insar技术在变形监测中的应用

insar技术在变形监测中的应用

发表时间：2018-05-15T11:39:04.483Z 来源：《基层建设》2018年第1期作者：张振勇

[导读] 摘要：我国发生地面沉降灾害的城市已超过50个，全国城市地面沉降量并在逐年增长趋势。

地矿抚顺工程勘察院 113004

摘要：我国发生地面沉降灾害的城市已超过50个，全国城市地面沉降量并在逐年增长趋势。地面沉降的过程一般都是循序渐进的、长时间累积而形成的地质灾害，且不可逆转，恢复困难，严重影响到城市建设的发展，是制约区域经济持续发展并对人民生命财产安全产生威胁的重要因素之一。因此，及时准确地监测地面沉降及发展过程具有重要意义。利用insar进行高精度的缓慢地表形变观测，可以有效地把握区域性地表形变宏观趋势，以弥补传统地质灾害地表形变监测手段空间覆盖范围有限。

关键词：insar技术；变形监测；基本流程；应用

引言

由于受到过度抽取地下水、大量开采煤矿等人为因素以及冰川漂流、火山运动等自然因素的影响，地球表面时刻发生着细微的形变，当形变积累到一定程度，将会引发严重的地质灾害，例如火山、地震、海啸、滑坡等，对自然环境以及人们的生命财产安全构成严重的危害。在这种情况下，加强先进监测技术的研究和应用成为相关地质部门和企业的重要任务。随着雷达遥感技术的不断进步，insar技术获得发展，为大范围地表形变的监测提供了有效保障，在地表形变监测中体现出较高的形变敏感度和空间分辨率，同时不会受到恶劣天气的影响，因此，insar技术具有十分重要的应用价值，值得相关部门和企业进行深入研究和推广。

一、insar技术基本原理

insar技术即为合成孔径雷达干涉测量技术，其基本理论根据与干涉测量法有关。干涉测量法主要是通过两个光源同时向同一目标发射相干光，然后以两束相干光的相位差为依据，分析和计算出目标的位置距离。insar技术则是利用两组天线装置进行同步观测，或者进行两次平行观测，从而得到地面上同一景观的图像，因为目标位置与两组天线装置的位置存在一定的几何关系，从而在图像中产生相位差，形成干涉条纹图，将斜距向上的点和两组天线的位置差等具体信息数据记录下来。因此，insar技术可以通过雷达波长、传感器高度、波束视向及天线基线距之间的几何关系，精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。

二、insar技术基本流程

1、图像配准处理

在insar技术中，图像对的精确配准是十分关键的环节。图像配准处理主要针对不同传感器在不同时间或不同视角对同一景物所形成的两幅图像或多幅图像进行匹配和叠加的过程。对于星载insar生成的两幅图像，由于并非同步得到，图像之间的像素点不能够一一对应，这就需要进行图元配准，采用曲线插值或拟合等方法，将两幅图像中的相同位置的像素与地面同一回波点进行对应，从而形成干涉条件。图像配准一般来说包括粗配准和精配准，粗配准存在大约一个像素的误差，精配准可以达到亚像元精度。

2、干涉图的生成

不同传感器在不同时间或不同角度对同一地面景物测得复雷达图像对，由于两组天线装置与地面同一目标之间的距离不相同，使得复雷达图像对中的同名像点之间出现相位差，进而形成干涉纹图。一般而言，图像的配准误差要低于八分之一个像元，才能减少对干涉条纹的影响。相位差的测量数值，地面目标的三维空间位置与该相位差存在一定的几何关系，根据飞行轨道的参数进行分析，就可以确定地面目标的三维坐标位置，进而生成干涉图。

3、干涉图的滤波

利用insar技术进行成像处理，干涉相位图经常受到各种噪声的影响，造成干涉条纹不明显。其中噪声的来源十分广泛，包括图像不匹配噪声、相干斑点噪声、信号处理噪声、基线相关损失、接收机热噪声、观测区域地形等多种影响因素，如果噪声源过大，甚至会覆盖过原本的干涉条纹，这就需要对干涉相位图进行滤波处理，减少噪声因素引起的残余点数量，从而提高干涉条纹的质量，有利于对干涉相位图的二维相位进行处理。

4、去平地效应

insar形成的干涉图不仅要进行噪声去除处理，还要去除干涉图产生的平地效应。平地效应指的是干涉图中高度相同的平地上的干涉条纹表现出随着方位向和距离向的变化而产生变化的现象，同时平地效应的变化存在一定的周期特性。在insar干涉图中，如果地形起伏所引起的条纹和平地效应引起的条纹出现夹杂的问题，则不能够准确地反映地表形变信息，这种情况下就要利用干涉条纹乘以复相位函数的方法来进行去除处理。

三、insar技术在变形监测中的应用

1、地形图成像

合成孔径雷达干涉测量技术根据SAR复图像中的相位数据，借助于干涉处理的方式来获得地面目标的三维空间信息，因此我们这一技术也更加常见于地形图制作、DEM生成等领域的实际应用中。利用insar技术所得到的地形地貌精准度也会受到成像几何以及干涉图像质量等因素的影响。相关实验结果说明，利用干涉测量技术来获取DEM具有非常高的效率和准确度，尤其是在荒无人烟、环境恶劣或者无人区，选择insar技术进行测绘是非常普遍的。

2、地壳形变研究

借助于insar技术所得到的DEM能够直接找出地表变化情况，比如说泥石流沉积、沙丘移动等。差分干涉通过对多次干涉结果实施差分，当我们排除地形干扰之后，能够通过雷达的波长量级来对地表发生的微弱物理变化进行监测。

insar技术还能够更加广泛的应用到土地动力学的各个方面，比如说气候地貌学、土壤迁移、火山学、灾害风险评估以及自然灾害监测等。类似于此的地表物理变化通常是因为断层隆起或弯曲、地震灾害导致的位移、地块沉降等引起的，对其进行监测能够帮助我们更加准确的对火山、滑坡、泥石流等自然灾害作出预报，降低自然灾害给我们带来的生命财产损失。

3、极地监测

极地冰盖会在很大程度上决定了地球气候环境的变化，所以对极地冰盖体积以及冰川的运动进行监测是十分重要的。和过去的监测方式比起来，insar技术能够监测更大范围、更高效率的优势，它能够更加准确的对极地冰盖厚度变化以及冰川移动状态进行监测。1993年歌