基于D-InSAR技術的地面沉降監測方法

岳　順，岳建平，邱志偉，汪學琴

(1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2. 水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014)

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基于D-InSAR技術的地面沉降監測方法

岳順1,2，岳建平1，邱志偉1，汪學琴1

(1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2. 水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014)

針對傳統地面沉降監測方法的不足，D-InSAR技術因其全天候、空間分辨率高、精度高等優點，在地面沉降監測方面其表現得越來越重要。本文對香港地區的3幅ERS影像進行處理，提取了該地區高精度的三維沉降場，結果表明，該地區最大沉降值為-0.551 6 cm，且沉降趨勢較緩慢，分布平均，D-InSAR技術可以有效地提供高精度的地面沉降信息，在地面沉降監測方面具有較高的實用性。

D-InSAR；地面沉降；ERS；高精度；三維沉降場

傳統的沉降監測技術有水準測量、全站儀、GPS測量等，但其具有勞動強度大、監測成本大、空間分辨率低等缺陷，無法滿足現代地面沉降監測的要求[1]。隨著對衛星測量技術的不斷研究和應用[2]，利用遙感測量技術來監測地表沉降的方法也越來越完善。作為雷達遙感的重要分支，InSAR在過去的十幾年里取得了重大的進展[3-5]。該技術為大面積快速獲取高分辨率、高精度的DEM信息提供了一條新的路徑[6-8]。D-InSAR技術是由InSAR發展而來，通過若干幅影像干涉形成差分組合，消除地形影響，進而得到地表形變信息[7-10]。它能夠沿著雷達的視線向監測地球表面厘米級或更加微小的形變[11]，以揭示地球許多現象，如地震形變、地面沉降、火山運動、冰川漂移以及山體滑坡等[12-14]。D-InSAR技術具有全天候、全天時、覆蓋面廣、高度自治化、觀測周期短、成本小和精度高等優勢，現已成為地面沉降監測的主要技術。利用D-InSAR技術對地面沉降進行監測，有助于評估和預測地面沉降和殘余沉降災害，進而減少或避免沉降災害帶給人們和環境的潛在危險[15]，D-InSAR技術為地面沉降的監測提供了全新、快速和有效的方法。

一、 D-InSAR進行地面沉降監測方法研究

圖1為D-InSAR成像幾何示意圖，A1、A2分別表示衛星在地表未發生形變前獲取的兩幅SAR圖像[16]，則由P點返回信號為

(1)

(2)

圖1　D-InSAR原理示意圖

在地表P點發生形變后，衛星在A3位置獲取第3幅SAR圖像，此時P點返回的信號為

(3)

式中，ΔRd為視線向形變量。第1、3兩幅SAR圖像所引起的干涉紋圖的相位φ1既包含了區域的地形信息又包含了觀測期間地表的形變信息，由圖1可以看出，基線B、B′分別在雷達視線向上的投影分別為

B∥=Bsin(θ-α1)

(4)

(5)

將第1、3兩幅影像進行配準后干涉共軛相乘得

(6)

得到干涉相位

(7)

如果要獲取地表的形變信息，則必須消除區域的地表信息，可以通過第1、2兩幅影像干涉相乘形成干涉紋圖，其干涉相位只包含地形信息

(8)

根據式(7)、式(8)所得最終的形變相位為

(9)

二、 實例數據分析

香港由九龍半島、香港島、新界內陸地區及262個大小島嶼組成。隨著香港地區的快速發展，地面沉降現象越來越嚴重。常規的水準和GPS監測手段存在監測時間長、成本高等缺點，而D-InSAR技術正好可以彌補這些缺點，正在逐漸應用到地面沉降監測。本文基于D-InSAR技術對香港地區3幅影像進行處理，所用數據是ERS衛星數據，分別表示為影像24440、4767、6270。影像24440、4767為地面沉降之前的兩幅影像，作為地形像對，影像6270為地面沉降之后的影像，與影像24440作為形變像對，具體的主輔影像參數見表1。

表1　主輔影像參數

分別對地形像對和形變像對進行處理，得到兩像對的相干系數圖和干涉相位圖。

從相干系數圖(如圖2、圖3所示)可以看出，亮度越強的地方相干系數越大，即相干性越好，另外可以看出地形像對的相干性比形變像對的相干性好。從圖4、圖5可以看出地形像對和形變像對的干涉圖發生了明顯的變化，說明在這期間地面發生了沉降。對得到的兩幅干涉圖進行相位解纏、差分、地理編碼，最終得到該地區的三維沉降圖(如圖6所示)。

圖2　地形像對相干系數圖

圖3　形變像對相干系數圖

圖4　地形像對干涉圖

圖5　形變像對干涉圖

從圖6中可以看出該地區的最大沉降量是-0.551 6cm，大部分在[-0.2,-0.4]區間內，且沉降趨勢較緩慢，分布平均，說明該地區沉降量較小。

圖6　三維沉降圖

三、結束語

本文基于D-InSAR技術對香港地區3幅影像進行處理，得到該地區的三維沉降圖，實現了該地區地面沉降的動態監測和分析，為地面災害預測提供了新的監測手段和方法。如果可以采集到沉降區域的地層條件、地下水等數據，可以利用D-InSAR對其地表移動參數進行反演，從地質的角度解釋地面沉降的原理，完善D-InSAR技術監測的結果分析。

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The Methods of Ground Subsidence Monitoring Based on D-InSAR Technique

YUE Shun，YUE Jianping，QIU Zhiwei，WNAG Xueqin

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0160.

2015-06-25

國家自然科學基金(41174002)；湖南省重點實驗室開放研究基金(PHLHD201311)

岳順(1991—)，男，碩士，研究方向為3S集成與應用。E-mail：yue_shun@163.com

P237

B

0494-0911(2016)05-0077-03

引文格式： 岳順，岳建平，邱志偉，等. 基于D-InSAR技術的地面沉降監測方法[J].測繪通報，2016(5)：77-79.