基于D-InSAR三轨法的北京平原区地表形变监测

周 琦，赵文吉

（1.首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048）

基于D-InSAR三轨法的北京平原区地表形变监测

周 琦1，赵文吉1

（1.首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048）

首先阐述了D-InSAR三轨法提取地表形变的基本原理，以北京平原区为实验区域，利用2009年9月到2010年4月间时隔210 d的三景Envisat ASAR数据进行解算，获取了该时间段内北京市城区范围内的整体地表形变，并将其与常规水准测量结果进行比较。结果表明，实验区监测结果范围与传统测量方法累计沉降量等值线吻合较好，D-InSAR三轨法能很好地反映实验区域的地面沉降情况。

D-InSAR；三轨法；沉降灾害；地表形变；北京城区；平原区

D-InSAR技术是InSAR技术的拓展和延伸。D-InSAR作为一种对地观测新技术，凭借其形变测量精度高、覆盖区域广、空间分辨率高、数据自动化处理功能强大和基于面观测的遥感技术等特点[7]，在监测大范围区域性地表形变应用中具有极大的潜力。1989年，Grabriel等首次论证了D-InSAR技术可用于探测cm级的地表形变[2]；1993年，Massonnet等人利用ESR-1 SAR干涉图像以及该地区的已知DEM数据，完整得到了加利福尼亚兰德斯地震的同震位移场[3]；1994年，Zebker等人提出了利用三轨法从SAR干涉图中提取地震形变的方法，由此引发了D-InSAR技术理论和应用的研究热潮[4]；此后随着D-InSAR技术的不断发展，研究重点逐渐转移至地面沉降、山体滑坡等缓慢微小的地表形变。国内从1997年开始进行雷达干涉测量和差分干涉测量技术的研究，主要表现在地震形变监测、城市地下水开采地面沉降监测、南极冰川运动监测以及滑坡监测等方面的研究，取得了一定的成果。

1 D-InSAR提取地表形变基本原理

干涉测量的每个分辨率像元记录的相位信息主要包含参考面、地形、地表形变、大气延迟及噪声等因素的综合贡献，可由式（1）表示。

D-InSAR差分干涉测量就是采取一系列方法将其余4种相位信息去除，从而得到包含地面形变信息的形变相位Φdefo。根据去除地形相位采用的数据和处理方法的不同，D-InSAR技术主要分为二轨法和三轨法。二轨法利用外部高精度地面数字高程模型来模拟地形干涉条纹，然后从整体干涉图中减去模拟的地形相位就得到了只包含形变相位的差分干涉图。三轨法即利用三景数据，其中主图像获取在形变发生前，与其他两景影像生成2幅干涉图，一幅反映地形信息，另一幅反映地表形变信息，消除平地效应后，分别进行相位解缠，最后利用差分干涉测量原理，计算得到地表形变信息。三轨法的优点是无须辅助高程信息，不会引入DEM误差；缺点是相位解缠的效果将影响最终结果[8]。

本文以三轨法为例，介绍D-InSAR技术的基本原理。如图1所示，A1、A2是地表发生形变前SAR卫星短时间间隔内2次对同一地区成像时的瞬时天线位置，A1、A2天线处获得的雷达回波信息只包含地形信息；A3是形变发生后一段时间内的SAR卫星对该地区成像时的天线位置，由A1、A3所获得的干涉图像相位不仅包含地形相位，还包含地表形变的相位。

图1 D-InSAR三轨法测量原理示意图

天线A1和A2分别收到的信号传播路径为ρ1和ρ2，二者的差为δρ。由InSAR的基本原理可知[8]：

由于基线B远远小于雷达距地距离ρ1，所以δρ≌−Bsin（θ−α）=B||。式中，B||为基线B在视线方向的分量，即B||≌Bsin（θ−α）。

用干涉方式所量测到的相位差与视线方向的基线分量成正比。在重复轨道干涉测量模式下，有：

如果在同一地区再次成像，传感器位置为S3，信号传播路径为ρ3，与S1位置时获取的主影像形成第2幅干涉图，其基线距为B'，基线与水平方向的夹角为α'，相位差为Φ'，θ不变，此时地形相位信息可由式(4)得到：

如果在第3次成像前地表发生形变，并且形变量与雷达分辨单元相比很小，确保雷达信号未出现失相关，那么此时相位信息除了与地形有关外，还包含雷达视线LOS方向的形变信息Δρ。第2幅干涉图的相位可以表示为：

由式(7)、式(8)便可得出地表形变量。D-InSAR处理与InSAR处理相比，主要是增加了对地形相位的消除。

2 实验处理流程及结果

2.1 实验区概况

本次实验选取北京市平原区以及近郊区县昌平、顺义、大兴的一部分作为实验区，见图2。北京市平原区位于华北平原的西北边缘，西部和北部群山围绕，西部山区属太行山脉，北部山区属燕山山脉[9]。北京平原主要是永定河、潮白河、北运河、大石河及蓟运河等冲洪积物组成的山间盆地和山前倾斜平原。山前平原由西北山前向东南缓缓倾斜，地面高程由60 m逐渐降至10 m。平原区面积为6 528 km2。

图2 实验区范围雷达强度图

2.2 数据信息

实验选用欧空局Envisat卫星于2009-09-09、2009-11-18、2010-04-07采集获得的覆盖北京城区的三景ASAR雷达影像进行三轨差分干涉测量处理，见表1。

表1 SAR数据参数统计表

2.3 数据处理流程及结果分析

图3 D-InSAR三轨法基本处理流程图

图3为三轨法基本处理流程。由于卫星在对地表同一地物进行重复轨道观测时的瞬时位置会发生变化，因此首先要对数据进行配准与重采样。在进行去除平地效应和滤波的处理后便可开始对干涉相位进行解缠，对干涉相位中包含的噪声信息进一步抑制。在GAMMA软件中相位解缠处理一般有2种方法，分别是枝切法和最小费用流法(MCF)。本次实验采用较为快速实用的MCF法，可以减少解缠运算时间，如图4所示。将地形相位斜面恢复到解缠相位中，如图5所示，在差分干涉图上沉降的区域所对应位置的干涉条纹发生了明显扭曲。

图4 主影像对与从影像对解缠结果

图5 干涉条纹反映地形相位变化

最后将差分干涉相位转换到高程相位，得到形变图。从图6可知，从2009-09-09到2010-04-07共210 d的时间跨度里，北京平原区部分沉降中心最大沉降量约为114 mm。实验区范围内可以观察到朝阳区东八里庄-大郊亭沉降区、朝阳区望京-来广营沉降区、顺义区高丽营沉降区3个明显的沉降中心，其中北京市东部京通快速线王四营-通州一带是目前北京市最大的沉降漏斗，与北京市地面沉降历史监测结果相吻合。图6为经过相位到高程转换后的实验区域7个月的累计沉降量。

图6 实验区210 d累计沉降量

2.4 监测结果比较验证

将InSAR测量结果与用常规水准测量方法监测得到的北京市2008~2010年地面沉降等值结果（见图7）进行叠加比较可以发现，InSAR监测结果中无论是沉降趋势还是沉降中心位置都与水准测量结果比较接近。另外在沉降漏斗中心位置设有北京市地面沉降监测站等水准测量站点，通过与这一时间段内沉降监测结果的比较,可进一步验证InSAR测量的监测精度。图8为最终的实验区地面形变监测结果。

图7 北京市2008~2010年地面沉降量等值线图

图8 实验区沉降监测结果分析

3 结 语

本文利用D-InSAR三轨法监测了北京市平原区地表形变。尽管在城市地表形变监测中，传统差分干涉测量受大气效应引起的相位延迟，由时间、空间失相干引入相位噪声等问题影响较大，但D-InSAR能在一定时间段及一定的误差范围内，快速准确地监测城市地面形变的发展趋势及大致位置，操作便捷并且能达到cm级的监测精度。监测结果表明， D-InSAR三轨法技术能良好地反映城市区域地表形变。

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Surface Deformation Monitoring of Beijing Plain Area Based on 3-pass D-InSAR Technique

byZHOU Qi

We described the basic principles of the D-InSAR 3-pass method to extract the surface deformation and subsidence at the beginning. Taking Beijing Plain area as the experimental area, using and calculating 3 experiment data which was produced during 09/2009~04/2010 that lasts 210 days, we obtained the overall surface deformation of Beijing urban area limits during that period.We compared the InSAR result with leveling measurement method and the monitoring result of the experiment area. The results show that the 3-pass D-InSAR method can well reflect land subsidence situation of the experimental regional.

D-InSAR, 3-pass, surface deformation,land subsidence,Beijing, plain area

P237.9

B

1672-4623（2013）02-0146-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.048

2012-11-01。

项目来源：北京市自然科学基金资助项目（KZ201010028030）；北京市教育委员会科技计划重点资助项目。

book=3,ebook=79

周琦，硕士，研究方向为遥感与地理信息系统应用。