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陜西土木建筑網首頁 > 建筑論文 > 工程結構 > InSAR技術在變形監測中的應用概述

閱讀 7546 次 InSAR技術在變形監測中的應用概述

摘要：本文概述了InSAR技術的發展，主要結合InSAR的技術背景詳細介紹了該技術用于礦山監測的實施方案。對類似實踐和研究有一定的參考價值。...

InSAR技術在變形監測中的應用概述

陳俊

(上海港務工程公司上海)

過去二十年來，星載雷達干涉測量（Satellite Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR）作為一種新興的空間對地觀測手段，得到不斷的發展與完善，并日趨成熟。InSAR是一種相位測量技術，它通過比較雷達回波信號的相位差異，可以獲取某一時間段內的地表形變信息，其精度可達毫米級。相比于傳統的監測手段，如GPS，水準測量，及光學遙感，InSAR技術的優勢體現在面成像、主動式、穿透性及高觀測精度。傳統的地表變形測量主要獲取的是點狀信息，而雷達干涉技術可以以遙測的方式提供大面積的變形信息（如歐空局（ESA）提供的雷達影像覆蓋范圍達100km*100km，空間分辨率5m~20m），可輕易獲取山區或測量人員不易進出的區域的觀測資料；雷達干涉技術應用雷達波對地表進行觀測，采用的波段通常為C波段，L波段及X波段，均可直接穿越大氣，受云雨影響較小；另外雷達干涉技術使用主動式雷達波而非可見光，故無時段限制。

目前雷達干涉測量技術在地震同震位移場觀測，滑坡監測，城市沉降監測，礦區監測，大型基礎設施監測方面均涌現出大量的應用實例并取得了較好的成果。

一、InSAR技術背景

1.1 差分干涉測量（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar， DInSAR）

差分干涉測量技術是應用重復軌道的方式，在不同的時間獲取同一地區雷達影像，利用此兩幅影像進行差分干涉，可獲得此地區于該時段地表及衛星間的距離變化所造成的雷達波相位差，這種相位差以干涉條紋的形式呈現（圖1），構成上包含地形引起的相位差，影像獲取期間形變引起的相位差，對流層延遲誤差，軌道誤差等。通過引入外部DEM（Digital Elevation Model）可將地形相位消除，其他誤差通常假定量級較小，或者利用模型將其消除，即可獲取地表形變。由于該方法中大氣影響難以很好的消除，并且在大量區域存在著信號失相關現象，其測量精度在cm級。

1.2 永久散射體干涉測量（Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar， PSInSAR）

盡管 DInSAR 技術在地表變形監測上，與其他方法相比頗具優勢，然而一般來說較適合應用于植被較少，地形起伏和緩的區域。山區及植被較厚的地區，因地表特征物會隨著時間而變化以及大氣效應，會影響干涉結果的精度。

Permanent Scatterers（永久散射體)技術是20世紀末由意大利學者首先提出的，以解決常規干涉中大氣影響、失相干、DEM誤差等問題, 極大地拓展了InSAR技術的應用前景, 為精確研究地殼形變提供了強有力工具。所謂永久散射體, 即是指在相當長的時間內仍然保持穩定反射特性的散射體，這些永久散射體可提供信噪比極高的信號。在取出這些永久散射體于時間序列上的相位后，利用衛星基線與地形效應誤差相關的關系，以及假設在一個特征尺度范圍內大氣效應為一致的情況之下，可將對于DInSAR 結果影響最多的兩項因素（即大氣延遲誤差和DEM誤差）從信號中消除，達到對PS點的精密觀測。一般情況來說，PS點位數量城市區域每平方公里可在數十個點以上，而郊區部份也可達每平方公里內有幾個點，這樣的資料密度，已經遠超過多數地區GPS的站位密度。

PSInSAR的基本原理是：在給定的一組雷達干涉圖像中，按照某種準則選擇相位穩定的一系列點作為永久散射體, 也就是PS點, 并且根據給定的相位模型, 去除這些PS點的大氣附加相位，DEM誤差和其他噪聲, 進而得到準確的地表形變。通常， PS技術需要處理同一地區30景以上的干涉圖, 以選取一組反射特性強、時間上穩定的地物目標作為PS點, 保證計算結果的精確性。

1.3 人工角反射器干涉測量技術（Corner Reflector InSAR， CRInSAR）

如果在所研究區域，譬如礦區，找不到足夠密度的天然永久散射體，可以安裝人工制作的散射體，通常稱為角反射器（Corner Reflector）以增強地表反射雷達信號的能力。通過分析這些角反射器信號達到地表監測的目的。

對于角反射器，其高程已精確確定，在常規DInSAR處理中可以避免高程誤差對相位的影響從而提高觀測精度。若有若干影像亦可對角反射器進行時間序列分析，其流程與PSInSAR相似。

1.4 短基線干涉測量技術（Small Baseline Subset InSAR，SBAS）

該技術以基線較短的影像對中的相干點為觀測對象，通過最小二乘或奇異值分解的方法從一系列影像中提取形變信息。相比于PSInSAR該方法可以獲取更多可靠的相干點即PS點。在相位解纏有保證的前提下可以獲取更豐富而可靠的形變信息。圖1為SBAS技術用于某火山的監測結果。

圖1：SBAS技術用于火山監測

二、礦區監測

從已發表的文獻看，DInSAR，PSInSAR及SBAS技術在礦區監測上均有應用，且效果良好。某礦區,位于三秦腹地的陜北高原與關中盆地過渡帶，地跨兩個地貌單元兼有南北自然條件的綜合特征，地形起伏，植被茂密，擬采用多種技術綜合監測。在具體實施上，將分為3個階段。第一階段是數據獲取，待給定研究區域的坐標范圍之后，收集覆蓋該區域的雷達影像；第二階段，利用存檔數據對礦區的歷史性形變進行分析，即分析從衛星在礦區首次獲取影像的時間起到目前的形變情況；第三階段，向歐空局等機構發送數據獲取請求，對礦區進行例行監測。

2.1 數據獲取

用于監測的雷達影主要來自歐空局的ENVISAT衛星、日本宇航局的ALOS衛星和德國宇航局的TerraSAR-X 衛星。ENV ISAT由歐空局2002年發射, 搭載的雷達傳感器ASAR工作波段是波長5. 6 cm的C波段, 對同一地區的重訪周期為35天，遺憾的是目前ASAR已大大超過其設計壽命，歐空局將于2010下半年對其變軌并停止提供干涉數據；ALOS衛星由日本JAXA于2006年1月24日發射, 是日本在1992年發射的地球資源衛星1號和1996年發射的改進型地球觀測衛星之后發射的又一顆更加先進的陸地觀測技術衛星。所搭載的SAR傳感器工作波段是波長23 cm的L波段，提供精細、寬幅等多種工作模式，重訪周期為46天；于2006年6月由德國發射的TerraSAR-X是一顆專門用來獲取雷達影像的衛星，該衛星工作波段為3.1cm的X波段, 重訪周期為11天，較之以往的雷達傳感器有明顯的進步, 不僅軌道更加精確穩定；還提供全極化模式和1 m高分辨率的精細模式；而且采用較高的距離向帶寬，從而容許更大基線距干涉像對。對于礦區的監測將以ALOS及TerraSAR-X獲取的數據為主。

2.2 歷史性形變監測

為了評估雷達干涉技術在焦平礦區的應用效果，利用ALOS分別于20070716，20090905及20091021獲取的礦區的SAR影像，進行了初步處理。結果表明，盡管煤礦地處山區，但ALOS數據的干涉效果極佳，可以發現在20090905至20091021期間，礦區無形變；然而20070716至20091021的2年多期間，礦區周邊的山體似乎存在著較為明顯的形變信號。歷史性形變監測的主要目的是發現潛在的形變區，在后面的監測中予以重點關注。

2.3 發展性形變監測

隨著煤礦生產的進行，已發現的形變區可能會發展擴大，也可能出現新的形變區。這個階段，將定期收取各種SAR數據對礦區進行例行監測。

參考文獻:　

[1] 廖明生，林暉，雷達干涉測量—原理與信號處理基礎【M】.測繪出版社，2003.8

Liaomingsheng,linhui, synthetic aperture radar interferometry _principle and signal processing.[M], Surveying and mapping press,2003.8

[2] 劉國林,InSAR技術的理論與應用研究現狀及其展望[j], 山東科技大學學報(自然科學版),2009.(3)

[3]Guoxiang L. Mapping of Earth Deformation with Satellite Radar Interferometry: A Study of Its Accuracy and Reliability Performances[D]. PH.D. theses: Dept of Land Surveying & Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University,pp.250,2003

[4]吳立新等．基于D-InSAR的煤礦區開采沉降遙感檢測技術分析[J]．地理與地理信息科學，2004,20(2):22-25

(本文來源：陜西省土木建筑學會文徑網絡：文徑尹維維編輯劉真審核)