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浅谈InSAR地面沉降监测合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是近几十年来迅速发展起来的且具有很大应用潜力的一种对地的观测技术，是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源，获取地表三维信息与变化信息的一项技术。
与传统的获取DEM的方法相比，InSAR技术在获取DEM方面具有全天候、全天时、大范围、高精度等优点，因此它被广泛应用于各种领域，如地形测量、地震探测、火山运动等。
标签：InSAR DEM 影像配准基线估计相位解缠1 InSAR概述、意义及在DEM获取中存在的问题1.1 合成孔径雷达干涉测量概述合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是发展于20世纪60年代末且应用前景巨大的一种对地观测技术。
它整合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源，通过利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距间的几何关系可以精确地测量出地表上某一点的三维空间位置与变化信息。
1.2 研究InSAR提取DEM的意义数字高程模型是科研人员研究地表形状、地貌构造的有效方法，在地质、地形、水文、自然灾害监测等领域有重要的作用。
另外，我国不仅有辽阔的国土面积，而且地形复杂多样，在部分地区如沙漠、高山等测区通过传统方法获得高精度的DEM比较困难，所以，InSAR技术必将在提取DEM的过程中会扮演越来越重要的角色。
1.3 InSAR在DEM获取中存在的问题InSAR技术提取DEM的数据处理一般理论研究在国外已经趋于完成，但在国内仍然还处在研究起步阶段，还有许多关键问题需要解决，如时间引起的去相关现象对干涉效果的影像、影像处理与分析工具等。
2 InSAR作业原理2.1 干涉测量模型雷达干涉测量方式一般有交轨干涉测量、顺轨干涉测量和重复轨道干涉测量3种，其中，交轨干涉测量和顺轨干涉测量属于双天线系统，而重复轨道干涉属于单天线系统。
2.2 基本原理图2-1为重复轨道干涉测量成像的示意图，卫星通过一部天线对地面同一点P进行两次近平行的观测，获取P点的复图像对。
方磊( 广东省地质测绘院，广东 广州 510800)摘 要：针对传统监测技术GNSS、水准测量等难以开展大范围、高精度和高空间分辨率的地表沉降监测工作，采用InSAR 技术对某城市17景TerraSAR-X 数据进行分析处理，得到2012～2013年度的地面沉降信息，采用水准与InSAR 同步观测方式，开展地面沉降星地一体化同步观测实验研究，利用水准观测结果对InSAR 技术地面沉降监测的精度进行分析评价，结果表明InSAR关键词：InSAR 技术;地表沉降监测;水准测量；精度分析基于InSAR技术的地面沉降监测研究作者简介：方磊（1989—），男，汉族，工程师，主要从事测绘工程、遥感等工作。
E-mail：wtl850715@1 引言地铁建设、人防工程、地下水开采等因素引发的地面沉降[1]，已成为城市地区普遍发育的环境地质灾害，尤其非均匀沉降对城镇线状工程设施稳定性构成威胁，且已造成严重损失[2]。
目前水准测量、GNSS 测量等现有地表形变监测方法测量精度较高，应用领域广泛，但存在采样点稀疏、观测周期长、测量成本高、测量点不稳定等问题，给地面沉降等地质灾害的监测和分析带来较大困难[3]。
近年来，星载合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术，凭借高精度、实时动态、大范围的特点，在地震、滑坡、地质灾害监测等领域展现出巨大的应用潜力，为开展城市地面沉降、地裂缝等典型地质灾害监测与研究提供了新的方法[4]。
近年来，国内部分学者采用该技术在京津沉降区开展了研究。
侯安业等[5]利用北京地区31景ASAR 影像分别进行小基线与PS-InSAR 处理，验证了PS-InSAR 技术可靠性。
基于北京平原区PS-InSAR 技术反演形变时空演化特征，陈蓓蓓等[6]综合分析了地面沉降风险范围与风险程度。
罗三明等[7]就回灌等措施的沉降防治效果进行了评价。
基于D-InSAR技术和灰色Verhulst模型的矿区沉降监测与预计杨俊凯1,2 范洪冬1,2 赵伟颖1,2 冯军1,2【摘要】针对在地形复杂的矿区沉降观测资料不易获取的问题，将合成孔径雷达差分干涉技术(D-InSAR)与灰色Verhulst模型相结合，提出了一种矿山开采沉陷监测和预计方法。
该方法首先对覆盖大柳塔煤矿某工作面的12景TerraSAR-X雷达数据进行D-InSAR处理，获取观测站沉降值；然后根据沉降量与时间的关系建立了基于灰色Verhulst模型的预测函数，对开采沉陷发展规律进行分析。
试验结果表明：3个测试点D-InSAR监测数据的绝对和相对误差分别为2.8～15 mm，0.9%～6%；结合灰色Verhulst模型预测的绝对和相对误差分别为3.4～18.8 mm，1.2%～5.7%。
上述研究结果进一步表明，所提出的方法可有效弥补矿区沉降实测数据的不足，为实现矿区开采沉陷监测和预计的一体化软件设计提供参考。
【期刊名称】金属矿山【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5【关键词】沉降监测与预计 D-InSAR 灰色Verhulst模型预测函数煤炭资源开采给我国带来了巨大的经济效益的同时，也诱发了许多严重的生态环境问题，为了有效保护矿区生态环境，有必要开展对矿区地表沉陷规律的研究。
传统的开采沉陷监测方法有三角测量、水准测量和GPS测量[1]，该类方法尽管精度较高，却存在着工作量大、成本高、测点稀疏、人身安全不易保证等缺点[2]，特别是在地貌特征复杂的区域，传统测量手段更加难以实施。
D-InSAR技术具有全天候、高精度、大范围等特点，可有效弥补传统监测方法的不足。
此外，开采引起地表沉陷是一个随时间和空间变化的过程[3]，是关于空间和时间的连续函数[4-6]，灰色Verhulst模型采用了非单调的摆动发展序列或者具有饱和状态的S形序列[7]，建模样本较少，可以有效预测沉降量随时间的变化规律。
基于INSAR技术的地表沉降监测方法与实践近年来，地表沉降问题引起了广泛关注。
地表沉降不仅给城市的建筑物、道路等基础设施带来严重的破坏，还可能导致地下水位下降、河流水域变浅等一系列环境问题。
因此，准确监测和预测地表沉降成为了防止灾害、合理利用地下资源的重要手段之一。
近年来，一种名为INSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）的遥感技术被广泛应用于地表沉降监测。
INSAR技术利用卫星合成孔径雷达在多个时段获取的雷达波束图像，通过测量地表点在垂直方向上的变化，实现对地表沉降的监测。
INSAR技术通过对多幅波束图像进行干涉处理，可以获取地表点在不同时间段的相位差，从而推算出地表点在垂直方向上的位移。
在INSAR技术中，相位差的计算是关键步骤之一。
由于地球表面的复杂变化，相位差的计算过程十分复杂。
为了降低误差，INSAR技术需要准确校正卫星的轨道位置、卫星平台姿态等信息，并进行大气校正和地形校正等操作。
在沉降监测实践中，INSAR技术的应用已经取得了一定的突破。
以中国北方地区为例，由于地下水开采和自然地壳运动等原因，该地区存在着较为严重的地表沉降问题。
利用INSAR技术可以有效监测和分析这种地表沉降现象。
在进行地表沉降监测时，首先需要收集相应的卫星遥感数据。
通过对不同时间段的数据进行处理和分析，可以得到地表沉降的时空变化规律。
实践证明，INSAR技术在地表沉降监测中具有较高的精度和灵敏度。
除了INSAR技术，其他地表沉降监测方法也有一定的应用。
例如，GPS （Global Positioning System）技术可以通过监测地表点的坐标变化来判断地表沉降情况。
此外，激光雷达测量技术和微波辐射计也可以用于地表沉降监测。
这些方法在不同的监测场景中具有各自的优势和适用性。
对于地表沉降问题，及时采取合理的预防措施至关重要。
在监测到地表沉降现象后，应及时评估其对周围环境和基础设施的影响，并采取相应的修复和加固措施，以减小地表沉降带来的损失和影响。
基于D-InSAR技术的唐山万达广场地区沉降监测及其安全性评价黄宝伟;宋小刚;王振杰;单新建【摘要】At the south of Wanda Square in Tangshan city, there is a coal field,and the security of urban construction is impacted directly because of land subsidence caused by mining. As a result.it is very important to obtain the temporal and spatial distribution features of settlement in the coal fields and surrounding areas with the D-InSAR technology. In this paper, three frames ENVISAT ASAR data covering Wanda Square and its surrounding area of Tang Shan spanning from 2004 to 2008 are processed by use of D-InSAR technique, to study the influence of land subsidence. Two period results of land subsidence are acquired, and analyzed by combing with GIS technique to make a security evaluation of construction of the Square. The results show that land subsidence caused by underground mining of Tang Shan coal mine is no longer extended to the direction of Wanda Square from 2004.so it will not influence the construction of Wanda Square,and security and future development of its surrounding area. This case also verified the feasibility to monitor the land subsidence in the mining area by applying D-InSAR technique.%唐山市万达广场南边为煤矿区,由于开采引起的地面沉降,直接影响到城市建筑物的安全,因此,采用D-InSAR形变监测手段获取煤矿区及周边地区的沉降时空分布特征显得尤为重要.收集了2004年～2008年唐山市万达广场及周边地区的3景ENVISAT ASAR 数据,使用合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术来研究地面沉降对万达广场建设及周边地区的影响,获得了两期地面沉降结果,并将结果结合GIS技术对广场的建设进行安全性分析.实验结果表明:唐山煤矿地下开采引起的地面沉降从2004年开始没有再向万达广场的方向扩展,所以不会影响万达广场的建设,从而保证了广场的顺利建设和周边地区安全、有序的发展,也进一步验证了D-InSAR技术在煤矿区地面沉降监测中应用的可行性.【期刊名称】《遥感信息》【年(卷),期】2012(027)004【总页数】5页(P101-105)【关键词】D-InSAR;万达广场;地面沉降;煤矿区;安全性评价【作者】黄宝伟;宋小刚;王振杰;单新建【作者单位】中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029;中国石油大学(华东),青岛266555;中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029;中国石油大学(华东),青岛266555;中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TP791 引言地面沉降是一种常见的自然现象，然而它在一定程度上破坏着人类赖以生存和发展的自然环境，尤其对于煤矿区地下开采引起的地面沉降，将会破坏矿区农田、影响矿区周围的生态环境；危及工农民用建筑和生产生活设施等［1］。
InSAR沉降监测及地质灾害风险评估研究一、引言InSAR（干涉合成孔径雷达）技术是一种通过使用雷达发射的电磁波与地面上的目标物相交、反射后形成的干涉图像来进行测量和监测的方法。
它在地质灾害监测和风险评估方面得到了广泛应用。
二、InSAR沉降监测1. InSAR原理InSAR通过比较两个或多个雷达图像，可以检测地面的微小变化。
当地面发生沉降时，相位差发生变化，从而在干涉图像中形成明暗相间的条纹。
通过解算这些条纹可以确定地表的沉降变化。
2. InSAR沉降的应用InSAR技术在监测地面沉降方面具有高灵敏度和大范围覆盖的优势。
它能够及时发现沉降现象，并对沉降的大小和空间分布进行精确的测量。
这对于城市建设、水资源管理和地下工程等领域至关重要。
3. 案例分析：InSAR监测大城市地面沉降以北京市为例，近年来由于地下水的过度开采和地铁建设等原因，北京市的地面沉降问题日益凸显。
利用InSAR技术，可以对北京市的地表沉降进行监测和评估，帮助相关部门制定有效的控制措施并预防地质灾害的发生。
三、地质灾害风险评估1. 地质灾害的概念地质灾害是地壳活动和自然因素作用于人类活动环境中造成的可能对生命、财产和环境造成严重危害的现象。
常见地质灾害包括地震、滑坡、泥石流等。
2. 地质灾害风险评估的重要性地质灾害风险评估是对地质灾害的发生概率、影响范围和损失程度进行全面评估，从而了解灾害风险的大小，以及采取有效的控制和管理措施。
通过评估和预测灾害风险，可以减少潜在风险和损失。
3. InSAR在地质灾害风险评估中的应用InSAR技术可以提供地表形变的高精度观测数据，为地质灾害风险评估提供重要依据。
通过对地表沉降、地表位移等数据的分析，可以识别潜在的地质灾害危险区域，并评估灾害的潜在影响。
四、InSAR沉降监测与地质灾害风险评估的结合1. 原理与方法将InSAR沉降监测和地质灾害风险评估相结合，可以更准确地预测地质灾害的发生概率和影响范围。
DInSAR数据的地面沉降研究——西班牙穆尔西亚市土体参数识别和地面沉降预测[西班牙] R. Tomás, G. Herrera b, J. Delgado a等田芳译；冯翠娥、段琦校译地面沉降是世界上很多地区都遭受的一种灾害，每年都会引起巨大的经济损失。
穆尔西亚市（Murcia）位于西班牙东南部，从上世纪90年代就受到地面沉降的影响。
本文利用永久散射体干涉测量（PSI）技术对含水层过度开采引起的地面沉降进行了遥感监测。
特别是，相关像元分析技术（Coherent Pixels Technique，简称CPT）已经应用到ERS和ENVISAT卫星获取的SAR图像上。
利用1993～1995年的CPT位移时间序列对提出的一维沉降模型进行参数识别。
因此，CPT时间序列已经成功地用于获取土体的物理参数。
然后利用该模型预测了1993-2007年间的变形。
通过比较模型预测值与1995～2007年间实际的沉降时间序列，发现平均绝对误差为3.2±2.5 mm。
尽管使用的这个一维模型是简化的，但是研究结果显示了CPT获取的位移信息在识别与验证因地下水过度开采引发的地面沉降数值模型中的有效性，能够用来预测未来水位下降时的含水层响应。
1 简介含水层过度开采引发的地面沉降灾害正影响着我们的社会。
很明显的现象就是，大面积地区的地面在多年内持续出现几毫米甚至几米的垂向位移。
沉降问题对于城市地区而言是非常重要的一个问题，因为它能够破坏基础设施，引发严重的经济损失。
据估计，全世界有150多个城市出现了因地下水过量开采而引发的严重的地面沉降问题（Hu等，2004）。
一些熟知的例子包括意大利波河平原（Po Valley），墨西哥城，美国羚羊谷、圣塔克拉拉谷（Santa Clara Valley）和圣约魁谷（San Joaquin Valley），泰国曼谷以及中国上海。
在西班牙东南部的大城市，因地下水过量开采而引发的地面沉降已经造成5000多万欧元的损失，在1992~1995年旱期之后产生了严重的社会影响（Martínez 等，2004）。
在过去的十年间，SAR差分干涉测量（DInSAR）已经成为一种重要的地面位移监测遥感技术，拥有低成本和毫米级精度等优点。
最简单的DInSAR技术是基于一对SAR图像产生的单个干涉图（Rosen等，2000），以此来分析地下水开采引起的沉降的文献可见Galloway等（1998），Hoffmann等（2003）和Hoffman（2003）。
DInSAR结果的一次显著改进要归功于永久散射体干涉测量（PSI）这组算法，PSI基于一大组SAR图像获得的多个干涉图的同时处理（Ferretti等，2000；Berardino等，2002；Mora等，2003；Arnaud等，2003；Werner等，2003；Hooper等，2004）。
应用PSI进行沉降监测的例子可参考Ferretti 等（2004），Tomás等（2005），Casu等（2006），Zerbini等（2007），Bell 等（2008）和Herrera等的著作（2009）。
面对社会日益受地面沉降影响的现实，文献中出现了各种地面沉降的预测方法。
按照Xu等（2008）的标准，可将预测方法分为五类：（a）统计方法，如影响函数、灰色理论和回归分析；（b）一维数值模型；（c）准三维渗流模型；（d）三维渗流模型；（e）三维全耦合模型。
统计方法利用地面沉降与其他因素之间的简单关系（灰色理论模型），地面沉降与开采量或者水位的关系（回归分析方法），或者简单地建立起沉降在时间上的变化趋势（影响函数）。
一维数值方法认为影响含水层和弱透水层固结的水位变化只发生在垂向上。
这种方法只利用垂向的土体参数计算某一个点上的沉降。
准三维渗流和三维渗流模型利用太沙基一维固结方程计算沉降（Terzaghi和Fröhlich，1936）。
这两个方法之间的差别体现在含水层和弱透水层中水的渗流方向上。
准三维渗流模型认为含水层中的渗流是水平的，弱透水层中的渗流是垂向的，而三维渗流模型假设水流的方向是三维的。
三维全耦合模型利用Biot的3D固结理论，通过模拟3D水流来计算沉降（Biot，1941）。
选择一个最方便的沉降预测模型依赖于几个复杂的因素，还取决于不同地区的地质条件（Hu等，2002）。
利用上述这些方法进行沉降预测的文献可参考Gambolati（1975），Helm （1975），Helm（1976），Gambolati等（1991），Monjoie等（1992），Mizumura 等（1994），Shearer等（1998），Gambolati等（2001），Larson等（2001），Hu等（2002），Chen等（2003），Zhou等（2003），Don等（2005），Ferronato 等（2007），Shi等（2007），Shi等（2008），Xue等（2008）和Wu等（2009）的著作。
本文将利用称为相关像元分析技术（Mora等，2003；Blanco等，2008）的PSI方法与ERS和ENVISAT装载的SAR传感器获得的图像，重点分析发生在西班牙东南部穆尔西亚市的地面沉降。
前人的工作已经用原位数据示范和证实了不同PSI技术（包括CPT）在该地区的适用性（Tomás等，2005；Herrera 等，2008；Tomás，2009）。
本文将致力于建立一个简单的沉降模型，并将其作为一种预测工具。
利用不同时期的干涉测量时间序列数据对该模型进行识别和验证，以显示其在预测地面沉降未来发展方面的潜力。
本文的结构如下：第二节介绍研究区的地理和地质背景；第三节介绍并简单评述一下干涉测量获得的沉降数据。
接下来的第四节主要是介绍地面沉降预测方法，包括公式、常数的识别，以及利用时间序列数据进行验证。
第五节是主要的结论。
2 地理和地质背景塞古拉河（Segura River）的Vega Media（简称VMSR）位于Betic山脉东部的Bajo Segura盆地（Montenat，1977）。
VMSR的南边界由盆地基底岩石（二叠系~三叠系）构成，北边界由沉积岩构成（泥灰岩、砂岩和砾岩）。
山谷里是来自于塞古拉河和Guadalentín河的新近沉积物，其中地表是全新统，地下一定深度处是更新统到上新统。
从岩土工程角度来看，这些新近沉积物的压缩性很高，问题最大。
Rodríguez Jurado等人（2000）和Mulas等人（2003）对VMSR所有沉积物进行了岩土工程描述。
他们的模型显示，出露在山谷边界处的同一种沉积岩也在山谷中的某一深度处发现，其特点是压缩性很低，甚至可以忽略。
而它们上方的表层新近沉积物的压缩性为中等~高。
VMSR也是所谓的“Guadalentín–塞拉古河第四系含水层系统No. 47”的一部分（IGME, 1986）。
该含水层可以划分为两个单元（Cerón和Pulido，1996；Aragón等，2004）：浅部单元，为微承压含水层或者弱透水层，由粉质粘土、粘质粉土与砂夹层构成；第二单元，即“深部承压含水层”，为细砂和砾石组成的多层含水层。
浅部单元的水位在地下几米。
由于沉积物中细粒成分的含量极高，所以这部分含水层的渗透系数较低，几乎没有被开采。
因此，水位季节波动较小，最大为几米。
第二单元的水平和垂向渗透系数的变化范围分别是10~100 m/d和1~50 m/d（Aragón等，2004）。
第二单元是包含几个砂砾石层的含水层组。
开采程度最高的位于这个单元的顶部，埋深大约为20m，该层的测压水位在地表以下几米，在干旱期由于过度开采出现了时间上的显著变化。
特别是在1992~1995年间，这种现象特别明显，测压水位的峰值下降了15m。
因此，VMSR发生了大面积的地面沉降，造成了建筑物和大型公共设施的破坏（Mulas等，2003；Martínez等，2004）。
Tomás等人（2005，2006），Tomás（2009）和Herrera等人（2008，2009）利用SAR差分干涉测量法测量了穆尔西亚大城市地区在干旱期间的地面沉降，探测到的最大位移是12cm。
从水文地质学角度来看，第二单元的更深处存在其它砂砾石层，但是对它们的了解很少。
Mulas等人（2003）提出了一个刻画和模拟1992~1995年旱期发生的沉降的模型。
根据这个模型，当水从深部含水层最顶部的砂砾石层中抽出的时候，就会发生沉降。
垂向梯度的产生使得地下水从上部含水层（浅部单元）朝着砂砾石层向下流动，引起水位下降。
因此，浅部含水层的孔隙水压力降低，含水层发生固结。
超孔隙水压力的消散速率是地面沉降计算中的一个关键问题。
对5个未扰动的淤泥和粘土样品进行了渗透性的实验室测试，结果表明渗透性非常低且具有变化性（8.20×10−11 ~6.24×10−8 m/s）。
因此，可以推断固结过程是缓慢的。
在这种认识下，为了测量弱透水层和含水层中的测压水位，穆尔西亚市安装了分层水压计，结果显示了这两个层的测压水位变化非常相似，极有可能是因为易于排水的砂层的存在。
3 沉降数据本文的地面沉降测量是通过称为相关像元分析技术（CPT）的PSI技术获得的。
可以在Mora等人（2003）和Blanco等人（2008）的文献中找到关于该技术的详细描述，本文在此只做简单描述。
3.1 方法概述用两幅SAR图像得到差分干涉测量相位（Δψint）的公式为（Hanssen，2001）：Δψint = Δψflat + Δψtopo + Δψmov + Δψatmos + Δψnoise （1）式中，Δψflat是不考虑地形条件下与测距差有关的扁平球体部分，Δψtopo是地形相位，Δψmov是发生在两幅SAR图像获取期间的沿着卫星视线向（LOS）测量到的地面形变产生的相位，Δψatmos是由于大气影响产生的相位，Δψnoise是残余噪声源。
式（1）中的前两项可以通过分析获得。
特别是，Δψflat是很容易知道的，Δψtopo可以利用外部的DEM中计算得到。
CPT算法（Mora等，2003）假设，与变形相关的相位组成（Δψmov）可以分成两个新的相位项，一个是由于线性变形（Δψlinear）产生的，即整个时段内恒定速率的变形，另一个是由于非线性变形产生的（Δψnon-linear）。
因此，CPT 的应用分为两个主要的步骤，即提取线性和非线性变形项。
线性项的提取包括估计平均变形速度和DEM误差。
这个估计是通过调整一个模型函数来实现的，该模型函数只针对那些显示出比较好的干涉时间相干性的像素而建。
