InSAR技术在南京河西新城地面沉降监测中的应用

王庆 ，张涛，邱志伟，岳建平

(1.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏南京 210019;2.南京市规划局，江苏南京 210029;3.河海大学，江苏南京 210098)

1 引言

近年来，由于城市化进程加快，城市地下水的过度抽取以及矿产资源的过度开发等原因，许多城市特别在南京河西新城发生了不同程度的地面沉降。作为地表沉降监测的重要手段，星载InSAR技术以其覆盖范围大、精度较高等特点已得到了广泛的应用。但是，由于星载SAR数据受时空失相干影响严重，并且无法对于地表的微小变化进行实时监测。地基InSAR技术利用连续对观测区域获取的雷达反射信号，能够随时监测到地表所发生的微小形变。通过地基雷达与干涉测量技术的结合，开创了一种地面沉降监测的新方法［1］。

2 地基合成孔径雷达测量原理及IBIS－L系统介绍

地基合成孔径雷达干涉(GBInSAR)技术基于微波探测主动成像方式获取监测区域二维影像，通过合成孔径技术和步进频率技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率，克服了星载SAR影像受时空失相干严重和时空分辨率低的缺点，通过干涉技术可实现优于毫米级微变形监测。采用GBInSAR技术能精确测定被测物表面沿雷达视线向(LOS)的微量变形信息，其基本原理是:通过合成孔径雷达技术获取监测区域的二维影像，利用SF－CW技术提高雷达的距离向分辨率，通过比较影像中目标点的电磁波相位信息，采用干涉技术求取监测区域的变形量［2］。

IBIS(Image by Interferometric Survey)是用于远距离监测目标位移且具有成像能力的陆基微波干涉仪，IBIS－L是一种基于微波干涉技术的创新雷达(如图1所示)。遥测距离可达 4 km，测量精度达 0.1 mm，与GPS、全站仪等技术相比，具有空间连续覆盖的优势，能够对变形区域全天时、全天候进行连续观测。该系统将步进频率连续波技术(SF－CW)、合成孔径雷达技术(SAR)、干涉测量技术相结合，通过合成孔径技术获取监测区域的二维影像，通过干涉技术提取相位变化量。该设备已经广泛应用于边坡工程、地面沉降、大坝等微小位移变化的监测。

图1 微变形监测系统IBIS－L

3 地基InSAR技术地面沉降监测原理

InSAR技术目前是一项非常成熟的测量技术，该技术主要是通过雷达反射波的相位差异而进行的(如图2所示)，将获取到变形前后两次的目标物不同的相位信息差异进行比较，从而利用式(1)解算出位移变化量。IBIS系统可以得到每一个像素单元的位移变化信息，由于IBIS得到的位移变化量是在视线向(Line Of Sight，LOS)的变化量，通过数学方法可以将目标物的变化情况投影到其他方向上，进而能够保证设备监测到微小的位移变化。

利用相位差反演径向位移变化的公式为:

式中，φ1、φ2分别为目标物变形前后雷达获取的相位值。

图2 干涉测量技术原理

如图3所示，将IBIS设备架设在一个相对较高的区域，使得雷达波能够覆盖整个监测区域，通过雷达反射回来的相位的差异得到位移值，再将位移值投影到沉降方向，得到监测区每个目标的沉降变形。

由图3不难看出，高程h、径向距离r以及雷达入射角α满足如下的几何关系:

而视线向位移dLOS与铅垂向位移dVERT间可依据下式相互转换:

通过式(1)、(2)、(3)联立后，便可由观测得到的相位差计算得到地表沿铅垂向的沉降值，公式为:

4 地面沉降监测应用

用IBIS－L系统对南京河西新城地区进行地面沉降监测，雷达覆盖区域大约为 0.2 km2，区域内有居民地、厂房以及丘陵等。为了便于对地面进行沉降监测，设备安置于地质结构稳定的较高处，观测点与测区间相对高程为 96.4 m。雷达的最远观测距离为 1 km，最近距离为200 m。但是，远端由于入射角度较小，受雷达阴影的影响较严重，本次作业选取观测条件较好的区域进行沉降监测。作业时间从2012年7月30日12:00～31日12:00，共计 24 h，采样间隔为 5 min，获取数据261景。

图4为IBIS－L系统获取的雷达信号的反射强度图，由图中可以看出，系统能够准确地记录下建筑物以及地表起伏，观测区域内反射信号的强度均在 15 dB以上。图5为雷达的相干系数图，由图可知目标区域的相干系数较高，均值在0.7左右。相干性是雷达干涉质量评价的重要指标，相干系数越高，表明影像的干涉质量越高，观测精度也就越高［3］。

图4 观测区的雷达反射强度

图5 观测区的空间相干系数

大气扰动产生的延迟误差是InSAR测量的主要误差。为消除此影响，本作业在测区内地质结构稳定处选择若干个稳定点(如图6所示)，依据这些点来自动评估大气影响，进而消除测区内大气所造成的延迟误差，提高观测精度［4］。首先，为了验证IBIS系统沉降监测数据的可靠性，在测区附近基岩裸露区域(图4中白色虚线已标出)选取3个点即:P10、P11、P12进行观测，由于3个点都在稳定的基岩上，据此可认为它们不会发生沉降。从图7中可见，3个基岩点在观测的 24 h内实际的沉降量均在±1 mm以内，这种微小的变形在监测时间内有近似的变化趋势，可认为是大气延迟的残余误差对观测结果的影响。从验证的结果上可以看出，本次作业中IBIS－L获取的监测数据准确，可靠性较高。

依据相干系数及相位稳定性等指标，提取出观测区域内可靠的观测点进行沉降变形监测。经过处理得到的视线向位移利用式(4)将其投影至沉降方向，图8为监测区域内选取的5个观测点，在 24 h内连续观测的沉降过程曲线。由图中可以发现，5个观测点的沉降变形过程可分为3个时段，即为:30日12:00～21:00为变形时段;30日21:00～31日8:00为稳定时段;31日8:00～12:00为下一个变形时段。从以上3个时段的沉降规律可以推断出，该地区的沉降主要受附近厂房的工作周期影响，其中距离厂房较近的4点与5点，由于受厂房生产的振动影响，沉降变化较为突出，但是各点的形变均在±5 mm内，连续观测的 24 h内地表沉降的影响较小。

图6 观测区地表沉降伪彩色图

图7 基岩处沉降曲线图

图8 IBIS－L系统江滩地面沉降监测结果

5 结论

本次作业利用IBIS－L系统，对南京河西新城区域进行地面沉降监测，获取连续 24 h的监测数据，得到了观测区域实时的沉降位移变化过程。通过作业证明，地基InSAR技术采用微波探测主动成像方式，获取被监测区域二维影像，可以实现对地面高精度的连续变形信息提取，是一种极具潜力的沉降监测新技术［5，6］。IBIS系统外业操作简单，不需要反射装置配合，工作人员不用进入变形体内，既保证了人员的安全，也避免了对变形体的影响。利用IBIS设备进行地面沉降监测，可以提高沉降监测精度，能够实时地掌握地表的变化，为城市的健康发展提供保障，具有一定的经济效益和社会效益［7］。

［1］岳建平，方露，黎昵．变形监测理论与技术研究进展［J］．测绘通报，2007(7)．

［2］廖明生，林珲．雷达干涉测量—原理与信号处理基础［M］．北京:测绘出版社，2003(8)．

［3］邱志伟，张路，廖明生．一种顾及相干性的星载干涉SAR成像算法［J］．武汉大学学报·信息科学版，2010(9):1065～1068．

［4］何敏，何秀凤．合成孔径雷达干涉测量技术及其在形变灾害监测中的应用［J］．水电自动化与大坝监测，2005(2)．

［5］汤益先，张红，王超．基于永久散射体雷达干涉测量的苏州地区沉降研究［J］．自然科学进展，2006，18(6):1015～10201．

［6］Strozzi T，Farina P，Corsini A．Survey and monitoring of landslide displacements by means of L－band satellite SAR interferometry［J］．Landslides，2005，2(3):193 ～201．

［7］李德仁，廖明生，王艳．永久散射体雷达干涉测量技术［J］．武汉大学学报·信息科学版，2004，29(8)．