InSAR技术及其在城市地面沉降中的应用探讨

InSAR技术及其在城市地面沉降中的应用探讨刘志辉祁寿（宁波市镇海规划勘测设计研究院，浙江宁波315200）摘要城市地面沉降监测对于城市安全与城市发展有重要的意义。本文对在沉降监测中日益流行的InSAR技术做了详细研究，剖析了InSAR的数据来源、对地面沉降的估算原理以及应用软件使用，并针对各地使用InSAR进行地面沉降的实际应用情况，探讨了InSAR的应用手段，并结合目前广泛使用的3S技术，给出了一套基于3S技术的城市地面沉降监测系统框架方案，为城市建设地面沉降监测系统提供参考。本文还根据InSAR的特点，指出了InSAR的部分缺陷，并给出了InSAR的使用局限以及今后的研究方向。关键字InSAR；地面沉降；SAR传感器InSARtechnologyanditsapplicationofurbanlandsubsidenceLiuZhiHui,QiShou（ZhenhaiofNingBoPlanningSurveyandDesignInstitute,NingBoZheJiangChina315200）Abstract：Urbanlandsubsidencemonitoringhasimportantimplicationsforurbansafetyandurbandevelopment.InSARtechniqueincreasinglypopularinthesettlementmonitoring,analysisofInSARdatasources,estimationtheoryandapplicationsoftwareonSubsidence,andthepracticalapplicationoflandsubsidencearoundtheuseofInSARtoexploreInSARapplicationmeans,combinedwiththe3Stechnologyiscurrentlywidelyused,givenasetof3Stechnology-basedurbangroundsubsidencemonitoringsystemframeworkprogramforurbanconstructiongroundsubsidencemonitoringsystemtoprovideareference.ThearticlealsopointedoutthataccordingtothecharacteristicsofInSARoftheInSARpartofthedefect,andgivestheInSAR'suselimitationsandfutureresearchdirections.Keywords：InSAR;landsubsidence;SARsensor1引言近年来，国内各大城市陆续出现房屋下陷、路面下沉等城市地面沉降问题，影响了人们的正常生活。地面沉降通常是由软土层、地下水超采等自然或人为因素引起的，它对城市发展、交通安全、人类生活等构成了潜在的危害。对地面沉降进行跟踪监测，能够有效的预防灾害发生。目前，常用的地面沉降方法有水准测量、GPS监测、InSAR技术监测等。InSAR（Interferometricsyntheticapertureradar）遥感技术起源于20世纪60年代末，它是利用合成孔径雷达SAR的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术。随着技术的不断成熟，在过去的十年里，InSAR被广泛用于获取地面起伏的信息。与水准测量和GPS监测对比，InSAR技术在城市范围的地面沉降监测具有全天候、低成本、高时效、高精度、高分辨率、覆盖全面等优势，已在北京、上海、天津、苏州、无锡等地面沉降较严重的地区得到普及应用，并取得较好的成果。本文将详细剖析InSAR的数据来源、对地面沉降的估算原理以及应用软件使用，结合近年来国内InSAR的实际应用，探讨了基于3S技术的城市地面沉降监测系统框架方案。2InSAR技术分析2.1传感器与数据为InSAR技术提供数据的SAR传感器种类放多，从最开始的SRTM（ShuttleRadarTopographicMission）发展至今，目前主要的传感器有7种，它们的波长、访问周期、视角、分辨率和运行时间如表1所示。表1SAR传感器特性传感器波长（厘米）访问周期（天）视角（度）分辨率（米）运行时期ERS-25.663520-2630*301995至今RADARSAT-15.662410-589*91995至今Envisat/ASAR5.633515-4510*102002至今ALOS/PALSAR23.62468-6010*72006至今RADARSAT-25.552420-608*82007至今COSMO-SKYMED3.1251625-501*12007至今TerraSAR-X3.1251120-551*1.52007至今国内目前使用的SAR数据主要来源于ERS-2、RADARSAT-1和Envisat/ASAR，这些数据的特点是拥有丰富的历史数据，涵盖了最近十年；空间分辨率较低，但单幅影像覆盖面积大，数据成本较低。对于城市范围的地面沉降监测，这三种数据是比较合适的。2.2沉降估算方法InSAR技术的核心理论是计算不同时期的两景或两景以上SAR影像的差分值，来表示地面沉降的变化，通常称这种估算方法为D-InSAR（差分干涉合成孔径雷达技术）。该估算方法的一般流程如图1所示。图1D-InSAR估算方法流程D-InSAR的解算过程中，常见的数学模型有二轨模型和三轨模型。二轨模型是1993年Masssonnet等人提出的，其基本思想是借助已有的DEM数据消除地形相位模糊度，从而得到有效的地表形变；三轨模型是1994年Zebker等人提出的，该模型设置主从影像，分别生成两幅干涉图，由此直接计算出地表形变信息，是经典的差分干涉模型。在实际的操作中，受时空不一致、影像空间梯度和不规则的时间速率等的影响，D-InSAR的估算结果精度并不高。直至2000年，Ferretti等人提出多影像永久散射体技术（PS-D-InSAR），其基本思想是在同一区域的多幅SAR影像提取时间序列上保持高度相干性的PS点（永久散射体），从而获得稳定的地相位信息，并且根据相邻PS点对的空间自相关信息，可计算出地面沉降的变化以及速率。该方法有效的提高了地面沉降的监测精度，使其达到mm级，接近或者超过了水准测量、GPS监测方法的精度。但是该方法对SAR影像的数据要求较高，一般需要30景以上的影像。2.3应用软件目前，有不少软件可以直接计算SAR影像的干涉图，从而得到地面沉降结果，如表2所列。这些软件，包括开源软件和商业软件，其中，开源软件大多在Linux平台上开发，对用户的技术要求较高，很多时候需要自己重新编译代码；而商业软件提供各种平台的版本，技术支持较为友善，使用方便，但是价格不菲。表2InSAR处理常用软件软件名称发行类型运行平台环境所属机构/公司ROI_PAC开源免费Solaris/Linux/OSXJPL/CaltechDoris开源免费LinuxDelftInstituteofEarthObservationInterferometricProcessingSystem开源免费LinuxAlaskaSatelliteFacilityDIAPASON商业付费UNIX/WindowsFrenchSpaceAgency（CNES）GAMMASAR商业付费Solaris/Linux/OSX/WindowsGammaRemoteSensingforSolarisIMAGINEInSAR商业付费Linux/OSX/WindowsLeicaGeosystemsGeospatialImagingENVI/SARscape商业付费Linux/OSX/Windowssarmaps.a.3城市地面沉降监测应用探讨上海是我国最早开展地面沉降监测工作的地区，也是最早使用InSAR技术作为城市地面沉降监测的地区。从2004年起开始使用InSAR技术并建立了永久散射体网络，而且拥有GPS监控网络进行检查，实现了InSAR技术监测体系。此外，上海还连同武汉大学，自主研发了InSAR技术软件，实现了InSAR的关键技术。北京、天津、苏州、无锡也先后应用了InSAR技术监测城市地面沉降。2012年初，中国地质调查局应用InSAR技术完成了华北平原（14万平方公里）和长三角地区（6.8万平方公里）范围地面沉降最新状况详细监测，标志着InSAR在国内应用已进入成熟时期。但是，现阶段的应用大都没有形成沉降监测的统一管理系统，限制了监测成果的应用。综合InSAR技术在各个城市中的应用，本文给出一套基于3S技术的城市地面沉降监测系统框架方案，即以GIS为数据、应用管理中心，提供数据入库、沉降预警、成果输出等功能，而PS-D-InSAR技术以模块形式嵌入系统，为系统提供SAR影像的处理以及沉降计算，再加入GPS的检验模块，用以保证数据的可靠性，如图2所示。图2城市地面沉降监测系统框架方案4小结综上所述，本文得出几点结论：InSAR技术作为一门新兴的遥感技术，其误差的主要原因仍然是大气作用，如何降低或消除大气影响，提供监测精度，是InSAR技术研究的重点；PS-D-InSAR技术需要借助稳定的永久散射体，构建区域范围的永久散射体网络，是未来城市地面沉降监测的主要工作之一；目前，SAR影像数据的周期都在10天以上，无法用于短时间的监测甚至实时监测，只适合于对过去大范围的地面沉降监测；本文探讨了InSAR的应用手段，并结合目前广泛使用的3S技术，给出了一套基于3S技术的城市地面沉降监测系统框架方案，为城市建设地面沉降监测系统提供参考参考文献：[1]XiaobingZhou,Ni-BinChang,ShusunLi.ApplicationsofSARInterferometryinEarthandEnvironmentalScienceResearch[J].Sensors.2009.[2]MassonnetD.,RossiM.,CarmonaC.,etal.ThedisplacementfieldoftheLandersearthquakemappedbyradarinterferometry[J].Nature,1993,364:138-142[3]ZebkerH.A.,etal.AccuraryofthetopographicmapsderivedfromERS-1interferometricradar[J].IEEETrans.OnGeosciandRemoteSens.,1994,32（4）:823-836[4]方志雷，王寒梅等.InSAR技术在上海地面沉降监测中的应用研究[J].上海:上海地质.109:22-26[5]靳国旺.InSAR地形测绘若干问题研究[J].武汉：测绘学报.2011.40（5）:23-24