６ 论 著 Ｄ—Ｉ ｎＳＡＲ技术地表沉降监测概述 周荣 顾爱辉 钱小娟 （江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏南通２２６００６） 摘要：传统的地表沉降监测技术，如全球定位系统、精密水准测量和土工测量等，存在空间分辨率低、监测范围小和费用 高的局限性。本文介绍了近几年迅速发展的监测地表沉降的合成孔径雷达差分干涉测量（Ｄ．ＩｎＳＡＲ）技术，主要对合成孔径 雷达干涉测量（ＩｎＳＡＲ）技术的原理、Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术的原理和处理流程做了详细的阐述，并对Ｄ．ＩｎＳＡＲ技术中的不足作了 说明。 关键词：Ｄ。ＩｎＳＡＲ技术；地表沉降；形变监测 Ｄ０ｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉ ｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１２．１０．００４ １ 引言 地表沉降是由于过量开采地下液体或矿产资源（如地下 水、石油、天然气等），使地下松散土层压缩而导致地面高 程逐渐降低的工程地质现象。我国北方多数城市和沿海许多 地区都面临着地面沉降的问题。大量超采地下水使华北地区 地下水位大幅下降，仅河北境内就出现了２０多个漏斗区， 与北京、天津连成一片，已经形成世界最大“地下水漏斗”［１］ｏ 长期以来，大地测量学家和地球物理学者一直在致力探 索监测地表形变的技术和方法。目前，人们一方面使用地下 水监测井来跟踪水位变化；另一方面使用大地测量途径如全 球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）和精密水准 测量（Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ，ＰＬ）来监测地表位移，或者使用土 工测量途径（如形变应力计）来观测地表裂缝的发展【２】。但 上述测量技术具有空间分辨率低且覆盖范围较小的技术劣 势，而且费用比较高。 合成孔径雷达干涉测量（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ，ＩｎＳＡＲ）是近二十年发展起来的极具潜力的微波遥感 新技术Ｉ ，具有全天候、大范围、高地面分辨率和不受大 气影响等优点ｌ２ 。Ｄ．ＩｎＳＡＲ是利用同一地区的两景或多景 重复观测数据，根据干涉相位，精密测定地表的微小形变， 精度可达厘米甚至毫米级【ｌ ｊ。 ２ ＩｎＳＡＲ测量原理 ＩｎＳＡＲ测量原理是Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术的基本理论基础，其 模式包括交叉轨道干涉测量、顺轨干涉测量和重复轨道干涉 测量［ 。 现在大多数星载雷达卫星系统都采用重复轨道干涉测 量模式，它用单个雷达天线在不同时间、重复轨道上获取干 涉影像对，即用相邻两次成像时卫星上对同一地区获取的影 像来形成干涉，ＥＲＳ．１／２和Ｅｎｖｉｓａｔ．ＡＳＡＲ均采用这种模式。 复轨道干涉测量模式的几何模型如图１所示。图中以天 线Ｐ．的星下点０为坐标原点，ＳＡＲ平台飞行的方向垂直指 向纸面，Ｙ轴表示距离向，Ｚ轴表示由星下点指向天线的径 向。０表示视角，天线Ｐ１距离星下点的高度为Ｈ。两天线问 的距离为干涉基线Ｂ，它与距离向Ｙ的夹角为０【。目标Ｔ距 离星下点的高度为ｈ，目标Ｔ到天线Ｐｌ和天线Ｐ２的斜距分 别为ｐｌ和ｐ２。基线Ｂ在斜距方向的投影为平行基线Ｂ ，在 垂直于斜距方向的投影为垂直基线Ｂ ，在水平和竖直方向 的投影分别为水平基线Ｂｈ和垂直基线Ｂ 。 图１ Ｉ ｎＳＡＲ平面几何模型 由图１中的几何关系可得： Ｂｌｌ＝Ｐ２一Ｐ１＝Ｂｓｉｎ（一 ） Ｂｌ＝Ｂｃｏｓ（０一口）＝Ｂ ｃｏｓ０＋Ｂ ｓｉｎ０——（式２） 假设地面上一点Ｔ成像以后，它在ＳＬＣ影像中的分辨 单元中表现为一个散射体。由于ＳＡＲ系统获取回波信 号的相位与微波传播的路径长度和地物的后向散射特性有 关【５ＪＩ它的回波信号的相位 可以表示为： ＝ ＋ 删——（式３） 式中： 表示由微波传播路径决定的距离相位， ， 表示由分辨单元内散射体的散射特性及其分布决定的散射 相位。 距离相位与传播路径的关系为 ，４１ｒ 一—■‘Ｐ ｐ表示天线到目标之间的距离，式４中的负号表示相位 经过路径ｐ回到天线时，相位发生延迟。 同一地物目标在两幅ＳＡＲ影像中的相位差，即可形成 干涉相位 ： 中国西部科技２０１２年１０月第１１卷第１０期总第２７９期 ： 一 ：一 （ ２一 。）＋ ＝ ｌ ｌ一 一（ ‰－）一等 ＋ ， 一 厄 一其中与微波传播路径差△ｐ＝Ｐ２一Ｐｌ有关的相位差，承 一 载着目标的三维信息和变化信息；另一相位分量△ 倒由分 Ｒ 辨单元内散射体的散射特性及其分布的变化而决定：获取干 涉影像对时，两天线视角的差异会引起散射特性的变化，在 重轨单天线模式下，分辨单元内散射体的分布也会发生变化。 当两幅ＳＡＲ影像的散射相位 … 完全相同时，即 △ …，＝０，ｌ下涉相位表示为： ＝ 一 一 ——（式６） 上式中 为参考面（如ＷＧＳ一８４）引起的干涉相位， 在此参考面上无高程变化，但沿距离向的点位变化而造成的 斜距差会产生干涉相位，此干涉相位分量 Ｒ称为半地相位 或参考相位，减去这一分量的过程，称为去除平地效应；干 涉相位 ， 表示地形高程变化而引起的干涉相位。对式６求 ０的导数可得： ｄＯ ：一 。。 （ 一 ） ：一 柚 一 目标Ｔ距离星下点的高度： ｈ＝Ｈ—Ｐ】ｃｏｓ０ 对式８求 的导数得： ｄｈ＝ｐｌ ｓｉｎ （式９） 则由式７和式９可得 、 ］： ｄＯ ・Ｐｔ ｓｉｎ ０ ｄ毋ＩＦ ｄＯ ｄ ＩＦ ２ ・ｋ・ＢＬ ——（式１０） －Ｐ１ ｓｉｎ０ ２万・ｋ・（ ＾ＣＯＳ０＋Ｂ ｓｉｎ０） 表达成离散形式为： Ａｈ：一尘 △ ， ２１ｒ咄。１３￣（式１１） 一 △ ２万・・ｋ Ｂ Ｃ （ ＯＳ０ Ｂ ｓｉ＋ ｎ）… 由式１１可知，由去平后的干涉相位 ， 的变化值，即 可求出相对应的高程的变化值。因此干涉相位即可转换成各 个目标的相对高程值，经控制点改正后就能够得到目标在某 个高程基准下的高程值。 ３ Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术的基本原理 当对同一地物进行两次观测时，该地物的几何位置发生 了变化，称之为形变。通过多次雷达干涉测量来计算得到的 地表形变量的技术，称之为差分雷达干涉测量（Ｄ—ＩｎＳＡＲ）。 根据所用影像的数量可以分为二轨法、三轨法和四轨法【３ ＇。 如图２所示为三轨法进行差分干涉测量的几何示意图【５】ｏ ７ 假设Ｏ１和Ｏ２处获取的是发生地形形变前的Ｔ涉相位，即小 包含地形形变相位，称为干涉纹（见图１）；Ｏ１和Ｏ３处获 取的是包含了地形形变相位和其它相位的干涉相位，称为干 涉纹（见图２），则可利用两次干涉相位之差来获取反映地 表沿雷达视线向移动的形变相位 。 Ｏ 图２ Ｄ—Ｉ ｎＳＡＲ基本原理示意图 在没有发生形变之前，点Ｐ对应的干涉相位为： 等 一（式１２） 点Ｐ沿雷达视线向移动Ａｒ后获取的Ｔ涉相位为： ：一 且 一 △ 则由视线向形变引起的相位增量为 ＝一 ４７／ 鲁／５ １： 式１４中真实的平行基线是无法直接求得的，所以我们 需要重新定义干涉相位。由图２所示，每个像元对应的视角 是雷达参考视角０（或０’）和每个像元对应的视角增量△ （或△ｏｒ）之和，对于特定的成像方，参考视角（ 或０） 是确定的，（△ 或△ｏｒ）随斜距而变化。 对于干涉纹图２而言，斜距向上每一个像元去除平地后 对应的相位是： ，：一兰 ’［ｓｉｎ（ ＋△ 一 ’） 一ｓｉｎ（０’一 ’）卜 Ａｒ 一（式１５） ：一兰 Ｂ’ｃｏｓｆ 一 ’）Ａ０’一兰 Ａ，＿ 干涉纹图１对应的去除平地效应后的相位为： 旃 ｆ＝一—４ ７／＂ ｓｉｎ ＋△ 一 一ｓｉｎ（０一 ］ ——（式１６） ：一 Ｂｃｏｓ 一ａ）Ａｏ￣ 由于雷达脉冲变化很小，两次干涉处理中对应的视角增 量变化很小，可以认为相等，则： Ａ０’＝△ ——（式１７） ８ ——（式１９） ‰ ｌｌ 由式１７、式１８和式１９可得形变相位：ｌＩ 一 一 Ｄ’ 一 ＝ ｆ一 ｆ＝一 Ａｒ 一（式２０） ． 一 一 上 ／Ｌ △ 因此，可通过去平地效应后的干涉相位差分求解视线向 △ ． 形变增量。 ４ Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术的处理流程 差分干涉测量主要处理流程如图３所示，包括主、从影 像输入、影像配准、干涉图的生成和处理、差分干涉图的生 成和处理、相位解缠、地理编码、生成形变量【６］。 主从影像输入主要包括不同格式ＳＬＣ数据的导入、精 密轨道参数导入和轨道粗定位，前置滤波等一些前期处理工 作。ＳＡＲ干涉像对配准就是通过得到同一地物目标在两幅影 像中对应的匹配像元来建立两幅影像的各个像元之间严格 的对应关系，精确的配准保证了两幅影像的相干性。影像配 准分为粗配准和精配准。一般认为雷达配准的精度达到１／８ 个像元是不影响后续干涉测量步骤的最低保证［”。为了能够 进行雷达影像的精确配准，通常采用多级配准的策略，影像 配准分为粗配准和精配准。 图３ “二轨”差分流程图 影像配准后，就可以利用干涉算法生成干涉纹图和对应 的相干图，这个步骤被称之为干涉成像。生成干涉图和相干 图后，利用外部ＤＥＭ模拟的干涉相位或者通过ＩｎＳＡＲ得到 的地形相位与生成的干涉图进行差分计算，得到差分干涉 图。由于各种去相干因素的影响，生成的差分干涉图常会存 在一定的相位噪声，使得在后续的相位解缠过程中出现局部 误差。为了降低噪声的影响，往往采用后置滤波的手段进行 论 著 去除，其中经典的滤波算法有ＬＳ自适应滤波和Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ滤波。 干涉纹图中复数共轭相乘获取的相位值是采用反正切 函数的形式表示的，所以得到的相位差是真实相位差的整周 期数被截断（Ｐｈａｓｅ Ｗｒａｐｐｅｄ，相位缠绕）所剩下的部分，其 大小落在［－７【～ ］之间。从而得到阶跃变化的不连续相位分布 图，即干涉相位条纹图。为了获取真实的连续相位值，必须 恢复被截断的整周部分（以下称为相位整周数，Ｐｈａｓｅ Ｃｙｃｌｅ），这个过程即为相位解缠（Ｐｈａｓｅ Ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）。目 前已经发展了多种相位解缠的算法，其中最具代表性的有 Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ在１９８８年提出了经典的路径跟踪算法——枝切法 （Ｂｒａｎｃｈ Ｃｕｔ）；由Ｇｈｉｇｌｉａ和Ｒｏｍｅｍ于１９９６年提出的最小 范数法和由Ｃｈｅｎ十２００１年提出的统计费用网络流算法【８】。 最后一步为形变量的生成，具体包括解缠相位到形变量 的转换；斜距向形变到垂直向形变转换和地理编码 （Ｇｅｏｃｏｄｉｎｇ）。 ５结语 Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术能够利用两景或多景影像完成对地表沉 降厘米级甚至毫米级的高精度监测，具有全天候、大范围、 精度高和费用小的优点，可以基于地表形变的高精度观测成 果，给出详尽而合理的地表形变物理解释，并揭示相关科学 规律，满足地球物理研究以及形变灾害预测和评估的实际需 要。Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术是未来地表沉降监测技术的发展方向。但 Ｄ．ＩｎＳＡＲ技术也有本身的局限性，例如它受时间失相关、空 间失相关和大气延迟的影响，对数据要求比较高，同时由于 分辨率的原因，利用低分辨率ＳＡＲ影像时Ｄ—ＩｎＳＡＲ技术不 能对单个目标的变形进行监测，这些都是Ｄ．ＩｎＳＡＲ技术在 未来的发展中需要解决的问题。 参考文献： ［１］王超，张红，刘智．星载合成孔径雷达丁涉测量【Ｍ］北京：科学出版社， ２００２． ［２］陈强．基于永久散射体雷达差分干涉探测区域地表形变的研究［Ｄ］．成 都：西南交通大学，２００６． ［３］祁晓明．ＰＳ－ＤＩｎＳＡＲ技术在西安地区的变形监测研究【Ｄ］．西安：长安大 学．２００９． ［４１刘国祥．合成孔径雷达遥感新技术——ＩｎｓＡＲ介绍［Ｊ】．四川测绘，２００４， ２７（２）：９２－９５． ［５］卢丽君基于时序ＳＡＲ影像的地表形变检测方法及其应用［Ｄ］．武汉：武 汉大学。２００８． ［６］范洪冬．ＩｎＳＡＲ若干关键算法及其在沉降监测中的应用研究［Ｄ］．徐州： 中国矿业大学，２Ｏｌ０． Ｉ作者简介１周荣（１９７０一），男，江苏海安籍，大学本科， 工程师，主要从事水文水资源勘测及保护方面的研究工作。 （下转第１０页） １０ 表１ 论 著 这三种数据链都能满足当前ＡＤＳ—Ｂ应用的基本要求，但 使用情况 系统 ＧＰＳ ＧＬＯＮＡＳＳ 伽利略 所有权 美国 俄罗斯 欧洲 都不甚完美。由于欧洲和美国两大商用飞机制造基地的产品 生产标准不同，在选用地空数据链时，出于兼容现有机载设 备、兼顾终极发展目标的考虑，取向也各有侧重。 澳大利亚不生产大型商用飞机，却能成功应用ＡＤＳ．Ｂ技 目前唯一能够实现可靠全球覆盖 的卫星导航系统 正在完善，还不能提供可靠的覆盖 全球的卫星导航信号 因经费、卫星频率的问题现未发射 导航卫星 术。原因在于他们采取了务实的，从解决空中交通服务 的实际问题出发，不在数据链的终极能力问题上犹豫不决， 选用国际民航组织建议的全球可互用的１０９０ＥＳ数据链。澳大 利亚的成功经验给我们的有益启示。我们不必因消极等待完 美无缺的地空数据链而贻误时机，当务之急是尽快明确我国 支持ＡＤＳ—Ｂ应用的地空数据链，以支持机载设备配型、 北斗 中国 ２０１２年左右，系统将首先具备覆盖 亚太地区的定位、导航和授时以及 短报文通信服务能力；２０２０年左 右，建成覆盖全球的北斗卫星导航 系统。 ＧＮＳＳ比现用的传统的导航系统能够提供更为精确的导 航引导。第一代的ＧＮＳＳ是基于ＧＰＳ￣ＩＩＧＬＯＮＡＳＳ导航卫星星 座。增强系统现在用来改善其精度、完整性、连续性和可用 性。他们使用ＳＢＡＳ（星基增强系统）或者ＧＢＡＳ（地基增强 系统）提供经数据链发给用户的改进了的导航性能信息。 地面设备生产和相关软件开发。 因此，根据《中国民航监视技术应用》中ＡＤＳ—Ｂ近 期（２０１１￣２０２０年）目标，有计划的部署相关地面基础设施， 实现其监视功能，满足部分通用航空的需要。同时并充分验 证ＡＤＳ—Ｂ＊Ｈ关技术细则，为ＡＤＳ．Ｂ中长期目标的实现打好基 础。 ｓＢＡＳ服务的覆盖面与同步卫星的相同，导航信号在ＧＰＳＬ１ 频率１５７５．４２ ＭＨｚ发送，使用ＣＤＭＡ编码，ＣＨＩＰＰＩＮＧ率 １．０２３ｋｂｉｔ／ｓ，带宽２．０４８ ＭＨｚ，信号强度一１６０ｄＢｗ链路的终结 数据率是ＦＥＣ后２５０ｂｉｔ／ｓ。系统使用ＰＲＮ黄金编码，以便下行 链路不造成干扰。现在的ＩＮＭＡＲＳＡＴ ＩＩＩ卫星载有导航载荷， 支持ＳＢＡＳ，但尚未投入使用。 地一空之间传递数据的载体——地空数据链是ＡＤＳ—Ｂ ５结论 目前只有ＧＰＳ能够作为ＧＮＳＳ的可靠信号源，因此 ＡＤＳ—Ｂ现阶段只能作为通用航空及雷达管制的辅助管制手 段，待北斗星卫星导航系统于２０２０年完成全球的有效覆盖 后，能够提供高精度、完整、连续和可用的导航信号后才能 作为民航空管的主要管制手段，最终通过ＡＤＳ—Ｂ实现全空域 的“自由飞”。 参考文献： １０９０ＥＳ 技术重要的组成部分。各国对ＡＤＳ—Ｂ地空数据链选择各持己 见，但主流意见基本倾向于以下三种（见表２）： 表２ ＶＤＬＭ０ｄｅ４ ＵＡＴ ［１］中国民航监视技术应用［ｚ］．中国民用航空局飞行标准司． ［２］广播式自动相关监视（ＡＤＳ－Ｂ）在飞行运行中的应用［ｚ］．中国民用航空 局飞行标准司． 使用范围 频率 欧洲 １１ ８～ １３６ＭＨｚ 美国 ９００～ １０００ＭＨｚ 国际民航组织 １０９０ＭＨｚ ［３］林武杰．一种融合雷达、ＡＤＳ．Ａ、ＡＤＳ Ｂ、监视资料的航迹追踪方法 ［Ｊ］ｌ中国航空太空学会学刊，Ｖｏ１３６Ｎｏ．２（２００４－０６）． 核心技术 Ｓ０ＴＤＭＡ协议 二进制连续相 选择性询问、双 移键控ＣＰ．ＦＳＫ 向数据通信 ＶＨＦ频段资源 和ＤＭＥ地面设 缺点 紧张 备的互相干扰 频谱过度使用 严重 数据率 数据调制 １９ ２Ｋ Ｇｋｓｋ／ Ｄ８ｐｓｋ 【作者简介ｌ张军（１９７３．），男，硕士，工程师，研究方向为 民航数据网。 ｌＭ ＰＦＳＫ ｌＭ ＰＣＭ 王杰（１９７０一），男，硕士，高级工程师，研究方向为民 航数据网 （上接第８页） Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｄ—ＩｎＳＡＲ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ＺＨＯＵ Ｒｏｎｇ，ＧＵ Ａｉ—ｈｕｉ，ＱＩＡＮ Ｘｉａｏ－ｊｕａｎ ｆＪｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｕｒｖｅｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｎａｎｔｏｎｇ Ｂｒａｎｃｈ Ｂｕｒｅａｕ，Ｎａｎｔｏｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２６００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．ｈａｖｅ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｌＯＷ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ．Ｄ．ＩｎＳＡＲ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＩｎＳＡＲ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｄ．ＩｎＳＡＲ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆ Ｄ—ＩｎＳＡＲ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｏｏ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄ．ＩｎＳＡＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
