的特征。綜上所述，PS-InSAR技術(shù)實現(xiàn)了由“片段式”監(jiān)測到“全覆蓋”監(jiān)測的目的。

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

(3)實現(xiàn)了定量定性監(jiān)測。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，PS-InSAR技術(shù)不僅可以獲得監(jiān)測區(qū)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(shù)處理監(jiān)測結(jié)果，可以獲得任何一個相干目標(biāo)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(xì)的監(jiān)測成果。傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)以單點為主，導(dǎo)致在監(jiān)測采樣密度和時間上無法獲得更高的精細(xì)度，但是PS-InSAR技術(shù)有效的避免了這一缺陷，能夠獲得高精細(xì)度的相干點分布圖，且分辨率越高，其精細(xì)度越高。

(5)測量精度高。PS-InSAR技術(shù)所能達(dá)到的理論精度，精度是優(yōu)于3 mm的。國內(nèi)和國外的科研項目和監(jiān)測實例證實PS-InSAR技術(shù)在測量精度上是沒有問題的，完全可以滿足大范圍的區(qū)域監(jiān)測。

(6)低成本、高效益。城市地表形變監(jiān)測是一項長期而緩慢的過程，即耗時長，InSAR技術(shù)只需在特定的監(jiān)測區(qū)域安放監(jiān)測設(shè)備就可以獲得實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(shù)在城市地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 影像配準(zhǔn)

監(jiān)測區(qū)域的影像配準(zhǔn)是分析地表形變量的基礎(chǔ)，將獲得的覆蓋同一監(jiān)測區(qū)域的主影像(參考影像)和從影像(待配準(zhǔn)影像)進(jìn)行配準(zhǔn)，即通過主影像和從影像的配準(zhǔn)就可以獲得不同像元的位移量，再依據(jù)所獲不同像元的位移量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)的足夠多的同名像素，即可以完成影像的配準(zhǔn)工作。

2.2 SAR數(shù)據(jù)差分處理

PS-InSAR技術(shù)的SAR數(shù)據(jù)差分處理技術(shù)與D-InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法一致，即對初步處理好的SAR影像進(jìn)行實踐序列的干涉處理，獲得以時間序列為基礎(chǔ)的干涉圖集，再結(jié)合DEM數(shù)據(jù)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(yīng)的差分干涉圖序列。

2.3 PS點選取

在使用該技術(shù)時，PS點的選取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即在SAR數(shù)據(jù)差分處理成果的基礎(chǔ)上，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、相干性好的PS點目標(biāo)。PS-InSAR技術(shù)與D-InSAR技術(shù)相比，該技術(shù)采用相干系數(shù)法、振幅離差法、相位分析法等PS點目標(biāo)選取，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)、相干性好的PS點，進(jìn)而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對選定的PS點進(jìn)行相位解纏，可獲得不同因素對地表沉降量的貢獻(xiàn)度，即可生成每個像元點的形變量。

2.4 相位解纏

PS-InSAR技術(shù)的相位解纏方式與傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)的相位解纏方法不同，傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)主要針對整個干涉圖進(jìn)行連續(xù)相位解纏，而PS-InSAR技術(shù)是基于PS點所建立的矩陣格網(wǎng)進(jìn)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(biāo)，因此，在進(jìn)行PS-InSAR相位解纏時傳統(tǒng)的方法不適用。關(guān)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(shù)據(jù)質(zhì)量要求比較高，一般采用二維解纏法進(jìn)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(jìn)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(yīng)用效果分析

本文以某市建設(shè)區(qū)域的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相位解纏等流程，最終獲得某PS目標(biāo)及沉降點位分布圖(圖2)，不同的PS點目標(biāo)使用不同的顏色加以區(qū)別，在網(wǎng)絡(luò)平差過程中依據(jù)誤差傳播定律計算得到的各PS點目標(biāo)的中誤差，經(jīng)解算得到各PS目標(biāo)上高差變化量，獲得該城市內(nèi)最大沉降量可達(dá)65 mm。

圖2 某城區(qū)PS目標(biāo)及沉降點位分布圖

4 結(jié)語

城市地表形變監(jiān)測是提高城市建設(shè)安全的基礎(chǔ)，也是防治城市中長期規(guī)劃引起區(qū)域性地表沉降的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，加強(qiáng)城市地表形變監(jiān)測研究有助于推動城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，并對城市地表形變規(guī)律有清晰的認(rèn)知，可以為城市規(guī)劃、治理提供可靠的數(shù)據(jù)。