摘要：伴随着城市建设不断发展，尤其是地下项目的建设，如地铁、超高层建筑基坑，城市地区地表沉降、塌陷等地质灾害频繁发生，给经济建设和人民的生命财产安全带来了不可估量的损失，大范围的沉降监测成为目前一个亟待解决的问题。本文通过获取的芜湖市的InSAR影像数据，分析芜湖市的地面沉降率，为预防地质灾害提供数据支持。
关键词：InSAR;沉降监测;地质灾害;影像;
0引言
研究InSAＲ 技术解决城市地面沉降问题，主要基于:一是传统的水准测量及GNSS 测量观测对象是离散点位，通过点及其连线数据分析变化情况。InSAＲ 技术是基于地面上随机分布的若干个地面反射相干像元，观测相位是一定分辨单元内所有目标散射相位的相干叠加。当相干性良好的情况下，相干像元的密度很高，直接获取的就是连续的面，直接反映地面的形变量。二是传统测量要解决城市的区域沉降观测，需大面积布设高程监测点，再进行高程测量( GPS 或水准) ，一个中型城市的水准监测单次观测时长可能达到1—2个月甚至半年。单次观测周期长，起、止观测数据时效性差异非常大，容易引起观测数据失真，不能有效分析形变趋势并提出预警。InSAＲ 技术是卫星遥感监测方式，无须布设监测点，可以快速一次性全覆盖城市整体，重复观测时所有观测目标的时间间隔是相等、同步的，更能有效地反映地面的沉降趋势并提出预警。
1 InSAR的基本原理
干涉测量的概念和方法最早是出现在物理学当中，也是用于距离测量，通常是利用两个光源向一个目标发射相干光，根据两束相干光照射的相位差可以很高精度的计算出目标的距离，合成孔径雷达干涉测量的原理与此类似。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是通过两幅天线同时观测(单轨模式)，或两次近平行的观测(重复轨道模式)，获取地面同一景观的复图像对。根据目标与两天线位置的几何关系，对复图像配准后生成相位差，形成干涉条纹图。干涉条纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。因此，可以利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，精确的测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。
2基于ERS1/ERS2数据提取在连续时间上对芜湖地表变形解译与分析
2.1卫星数据简介
本章结合了芜湖市区及其周围的地表沉降的实际情况，基于时序差分干涉图对地表沉降的监测，所采用ERS1/ERS2卫星从2010年9月到2019年6月年间芜湖市所获取的C波段SAR影像。
2.2影像配准
首先要将原始文件格式转换，转化成为一个.slc和一个.slc.par格式的文件。利用par_ESA_ERS命令将已有的.N1文件转化。配准的首要问题是两幅要配准的图像需要有一直的空间位置，我用的方法是将最原始的2010年数据切割成2300×2300的SAR图像，然后将其他要配准的图像先切割为3000×3000的SAR图像，确保包含第一幅SAR的所有区域，然后计算参考影像(主影像)与待配准影像(从影像)之间在方位向和距离向的坐标映射关系，再利用这个关系对待配准影像实行坐标变换和重采样。确定两幅图的偏移值，采用最小二乘确定线性配准偏差多项式，最后得到干涉图像。干涉测量要求影像配准料度必须达到子像元级。如果配准的误差大于或等于一个像元，则说明两幅图像完全不相干，干涉图为纯噪声。因此，要求主辅图像空间配准精度一定要达到亚像元级的水平。
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图1 PALSAＲ 数据的基线集
2.3 InSAＲ数据处理
本文实验以2010 年1月30日获取的影像为主影像，与其他时间的影响做配准和干涉处理。通过对各个影像对时空基线的比较，从所获取的SAＲ影像中选取了时空基线均小于一定阈值的干涉影像对DInSAＲ进行数据处理，这样可以避免因为时空基线过长所造成的时空去相干现象。选取的干涉对和基线集情况如图1所示。
在本文实验中，先将PALSAＲ 数据进行1×3 的多视处理，然后选用美国30 m 分辨率SＲTM 数据作为外部DEM，去除干涉图中地形相位，生成差分干涉图。沿海地区大气影响较大，缺少大气改正数据，本次研究采用时空滤波的方法去除大气误差。
3 结果分析与讨论
根据上述 InSAR方法获取的芜湖地区2010—2019年的地面沉降速率，如图2所示。
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图2年平均沉降速率图
从图2的差分干涉影像可以看出，在森林覆盖区域和高崎机场周围区域的相干性较差。因为在森林覆盖区域，雷达成像时刻分辨率单元内散射体的不稳定性和电磁波的穿透能力有限，容易造成严重的失相干问题。而高崎机场附近除了存在大面积的绿化带之外，自2010年以来在二期扩建的基础上开展了三期扩建工程，故而难以获得相干性较好的点。顾及SBAS 的解算特点和提高解算精度，没有在这些地区选取较多的点参与计算，但是监测结果可以发现机场附近仍然存在一些沉降区域。图4显示形变量级较大的区域主要有3个，即圈内标出的地方。A 区域位于某东路路段以北地区，最大沉降量可达3.5 cm/a，B 区域位于即将修建的地铁1 号线路段，最大沉降量可达2.5 cm/a。C 区域位于湖边水库周边地带，最大沉降量可达3.2 cm/a。
4 结束语
本文通过InSAR技术获取了芜湖区域的2010—2019 年间的形变场，并根据结果分析了研究区主要沉降区域的形成原因。本文研究表明，该地区地表沉降主要发生在以南和以北地区。通过分析得出:因为该地区的建筑物增加导致的地面荷载加大造成的，且该区域地质条件为冲洪积层，渗透压实沉降仍在进行，地基承载力较小。因此，推测筼筜湖以南地区未来的沉降量将逐渐增大，其他区域较为稳定。要针对危险区域提前做好防范措施，为了能够全面获取机场形变信息，还要进一步研究如何提高干涉图的相干性，对SBAS 算法做出进一步改进，并结合其他卫星数据来提高结果的精度。
参考文献
[1] 盛耀彬.基于时序SAR影像的地下资源开采导致的地表形变监测方法与应用[D].徐州：中国矿业大学，2011.
[2] 乔书波,李金岭,孙付平等.InSAR技术现状与应用[J].天文学进展,2003,21(1):11-25.
作者简介:高泽润(1985.10),男，安徽宿松人，研究生学历，工程师，主要从事测绘、InSAR变形监测等方面的工作。
论文作者:高泽润
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
标签：影像论文; 区域论文; 芜湖市论文; 数据论文; 基线论文; 测量论文; 芜湖论文; 《基层建设》2020年第2期论文;