林琿1,2, 馬培峰1,2,3, 王偉璽4
1. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所, 香港 沙田;
2. 香港中文大學(xué)深圳研究院, 廣東 深圳 518057;
3. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756;
4. 深圳市數(shù)字城市工程研究中心, 廣東 深圳 518057
基金項(xiàng)目：國(guó)土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2015CB954103）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41601356）
之一作者簡(jiǎn)介：林琿(1954-), 男, 博士, 教授, 研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)。E-mail:huilin@cuhk.edu.hk
通信作者：馬培峰E-mail：mapeifeng@cuhk.edu.hk
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摘要：星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)是近年來迅猛發(fā)展的一種空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，在InSAR基礎(chǔ)上提出的多時(shí)相InSAR（MT-InSAR） *** ，利用同一地區(qū)的多景SAR影像對(duì)時(shí)序穩(wěn)定點(diǎn)（PS）進(jìn)行精確分析，極大地降低了大氣延遲等帶來的測(cè)量誤差，使得形變監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了厘米級(jí)到毫米級(jí)，可對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大范圍高精度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。本文通過對(duì)MT-InSAR技術(shù)發(fā)展的綜述，總結(jié)了目前MT-InSAR技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)方面的關(guān)鍵問題和應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)未來MT-InSAR在城市應(yīng)用方面的發(fā)展提出了展望。
關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)干涉 多時(shí)相InSAR 永久散射體 城市基礎(chǔ)設(shè)施 形變監(jiān)測(cè)
Urban Infrastructure Health Monitoring with Spaceborne Multi-temporal Synthetic Aperture Radar Interferometry
LIN Hui1,2, MA Peifeng1,2,3, WANG Weixi4
Abstract: Synthetic aperture radar interferometry (InSAR) is a well developed earth observation technology in the last two decades. It can measure minute movements and digital elevation model with high accuracy over large areas by inteferometric processing of two SAR images. In particular, multi-temporal InSAR (MT-InSAR) can achieve centimetric to millimetric deformation monitoring by properly removing atmospheric delay using multiple SAR images. This paper gives a review of current cutting-edge MT-InSAR algorithms. The focus is on the key technologies of MT-InSAR and the primary application fields for urban infrastructural health monitoring. Finally, we give some suggestions for the future development of this technology.
Key words: InSAR MT-InSAR PS urban infrastructure deformation monitoring
星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(synthetic aperture radar interferometry, InSAR)技術(shù)是近年來迅猛發(fā)展的一種空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，在InSAR基礎(chǔ)上提出的多時(shí)相InSAR(multi-temporal InSAR，MT-InSAR) *** ，利用同一地區(qū)的多景SAR影像對(duì)時(shí)序穩(wěn)定點(diǎn)(persistent scatterer，PS)進(jìn)行精確分析，極大地降低了大氣延遲等帶來的測(cè)量誤差，使得形變監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了厘米級(jí)到毫米級(jí)，在角反射器的輔助下甚至可實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)監(jiān)測(cè)精度，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量 *** ，可提取城市區(qū)域大范圍、高精度的地表三維信息和形變信息。
城市基礎(chǔ)設(shè)施是人居環(huán)境的重要組成部分，基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康問題直接關(guān)系城市環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。然而近年來，由地下水抽取、地下空間開發(fā)等引起的地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變問題日益嚴(yán)重，造成基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)變形和損毀，甚至造成人員傷亡事故。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006—2020年)中，明確將“地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)”列為了重點(diǎn)領(lǐng)域及優(yōu)先主題。而近年來多分辨率、多頻段SAR衛(wèi)星的發(fā)射推動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施健康衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，MT-InSAR技術(shù)的進(jìn)步提高了監(jiān)測(cè)的精細(xì)化和精準(zhǔn)化，使得利用衛(wèi)星從太空中給整個(gè)城市做“體檢”成為可能。本文將集中介紹星載MT-InSAR技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況。城市基礎(chǔ)設(shè)施健康泛指城市地面設(shè)施沉降和形變狀況。
1 MT-InSAR發(fā)展綜述
多時(shí)相InSAR(MT-InSAR)是在InSAR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)利用多景SAR影像實(shí)現(xiàn)高精度、高密度測(cè)量點(diǎn)提取分析的技術(shù)，尤其適應(yīng)于城市地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)。InSAR發(fā)展初始是用來提取大范圍地表高程信息的一項(xiàng)技術(shù)，其通過兩幅SAR影像共軛相乘即可得到與高程相關(guān)的干涉條紋信息[1-2]，如NASA生產(chǎn)的全球DEM產(chǎn)品SRTM(shuttle radar topographic mission)就是由InSAR技術(shù)獲取的[3]。InSAR相位信息除了與高程相關(guān)還與形變相關(guān)，因此在高程提取基礎(chǔ)上，發(fā)展為差分InSAR技術(shù)(D-InSAR)用以獲取地面微小形變信息，并在Seasat數(shù)據(jù)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。傳統(tǒng)D-InSAR *** 通過外部DEM數(shù)據(jù)，只利用兩幅時(shí)序SAR影像即可獲取兩個(gè)時(shí)刻的地表形變信息。傳統(tǒng)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)主要有兩個(gè)誤差源。去相干因子[5]和大氣延遲效應(yīng)[6]。去相干因子包括幾何去相干和時(shí)間去相干，幾何去相干指的是當(dāng)兩幅圖像干涉的時(shí)候，由于對(duì)地成像的角度不同，在地距向到斜距向投影時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏移，當(dāng)偏移量大于距離向帶寬時(shí)，干涉相對(duì)會(huì)出現(xiàn)完全失相干，此時(shí)的垂直基線稱為極限基線。時(shí)間去相干是由于重軌兩幅干涉影像由于拍攝時(shí)間不同，地物發(fā)生變化導(dǎo)致的去相干因子。大氣延遲誤差包括電離層和對(duì)流層引起的信號(hào)延遲，也是影響傳統(tǒng)D-InSAR測(cè)量精度的更大的誤差源，通常由沿高度向分層大氣和局部湍流成分組成[7]，其中對(duì)流層中20%的濕度差異就會(huì)導(dǎo)致大約10 cm的形變誤差，在多云多雨區(qū)域誤差會(huì)更大[6]。為了消除大氣延遲誤差，很多學(xué)者在研究D-InSAR形變監(jiān)測(cè)時(shí)利用外部數(shù)據(jù)模擬大氣相位[8-9]，但只能去除大尺度的大氣效應(yīng)，適應(yīng)于中低分辨率SAR數(shù)據(jù)。綜上所述，在去相干因子和大氣延遲效應(yīng)的影響下，傳統(tǒng)D-InSAR *** 實(shí)現(xiàn)的形變監(jiān)測(cè)精度一般不高，為分米到厘米級(jí)[10-11]，而工程上對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)精度要求達(dá)到毫米級(jí)，因此D-InSAR在城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)應(yīng)用中還有很大的局限性。
為了克服傳統(tǒng)D-InSAR受大氣延遲、時(shí)間去相干等因子的影響，提高D-InSAR技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用能力，MT-InSAR技術(shù)慢慢發(fā)展起來并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[12]，見表 1。MT-InSAR技術(shù)利用多幅SAR影像，根據(jù)大氣空間低通和時(shí)間高通的性質(zhì)去除大氣延遲誤差，探測(cè)在SAR影像中永久散射體(persistent scatter，PS)點(diǎn)并估計(jì)形變信息，測(cè)量精度可以達(dá)到厘米到毫米級(jí)，在角反射器的輔助下甚至可實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)監(jiān)測(cè)精度[13]。MT-InSAR一開始利用干涉圖stacking技術(shù)提取時(shí)序形變[14]，發(fā)展到現(xiàn)在比較有代表性的是以單一影像為主影像的永久散射體干涉(persistent scatterer InSAR，PSInSAR) *** [15-16]和以多幅影像為主影像的小基線( *** all baseline subsets，SBAS) *** [17]。
表 1 代表性MT-InSAR算法Tab. 1 Classic MT-InSAR methods
| MT-InSAR算法 | 基線配置 | 初選點(diǎn) *** | 形變模型 | 解纏 *** |
| InSAR Stacking | 小基線 | 空間相干系數(shù) | 空間相關(guān)形變，線性形變 | 一維(假設(shè)解纏)+二維(最小二乘) |
| PSInSAR | 單基線 | 幅度離差 | 線性形變 | 一維(周期圖)+二維(平差集成) |
| SBAS | 小基線 | 空間相干系數(shù) | 空間相關(guān)形變，線性形變 | 二維(MCF)+一維(SVD) |
| CT | 小基線 | 空間相干系數(shù) | 線性+非線性形變 | 一維(周期圖+SVD)+二維(平差集成) |
| IPTA | 單基線 | 幅度離差 | 線性形變 | 一維+二維(分塊、分級(jí)構(gòu)網(wǎng)) |
| STUN | 單基線 | 幅度離差+信噪比 | 線性+非線性形變 | 一維+二維(整體最小二乘+MCF) |
| StaMPS | 單基線/小基線 | 幅度離差 | 空間相關(guān)形變，線性形變 | 一維(周期圖)+二維(基于概率模型) |
| PSP | 單基線 | 幅度離差 | 線性形變 | 一維(周期圖)+二維(臨近點(diǎn)逐步擴(kuò)展) |
| SqueeSAR | 單基線 | 幅度離差+同質(zhì)點(diǎn)濾波 | 線性形變 | 一維(周期圖)+二維(平差集成) |
| TCP-InSAR | 小基線 | 幅度離差+空間相干系數(shù) | 線性+非線性形變 | 一維(假設(shè)解纏，最小二乘)+二維(平差集成) |
| QPS | 基線子集 | 幅度離差 | 線性形變 | 一維(周期圖)+二維(平差集成) |
| geodetic PSInSAR | 單基線 | 幅度離差 | 線性+非線性形變 | 一維+二維(整體最小二乘+假設(shè)檢驗(yàn)) |
| PSIG | 小基線 | 幅度離差 | 空間相關(guān)形變 | 二維+一維 |
| SL1MMER | 單基線 | 強(qiáng)度 | 線性+非線性形變 | 提前去大氣，一維(壓縮感知算法+疊掩散射體) |
| Tomo-PSInSAR | 單基線 | 幅度離差+強(qiáng)度 | 線性+非線性形變 | 一維(波束形成法+疊掩散射體)+二維(嶺估計(jì)平差) |
以單一主影像的MT-InSAR算法起源于PSInSAR，在其之上發(fā)展起來的算法主要包括IPTA[18]、STUN[19]、StaMPS[20-21]、PSP[22]、SqueeSAR[23]、QPS[24]、Geodetic PSInSAR[25]、SL1MMER[26]和Tomo-PSInSAR[27]等。所謂PS點(diǎn)指的是時(shí)序影像中相位穩(wěn)定的像元點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)自然環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施和 *** 巖石等，PSInSAR(permanent scatterer interferometry)技術(shù)由Tele-Rilevamento Europa公司申請(qǐng)了專利，后面研究為了避免沖突通常使用Persistent Scatterer的叫法。相比傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)，PSInSAR通過提取時(shí)序相干目標(biāo)抑制了時(shí)間去相干和大氣延遲的影響。在PSInSAR *** 提出之后，大量的研究工作投入到PSInSAR技術(shù)的研究中用以提高PS的測(cè)量精度和空間分布密度。相干點(diǎn)目標(biāo)分析法(interferometric point target *** ysis)通過對(duì)干涉圖點(diǎn)目標(biāo)的時(shí)空特征分析，提高了時(shí)序分析 *** 的穩(wěn)健性[18]。在監(jiān)測(cè)低相干區(qū)域(如山區(qū))時(shí)，為了提高PS點(diǎn)空間分布密度，可以通過布設(shè)角反射器作為有效的人工PS點(diǎn)，以達(dá)到輔助監(jiān)測(cè)的目的[28]。STUN技術(shù)將LAMBDA算法引入到PSInSAR中用于PS點(diǎn)的探測(cè)[19]，其使用二層構(gòu)網(wǎng) *** 實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)的擴(kuò)展，并引入了概率統(tǒng)計(jì)模型用于精度的評(píng)價(jià)。在STUN基礎(chǔ)上又發(fā)展為基于大地測(cè)量理論的PSInSAR *** (geodetic PSInSAR)[25]，并將非線性模型自適應(yīng)用于局部基礎(chǔ)設(shè)施的形變反演。為了提高PSInSAR在低相干區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力，斯坦福永久散射體干涉算法(Stanford method for persistent scatterers algorithm, StaMPS)利用三維時(shí)空解纏算法獲取目標(biāo)的時(shí)序形變信息[20, 29]，主要適用于火山、地震監(jiān)測(cè)，在城市應(yīng)用中StaMPS主要用于提取區(qū)域性沉降信息。基于相鄰像元大氣一致假設(shè)，PSP(persistent scatterer pairs)算法通過解算相鄰PS點(diǎn)不斷往外擴(kuò)展，利用不同的種子點(diǎn)進(jìn)行誤差控制，最終實(shí)現(xiàn)全局解算[22]。傳統(tǒng)的PSInSAR只能探測(cè)人工建筑比較密集的區(qū)域，在PS點(diǎn)稀少的城市區(qū)域，如路面和草坪區(qū)，主要以分布式散射體(distributed scatterer，DS)點(diǎn)為主，SqueeSAR利用同質(zhì)濾波提高DS點(diǎn)的相干性[23]，然后使用時(shí)序相位重估重新得到了DS點(diǎn)的相位信息，使得DS點(diǎn)可以和PS點(diǎn)聯(lián)合解算，被稱為第二代PSInSAR，很多學(xué)者又從同質(zhì)濾波、參數(shù)估計(jì)等方面對(duì)DS點(diǎn)分析做了進(jìn)一步研究[30-32]。監(jiān)測(cè)在建工程設(shè)施時(shí)，通常會(huì)存在半相干點(diǎn)，即PS點(diǎn)在一定的時(shí)序子集內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定性，對(duì)于半相干點(diǎn)需要通過選擇一定的子集進(jìn)行探測(cè)[24]，但同時(shí)也需要更多的計(jì)算時(shí)間。高分辨率SAR衛(wèi)星的發(fā)射提高了PS測(cè)量點(diǎn)的空間密度[33]，同時(shí)也加重了復(fù)雜城市環(huán)境中的疊掩現(xiàn)象，基礎(chǔ)設(shè)施之間會(huì)產(chǎn)生大量的疊掩散射體，差分SAR層析(D-TomoSAR) *** 通過沿高度向?qū)游龀上窨蓪B掩散射體分離[34]，尤其是近年來壓縮感知算法的提出實(shí)現(xiàn)了超分辨率層析成像[35-36]，成為SAR層析領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。為了解決超高層、高密度城市大氣空間異質(zhì)性的問題，Tomo-PSInSAR算法通過二層構(gòu)網(wǎng)，在無需時(shí)空濾波去大氣的條件下實(shí)現(xiàn)單散射體和疊掩散射體的探測(cè)，并引入穩(wěn)健估計(jì)提高參數(shù)估計(jì)精度和穩(wěn)健性，實(shí)現(xiàn)了PSInSAR和TomoSAR的有機(jī)結(jié)合[27]。
以多副SAR影像為主影像的SBAS算法主要適應(yīng)于影像數(shù)量有限的情況，通過小的時(shí)間基線和空間基線干涉處理，減小了時(shí)間失相干和地形對(duì)相位的影響[17]，之后基于小基線理念發(fā)展起來的算法主要包括基于單視操作的SBAS[37]、CT[38]、StaMPS[20-21]、TCP-InSAR[39]、PSIG[40]等。SBAS多視處理會(huì)損失空間分辨率，因此提出了基于單視處理的SBAS算法用來探測(cè)點(diǎn)目標(biāo)[37]。另外有基于相干系數(shù)選點(diǎn)的相干目標(biāo)法(coherent target)[38]，并結(jié)合小基線干涉策略，適用于時(shí)序影像數(shù)量少的情況下PS點(diǎn)的提取。StaMPS在單基線配置基礎(chǔ)上也提供了小基線策略下的形變估計(jì) *** 。TCP-InSAR算法在小基線配置下假設(shè)弧段間DEM和大氣噪聲對(duì)相位貢獻(xiàn)值都相對(duì)較小，可以直接利用最小二乘實(shí)現(xiàn)參數(shù)估計(jì)[39]，同時(shí)通過弧段質(zhì)量檢驗(yàn)剔除粗差。PSIG(PSI chain of the geomatics) *** 利用2+1D解纏解算形變，適用于城區(qū)、非城區(qū)、植被區(qū)大范圍的監(jiān)測(cè)[40]。基于小基線理念的MT-InSAR算法一般需要二維解纏，但是由于城市區(qū)域干涉條紋復(fù)雜性比較高，二維解纏面臨很大的挑戰(zhàn)，另外在小基線配置下提取的高程誤差較大，在城市應(yīng)用中給PS點(diǎn)精確定位帶來很大難度，因此小基線在城區(qū)只適應(yīng)于大尺度的沉降漏斗反演，而在基礎(chǔ)設(shè)施高精度細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)方面還有很大局限。
國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者先后利用MT-InSAR技術(shù)對(duì)城市區(qū)域性沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變進(jìn)行了研究，如對(duì)PSInSAR技術(shù) *** 和應(yīng)用前景的總結(jié)和展望為國(guó)內(nèi)InSAR研究提供了參考[41]；PSInSAR技術(shù)應(yīng)用在蘇州地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果經(jīng)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比達(dá)到高度一致[42]； *** 化思想引入到MT-InSAR研究中提高了解算的連通性[43]；大范圍的區(qū)域性InSAR沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果為全國(guó)地面沉降調(diào)查提供了重要的參考資料[44]；多項(xiàng)式模型替代線性模型被引入到PSInSAR中，并對(duì)太原地區(qū)沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[45]；MT-InSAR技術(shù)用于監(jiān)測(cè)青藏高原凍土沉降和青藏鐵路的路基穩(wěn)定性，并分析兩者的相互影響關(guān)系[46]；小基線法分析了地下煤火引起的地面不穩(wěn)定性問題[47]。目前MT-InSAR技術(shù)已經(jīng)開始在各種基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中使用，包括鐵路、公路、大壩、橋梁、房屋、機(jī)場(chǎng)、地下水開采區(qū)、人工邊坡等，同時(shí)在不同類型的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中又面臨各種問題。
2 MT-InSAR城市應(yīng)用關(guān)鍵問題
MT-InSAR通過多景SAR影像干涉處理對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施形變進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，圖 1為MT-InSAR示意圖，其中兩景SAR影像進(jìn)行共軛相乘得到的干涉相位可以表示為
圖 1 MT-InSAR衛(wèi)星監(jiān)測(cè)示意圖Fig. 1 The space-borne MT-InSAR monitoring diagram
(1)
式中，φ表示原始干涉相位；
表示的是地形相位；
表示的是平地相位，可以根據(jù)衛(wèi)星平行基線去除；
表示的是形變相位；φatm表示的是大氣相位，主要由水汽引起的相位延遲；φnoise表示的是其他噪聲信號(hào)，主要包括幾何去相干、時(shí)間去相干、熱噪聲等。MT-InSAR技術(shù)的關(guān)鍵就是如何去除大氣和噪聲相位來提取高精度的高程和形變信息。
2.1 大氣誤差消除
大氣延遲誤差是MT-InSAR基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)中主要的誤差源[48]，大氣延遲主要集中在電離層和對(duì)流層[49-50]。目前，大氣誤差消除的 *** 主要分為3類：第1類基于輔助數(shù)據(jù)如大氣壓力、溫度、水汽、對(duì)流層折射率等建立大氣效應(yīng)模型用于大氣相位估計(jì)與糾正，如采用GPS數(shù)據(jù)對(duì)大氣及水汽效應(yīng)進(jìn)行擾動(dòng)模型建立及去除[8]和采用ENVI SATMERIS水汽數(shù)據(jù)可沉淀水汽校正模型或及多光譜數(shù)據(jù)中尺度氣象模型進(jìn)行大氣誤差改正[51]；第2類是根據(jù)一定的物理模型對(duì)大氣相位進(jìn)行估計(jì)和改正，如隨機(jī)模型通常用于描述大氣延遲的空間結(jié)構(gòu)，而干涉SAR數(shù)據(jù)中的大氣信號(hào)具有各向異性，因此各向異性模型目前常被用于大氣信號(hào)估計(jì)[52]；第3類是考慮大氣相位空間低頻和時(shí)間高頻特性，從而在SAR干涉相位成分估計(jì)時(shí)采用合適濾波步驟對(duì)其進(jìn)行估計(jì)及去除，時(shí)空濾波 *** 相對(duì)于前兩種 *** 是從SAR干涉圖中直接估計(jì)大氣并消除，是目前MT-InSAR中去除大氣最有效的 *** [16, 53]。
雖然InSAR領(lǐng)域中已經(jīng)提出各種 *** 來消除大氣誤差，但在實(shí)際應(yīng)用中大氣誤差的消除又面臨各種挑戰(zhàn)，尤其在多云多雨環(huán)境中利用高分辨率SAR影像監(jiān)測(cè)城市基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，大氣相位時(shí)空分布復(fù)雜性增加，主要表現(xiàn)在：受多云多雨氣候影響，大氣延遲在SAR影像中時(shí)間變化頻率和空間變化頻率變高；高層建筑的大氣分層效應(yīng)導(dǎo)致大氣延遲隨著高度的變化而變化，表現(xiàn)在影像中是高樓頂端像元和臨近的地面像元大氣相位不一致，進(jìn)一步增加了大氣的空間異質(zhì)性。大氣的時(shí)空復(fù)雜性增加導(dǎo)致傳統(tǒng)時(shí)空濾波去大氣不能有效地去除大氣噪聲，因此提出了各種精密構(gòu)網(wǎng) *** ，通過臨近點(diǎn)去大氣來提高形變參數(shù)估算的穩(wěn)健性[22, 27]?？傊髿庑?yīng)在不同分辨率SAR影像、不同區(qū)域都顯示出其獨(dú)特的特性，如何提出大氣消除的穩(wěn)健性和普適性 *** 也將是InSAR領(lǐng)域今后一直研究的重點(diǎn)。
2.2 物理參數(shù)估計(jì)
MT-InSAR估計(jì)的參數(shù)一般包括高度、平均形變速度和時(shí)序形變量，在非線性形變模型加入時(shí)還有非線性形變幅度，參數(shù)估算直接決定了最終測(cè)量精度。
在參數(shù)估算之前首選要選取有效的高相干候選點(diǎn)，SAR影像包括PS、DS、疊掩PS、半相干點(diǎn)、PS旁瓣和噪聲點(diǎn)6種像元類型，其中除去噪聲點(diǎn)都可以作為MT-InSAR監(jiān)測(cè)中的有效點(diǎn)。目前提取候選點(diǎn) *** 主要包括幅度離差法[15]、空間相干系數(shù)法[38]、強(qiáng)度閾值法[27]、信噪比閾值法[19]等。幅度離差法利用幅度穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性的關(guān)系通過計(jì)算幅度穩(wěn)定性提取PS候選點(diǎn)，也是目前提取PS候選點(diǎn)最有效的 *** ，但此 *** 適用于幅度定標(biāo)質(zhì)量高的影像，如ERS、TerraSAR-X等。由于PS旁瓣和主瓣有相似的時(shí)序特征，利用幅度離差法提取的PS點(diǎn)可能會(huì)包含旁瓣點(diǎn)，這種情況可以利用旁瓣概率圖剔除旁瓣點(diǎn)[54]?？臻g相干系數(shù)法可用于中低分辨率SAR影像PS候選點(diǎn)的選取，如Envisat-ASAR、ALOS等，提取的候選點(diǎn)包括PS、DS和PS旁瓣，空間相干系數(shù)法由于需要通過窗口處理因此會(huì)造成聚簇效應(yīng)，所以也需要旁瓣去除。在選取疊掩PS點(diǎn)時(shí)由于疊掩PS點(diǎn)不具有幅度穩(wěn)定和空間相干性質(zhì)，因此提取疊掩PS點(diǎn)候選點(diǎn)需要通過強(qiáng)度閾值法來實(shí)現(xiàn)。
PSInSAR直接利用候選點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)解算，而SBAS則需要首先進(jìn)行相位解纏再進(jìn)行參數(shù)估算，形變參數(shù)估計(jì)算法主要包括下面幾種：① 周期圖法使用時(shí)序相干系數(shù)閾值來確定解算參數(shù)的精度并提取對(duì)應(yīng)的參數(shù)[15-16]；② STUN將GPS中使用的LAMBDA算法引入PSInSAR，并提出整體最小二乘算法解算參數(shù)[19]；③ TCP InSAR假設(shè)弧段相位已解纏，提出利用最小二乘算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[39]；④ SL1MMER將壓縮感知算法引入TomoSAR中進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[36]；⑤ Tomo-PSInSAR利用波束形成法和M估計(jì)器提高參數(shù)估計(jì)的穩(wěn)健性[27]；⑥ SBAS算法中利用奇異值分解(SVD) *** 估計(jì)形變參數(shù)[17]，為了提高參數(shù)估計(jì)精度和穩(wěn)定性，L1范數(shù)也用在小基線中解算形變[55]。目前各種參數(shù)估計(jì)算法主要研究點(diǎn)就是如何在有噪聲觀測(cè)量的情況下提取正確的形變信息，因此近年來穩(wěn)健估計(jì)算法(如M估計(jì)器、嶺估計(jì)、L1范數(shù)等)成為研究的熱點(diǎn)。
2.3 非線性形變估計(jì)
MT-InSAR算法在解算形變時(shí)需要假設(shè)時(shí)序形變模型函數(shù)進(jìn)行時(shí)間維解纏，形變函數(shù)模型決定了在時(shí)序相位分析中模型擬合度，線性形變函數(shù)模型是目前描述地學(xué)運(yùn)動(dòng)中最重要和最通用的模型，也是MT-InSAR形變反演中最常用的模型[15-16]。但在城市地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)時(shí)，不同地物目標(biāo)在不同時(shí)期往往呈現(xiàn)出非線性形變特征，為了提高對(duì)非線性形變的擬合度，在時(shí)間維解纏時(shí)可以加入非線性函數(shù)進(jìn)行擬合，目前MT-InSAR中使用的非線性形變模型主要包括二次項(xiàng)模型、三次項(xiàng)模型、三角函數(shù)模型、指數(shù)模型、溫度模型等。如采用三次項(xiàng)模型對(duì)太原市進(jìn)行形變反演，提高了反演的精度和空間點(diǎn)密度[45]，利用三角函數(shù)擬合由地下水周期性開采和回灌導(dǎo)致的季節(jié)性抬升和下沉[56]，利用指數(shù)模型來擬合填海區(qū)自然沉降過程[57]，通過引入溫度模型分離了由溫度變化引起的周期性熱脹冷縮和線性形變[58-59]。
目前MT-InSAR中非線性形變模型的引入往往基于對(duì)地物目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的先驗(yàn)知識(shí)認(rèn)識(shí)，如工程學(xué)和地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，這個(gè)對(duì)InSAR從業(yè)者往往要求較高，這些先驗(yàn)知識(shí)一般來源于工程地質(zhì)專家，因此也強(qiáng)調(diào)了InSAR在實(shí)際應(yīng)用中跨學(xué)科研究的重要性。值得注意的是，非線性形變模型的錯(cuò)誤引入有可能會(huì)導(dǎo)致參數(shù)的過度擬合和函數(shù)的耦合現(xiàn)象，尤其是非線性函數(shù)和線性函數(shù)的高相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致形變參數(shù)的錯(cuò)誤估計(jì)，一般來講，在引入非線性形變函數(shù)估計(jì)中一般要求數(shù)據(jù)時(shí)間跨度足夠大，才能降低非線性函數(shù)和線性函數(shù)的相關(guān)性。目前MT-InSAR非線性函數(shù)的引入并沒有統(tǒng)一有效的 *** ，一般是基于案例分析的，如何在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)時(shí)自適應(yīng)地加入非線性函數(shù)以此來提高形變反演精度也是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
2.4 特殊散射體探測(cè)
除了永久散射體點(diǎn)(PS)，城市區(qū)域的特殊散射體包括DS點(diǎn)、疊掩散射體和半相干點(diǎn)。DS點(diǎn)對(duì)應(yīng)城市低相干區(qū)域，如路面和草坪等；疊掩散射體指同一像素內(nèi)有多個(gè)PS點(diǎn)的像素，如樓房墻面和地面發(fā)生疊掩；半相干點(diǎn)指在一段時(shí)間內(nèi)具有時(shí)序穩(wěn)定性特征的目標(biāo)，如在建基礎(chǔ)設(shè)施。這些特殊散射體沒有時(shí)序穩(wěn)定性特征，單純的PS點(diǎn)探測(cè)無法識(shí)別出來，在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)損失細(xì)節(jié)信息。
目前MT-InSAR中能探測(cè)低相干目標(biāo)的 *** 主要包括SBAS[17]和DSInSAR[23]。SBAS基本思想是將所有SAR影像根據(jù)時(shí)間基線和空間基線在一定范圍內(nèi)的干涉對(duì)組合成小基線集，限制了時(shí)空去相干因子從而提高形變監(jiān)測(cè)精度，但是目前SBAS一般需要通過最小費(fèi)用流[60]和枝切法[61]等進(jìn)行二維解纏，而城市中復(fù)雜的干涉條紋往往導(dǎo)致二維解纏很難有效地進(jìn)行，影響了SBAS算法在城市中的應(yīng)用。其中以SqueeSAR為代表的DSInSAR *** ，通過同質(zhì)濾波 *** 提取DS點(diǎn)，主要包括KS假設(shè)檢驗(yàn)[23]、AD假設(shè)檢驗(yàn)[62]、似然比檢驗(yàn)[63]等，在保留PS點(diǎn)信息的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了和DS點(diǎn)的聯(lián)合探測(cè)，比SBAS更適應(yīng)于城市低相干目標(biāo)的探測(cè)。
在SAR斜距成像模式下，復(fù)雜城市環(huán)境中高密度、高層建筑設(shè)施會(huì)導(dǎo)致大面積的疊掩區(qū)，一個(gè)疊掩像元中可能會(huì)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的PS點(diǎn)，疊掩現(xiàn)象在高分辨率SAR影像中更為突出，傳統(tǒng)PSInSAR技術(shù)只能處理一個(gè)像素中有單個(gè)PS點(diǎn)的情況，無法分離疊掩的多個(gè)PS點(diǎn)，因此容易造成形變細(xì)節(jié)信息的損失。最近發(fā)展起來的SAR層析成像(TomoSAR)技術(shù)是目前解決疊掩問題最有效的 *** ，用來SAR層析成像的算法稱為譜分析 *** ，主要包括Beamforming[64]、Capon[34]、SVD[65]、MUSIC[66]、壓縮感知[36]等，層析成像后可利用模式識(shí)別[26]算法提取最終的疊掩散射體。
MT-InSAR中對(duì)半相干點(diǎn)的探測(cè)一般通過選取一定時(shí)間內(nèi)SAR影像的子集進(jìn)行時(shí)序分析[24]，在子集內(nèi)利用和PS探測(cè)相同的 *** 進(jìn)行解算，理論相對(duì)簡(jiǎn)單，但是在搜索子集時(shí)需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)椴皇撬械陌胂喔牲c(diǎn)都在一個(gè)子集內(nèi)，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中除非研究區(qū)域有大量的在建設(shè)施，否則一般不必探測(cè)半相干點(diǎn)。
2.5 PS點(diǎn)精確定位及精度分析
在MT-InSAR基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)中，需要將提取的測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)到具體地物中，以便于后續(xù)解譯和分析，隨著高分SAR衛(wèi)星(如TerraSAR-X)的發(fā)射，PS測(cè)量點(diǎn)密度相比中低分辨率數(shù)據(jù)(如Envisat)增加了100~200倍[33]，由于測(cè)量點(diǎn)本身不帶有物理性質(zhì)，因此，測(cè)量點(diǎn)的定位精度對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施形變解譯和精度驗(yàn)證具有重要的意義。一般來說，PS點(diǎn)的定位精度包括水平定位精度和垂直定位精度。水平定位精度與衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率和衛(wèi)星軌道精度等相關(guān)，如TerraSAR-X在角反射器輔助下水平定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)別[67]，而垂直定位精度一般與PS點(diǎn)高度解算的精度相關(guān)，高分辨率SAR影像PS點(diǎn)高度精度可達(dá)到亞米級(jí)水平[68]。在實(shí)際形變解譯中，為了提高PS點(diǎn)定位精度，可以通過模擬的高分SAR影像和真實(shí)SAR影像匹配來實(shí)現(xiàn)[69]，另外PS點(diǎn)在光學(xué)影像、LiDAR等數(shù)據(jù)的輔助下進(jìn)行精確匹配也成為當(dāng)前PS點(diǎn)解譯應(yīng)用中的熱點(diǎn)[70]。
InSAR測(cè)量結(jié)果的精度分析一般包括理論分析和與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析。歐空局組織的PSIC4和the Terrafirma Validation Project中，由不同的科學(xué)家小組對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后交叉驗(yàn)證，得出的形變速度差異標(biāo)準(zhǔn)差為0.4~0.5 mm/a，形變量標(biāo)準(zhǔn)差在1.1~4.0 mm。STUN算法基于隨機(jī)模型提出利用協(xié)方差矩陣從理論上描述參數(shù)估計(jì)精度[19]。與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，包括與水準(zhǔn)、GPS、LiDAR等測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，在角反射器輔助試驗(yàn)下，PS驗(yàn)證精度達(dá)到亞毫米級(jí)[13]，TerraSAR-X數(shù)據(jù)反演結(jié)果和水準(zhǔn)點(diǎn)直接驗(yàn)證精度達(dá)到毫米級(jí)別[71]。值得一提的是，雖然與水準(zhǔn)等測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)是目前驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果最有效的 *** ，但是鑒于實(shí)際操作中測(cè)量點(diǎn)位置不一致和時(shí)間不一致會(huì)引起對(duì)比誤差，另外，InSAR只能測(cè)量單一方向(LOS)形變，而LOS向形變只對(duì)東西向和垂直向形變敏感，雖然也可以利用偏移量跟蹤[72]或MAI技術(shù)[73]進(jìn)行南北向形變測(cè)量，但是一般誤差較大，因此與水準(zhǔn)等對(duì)比出的精度也需要客觀評(píng)價(jià)。
3 城市基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用案例
城市基礎(chǔ)設(shè)施是城市環(huán)境的重要組成部分，基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全問題直接關(guān)系城市環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。然而近年來，由地下水抽取、地下空間開發(fā)等引起的地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變問題日益嚴(yán)重，造成基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)變形和損毀，甚至造成人員傷亡事故，新型地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為自然和人類活動(dòng)共同作用下的結(jié)果。憑借大范圍同步和連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，星載MT-InSAR技術(shù)可以為不同城市基礎(chǔ)設(shè)施健康狀況提供周期性監(jiān)測(cè)服務(wù)，從而保障城市公共設(shè)施安全。
3.1 大型線狀地物形變
重大工程中大型線狀人工地物(如公路、鐵路、大壩、橋梁、輸電線路等)已成為人地關(guān)系的重要標(biāo)志，與人類生活緊密相連，猶如人類居住地球的動(dòng)脈，永不停息地承載著能量和物質(zhì)交換。大型線狀人工地物安全運(yùn)營(yíng)、有效監(jiān)測(cè)是防災(zāi)、減災(zāi)前提，并已刻不容緩。高分辨率商業(yè)SAR衛(wèi)星的發(fā)射使得大型線狀地物的常態(tài)化、精細(xì)化監(jiān)測(cè)成為可能，如結(jié)合InSAR和GPS監(jiān)測(cè)大型線狀地物—青藏鐵路，研究青藏鐵路與凍土變化之間的關(guān)系[46]，利用TerraSAR-X數(shù)據(jù)研究高架橋的熱證冷縮效應(yīng)導(dǎo)致的水平移動(dòng)[74]，利用TerraSAR-X影像對(duì)上海軌道交通 *** 的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[75]，揭示了早期建成的路段穩(wěn)定性高于晚期建成的路段，高架路段穩(wěn)定性高于地下路段。由于大型線狀地物獨(dú)特的細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，PS點(diǎn)空間分布不均，因此MT-InSAR需要精密的構(gòu)網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)全局連通，另外由于MT-InSAR只對(duì)東西向和垂直向形變敏感，當(dāng)線性地物主要形變呈現(xiàn)南北向時(shí)，單純MT-InSAR形變監(jiān)測(cè)面臨很大挑戰(zhàn)，需要結(jié)合多角度、多平臺(tái)InSAR觀測(cè)量或GNSS、水準(zhǔn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)[76]。
圖 2是對(duì)深圳灣大橋的監(jiān)測(cè)結(jié)果，此結(jié)果利用的是香港中文大學(xué)自主研發(fā)的Skysense軟件完成。由于橋梁受熱脹冷縮效應(yīng)明顯，為了避免參數(shù)估計(jì)時(shí)相位模型的欠擬合，本次試驗(yàn)在形變估計(jì)時(shí)加入了季節(jié)性溫度模型，利用季節(jié)性溫度模型來擬合橋梁的熱脹冷縮效應(yīng)。圖 2(a)是得到的橋梁的線性形變結(jié)果，代表了除去溫度變化導(dǎo)致熱脹冷縮的形變部分，圖 2(b)是熱膨脹幅度結(jié)果，代表了由溫度變化引起的熱脹冷縮部分。從圖 2(b)熱膨脹圖中可以看出，大橋呈現(xiàn)出周期性變化特征，這是由于當(dāng)溫度變化時(shí)橋體發(fā)生熱證冷縮產(chǎn)生水平移動(dòng)，每隔一段橋體都有一個(gè)熱膨脹縫用于承載熱脹冷縮導(dǎo)致的水平移動(dòng)，由于水平積累效應(yīng)形變的幅度在接縫處更大，更大達(dá)到LOS向2 mm/℃，熱膨脹幅度與橋梁材料的熱膨脹系數(shù)和橋體長(zhǎng)度相關(guān)，因此在熱膨脹幅度圖上呈現(xiàn)出周期性特征，形變跳變的位置就對(duì)應(yīng)熱膨脹縫的位置。從線性形變圖中可以看出，大橋除了熱脹冷縮外無其他明顯變形，因此深圳灣大橋主要緩慢變形就是溫度變化引起的熱脹冷縮。
圖 2 線性形變速度與熱膨脹幅度Fig. 2 Linear deformation velocity map and thermal amplitude map
3.2 地下和半地下空間開發(fā)引起的地面設(shè)施沉降
隨著城市化速度的加快，為了滿足城市需求，大量的基礎(chǔ)設(shè)施正在建設(shè)，尤其是地下和半地下空間開發(fā)，會(huì)對(duì)地面穩(wěn)定性造成影響，地下、半地下工程會(huì)通過改變地下空隙壓力和地下結(jié)構(gòu)引發(fā)地面及周邊區(qū)域沉降甚至坍塌危險(xiǎn)。MT-InSAR對(duì)于地下工程建設(shè)造成的地面隱伏災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有重要意義，如SqueeSAR技術(shù)用于監(jiān)測(cè)倫敦Jubilee線路在挖掘過程中發(fā)生的沉降，反演的沉降線路與Jubilee挖掘線路一致，沉降量大約在2 cm左右[77]，CO *** O-SkyMed數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)上海新建地鐵9號(hào)線和10號(hào)線沉降[78]，還有研究MT-InSAR用于監(jiān)測(cè)隧道挖掘?qū)Φ孛娣€(wěn)定性的影響[79]。圖 3是利用CO *** O-SkyMed數(shù)據(jù)對(duì)深圳市某基坑建設(shè)期間周邊基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖 3中矩形范圍為基坑位置，從平均形變速度圖中可以看出基坑建設(shè)期間周邊地面明顯發(fā)生了沉降(紅色點(diǎn))，從圖 3中時(shí)序曲線結(jié)果中可以看出，在基坑建設(shè)之前地面呈穩(wěn)定狀態(tài)，而建設(shè)期間地面明顯發(fā)生了沉降，更大沉降量達(dá)到20 mm，建成之后基坑又達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，MT-InSAR有效地監(jiān)測(cè)了基坑建設(shè)引起的地面沉降。
圖 3 基坑建設(shè)引起的地面沉降Fig. 3 Subsidence caused by underground construction
3.3 沿海城市填海區(qū)沉降
為了解決土地資源稀少的問題，沿海城市通常會(huì)通過填海造陸擴(kuò)大土地面積，填海區(qū)在地面壓實(shí)過程會(huì)產(chǎn)生沉降，從而可能影響地面建筑設(shè)施的穩(wěn)定性，造成基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)變形和損毀，而填海區(qū)大量的地下工程建設(shè)和高層建筑的重力載荷，會(huì)進(jìn)一步加劇填海區(qū)沉降和形變地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。因此，對(duì)填海區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施及周邊變形進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)與分析，從而對(duì)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和輔助決策，顯得尤為必要。例如，Envisat-ASAR數(shù)據(jù)用于對(duì)填海型機(jī)場(chǎng)沉降的提取，獲得了與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致的結(jié)果[80-81]；針對(duì)填海區(qū)逐漸減速的沉降特征，通過引入非線性模型提高了對(duì)填海區(qū)沉降相位的擬合度[57]。填海區(qū)在一開始時(shí)期沉降量比較大，會(huì)導(dǎo)致地面失相干，MT-InSAR監(jiān)測(cè)時(shí)可能無法提取有效的PS點(diǎn)，可以借助傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)輔助分析較大沉降區(qū)域，另外填海區(qū)一般位于沿海城市，大氣效應(yīng)比較明顯，如何有效地去除大氣誤差也是研究的熱點(diǎn)問題。
3.4 地下水開采區(qū)沉降
過度的地下水開采是地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變的一個(gè)主要誘因，傳統(tǒng)的基于點(diǎn)的測(cè)量手段對(duì)于沉降的范圍和程度描述都有一定的局限性，MT-InSAR憑借其大范圍高密度的測(cè)量點(diǎn)分布在地下水開采導(dǎo)致的沉降監(jiān)測(cè)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，PSInSAR技術(shù)對(duì)Las Vegas Valley由于長(zhǎng)時(shí)間周期性抽水造成的地面沉降進(jìn)行了反演，分別提取了3個(gè)時(shí)間段的地面沉降信息來進(jìn)行分析和對(duì)比驗(yàn)證[82]；Envisat-ASAR數(shù)據(jù)用于提取北京市2003—2010年的沉降，揭示了更大沉降速度達(dá)到11 cm/年，證明了地下水抽取是北京沉降的主要誘因[83]；通過對(duì)德州地區(qū)InSAR沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析得出了該地區(qū)地面沉降主要受地下水季節(jié)性開采及年降水量變化的控制，形成了每年3—8月快速下降，9月至翌年2月逐步回彈的變化特征[84]。地下水開采導(dǎo)致的地面沉降一般是大范圍的區(qū)域性沉降，如何提取區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的差異性沉降是判斷結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)。
3.5 采煤區(qū)、采礦區(qū)和采油區(qū)沉降
煤炭、礦產(chǎn)、石油等能源的開采產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但同時(shí)也對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，容易造成采空區(qū)而導(dǎo)致地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施形變?yōu)暮?。為保證能源開采區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)順利發(fā)展，在開采過程中必須對(duì)地面沉降的原因、過程、趨勢(shì)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，常規(guī)的以點(diǎn)為基礎(chǔ)的測(cè)量 *** 盡管精度高，但成本高、采樣少、測(cè)量時(shí)間周期長(zhǎng)，已無法滿足能源開采區(qū)監(jiān)測(cè)要求，而InSAR具有大面積同步測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)應(yīng)用在采煤區(qū)、采礦區(qū)和采油區(qū)沉降監(jiān)測(cè)，例如，監(jiān)測(cè)露天礦和地下礦對(duì)地表穩(wěn)定性的影響[77]，利用DInSAR技術(shù)提取峰峰礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果[85]。采煤區(qū)、采礦區(qū)和采油區(qū)一般人工建筑比較少，大部分屬于低相干區(qū)域，傳統(tǒng)PSInSAR技術(shù)往往獲取的測(cè)量點(diǎn)較少，DSInSAR技術(shù)在這些區(qū)域地面和設(shè)施監(jiān)測(cè)中會(huì)發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。
3.6 山體滑坡和人工邊坡位移
城市中有大量的邊坡設(shè)施，一旦發(fā)生邊坡位移或山體滑坡會(huì)對(duì)周邊的居民生命財(cái)產(chǎn)造成很大的危害。MT-InSAR技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于滑坡和邊坡的監(jiān)測(cè)，例如，PSInSAR技術(shù)用于對(duì)緩慢性滑坡的運(yùn)動(dòng)反演，分析了滑坡和厄爾尼諾現(xiàn)象的相關(guān)關(guān)系，證明了滑坡位移主要是受降水的影響[86]，SBAS算法用于分析香港大嶼山邊坡位移[87]。MT-InSAR進(jìn)行城市邊坡和滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，往往受地面植被覆蓋影響，造成干涉信號(hào)中有很大的噪聲，為了解決這個(gè)問題，一方面可以利用具有一定穿透能力的長(zhǎng)波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)(如L波段的ALOS數(shù)據(jù))進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另一方面可以通過布設(shè)角反射器提高地面信號(hào)的信噪比，用以輔助滑坡監(jiān)測(cè)[86]，也可以結(jié)合GPS技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)[88]。
4 未來展望
MT-InSAR在城市地面沉降和基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有了很多的成功案例，但由于影響InSAR監(jiān)測(cè)的因子很多，目前多以試驗(yàn)研究為主，距離真正的工程化應(yīng)用尚有一段距離，除了MT-InSAR自身技術(shù)的發(fā)展外，如何與其他先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行結(jié)合而更好地對(duì)地面和基礎(chǔ)設(shè)施健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為以后發(fā)展的方向。
4.1 融合天-空-地多源數(shù)據(jù)構(gòu)建全方位立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)
星載MT-InSAR作為一項(xiàng)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于大范圍、高密度、同步性和連續(xù)測(cè)量，但是還無法做到實(shí)時(shí)定點(diǎn)精準(zhǔn)觀測(cè)，并且還可能因?yàn)镾AR影像陰影的存在出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)。為了做到城市基礎(chǔ)設(shè)施的全方位監(jiān)測(cè)，可以結(jié)合其他測(cè)量手段，如GNSS、水準(zhǔn)、物聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)建天-空-地全方位立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為城市公共設(shè)施安全保駕護(hù)航。
4.2 星載SAR大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
隨著國(guó)外SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的開放，國(guó)產(chǎn)高分三號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射及多顆國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星的立項(xiàng)，尤其是歐空局Sentinel-1數(shù)據(jù)的免費(fèi)開放，現(xiàn)在SAR數(shù)據(jù)以每天TB量級(jí)接收，未來會(huì)達(dá)到每天PB的量級(jí)，如何將海量SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分布式處理，是實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施健康常態(tài)化監(jiān)測(cè)非常重要的方面。
4.3 借助SAR形變數(shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)害信息的深度挖掘及早期預(yù)警
MT-InSAR能夠及時(shí)提取基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)發(fā)生的變形信息，但是如何利用這些信息進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃?、工程、氣象等專家知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步同化與信息挖掘，隨著人工智能、尤其是深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，利用MT-InSAR監(jiān)測(cè)的形變信息進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施危險(xiǎn)的早期預(yù)警已經(jīng)成為未來重要的研究方向。
【引文格式】林琿，馬培峰，王偉璽。監(jiān)測(cè)城市基礎(chǔ)設(shè)施健康的星載MT-InSAR *** 介紹[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017，46(10)：1421-1433. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170339
