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地面沉降监测SAR解决方案38页
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深圳市前海合作区地面沉降监测
SAR解决方案
Version1.0
2019-03-02
1项目背景
按照我国权威划分,公共安全事件分为自然灾害、事故灾难、公共卫生和社会安全四类。
据介绍,我国现正处于第五次安全事故频发高峰期,每年平均直接损失在1000亿元,加上间接损失要超过2000亿元,而各种事故造成平均每天死亡300人。
而这些伤亡和损失主要集中在城市,足见城市公共安全形势之严峻。
与此同时,集中了我国经济社会发展众多成果的城市,其公共安全保障体系却异常脆弱,离健全的目标还有相当长的距离。
因此认清当前我国城市公共安全管理面临的主要挑战,从而提出有针对性和可操作性的解决策略,建立健全我国的城市公共安全保障体系,是当前城市公共安全管理工作的重中之重。
预防是保障城市公共安全事件发生的必要措施，实时监察是降低事件损失的有效手段。
目前我国城市所面临的影响公共安全包括台风、地震、洪水等自然灾害，滑坡、泥石流、地陷、矿难、有害气体泄露等安全事故接连不断。
其中深圳市前海合作区所面临的安全事故，尤以海水入侵导致所引起的地面沉降所导致的灾害为主。
深圳市前海合作区位于广东省中南部沿海，珠江三角洲南端，深圳市南山半岛西部，伶仃洋东侧，珠江口东岸，面积18.04km2，毗邻香港，在珠三角一小时交通圈内。
该区海陆相互作用较强烈，水动力条件复杂，构造作用明显，临近伶仃洋，是地质环境的敏感区域。
深圳土壤类型为软土，主要是淤泥为主，前海合作区位置刚好是珠江入海口东岸，地表为较厚的人工填土（石）地层，填土层下为厚海积淤泥质黏土层，属于不稳定土体层，容易发生由于海水侵蚀，岩土浸泡导致的基坑变形、失稳，甚至发生坍塌这种危害性较大的地质灾害。
因此地面沉降监测对于深圳前海合作区的公共安全体系中占据着一个非常重要的地位。
对地面沉降进行跟踪监测，能够有效的预防灾害发生。
目前，常用的地面沉降方法有水准测量、GPS监测、InSAR技术监测等。
2地面沉降监测的意义
地面沉降带来的危害主要表现有：
Ø地面标高损失明显，地面低洼积水难排，泄洪能力下降，洪涝灾害加重，甚至引起海水倒灌侵袭、土壤和地下水的盐碱化问题；
Ø地面沉降、地裂缝使建筑物地基下沉，工程设施损坏，深基坑围护变形，地铁、地下停车场等地下建筑物存在倒塌的可能；
Ø地面沉降地表变形导致山体滑坡、泥石流、地面塌陷、边坡坍塌等地质灾害；
Ø长时期严重的地面沉降会照成城市地下管道的破坏，导致水气泄露和渗透，严重影响城市生活水气供给以及污水和沉降导致雨后积水的排放。
我国经济的快速发展，城市建设对应配套的基础设施也如雨后春笋般建设起来。
深圳市前海合作区地质环境特殊，软质土层分布较为广泛，部分地区更是淤泥性质的软土层，容易导致土壤地质层发生坍塌或者因无支撑情况下的地陷。
有见及此，长期的监测获前海地区长时间的形变序列，掌握形变分布现状，预测地面形变发展趋势，具有一定的代表意义，同时也为该区域的地面沉降防治治理提供了新的参考。
2.1传统监测方法及其局限性
目前，城市地面沉降监测的主要方法有传统的水准测量、静态GPS测量或动态GPS测量。
传统的水准测量变形观测站的设置以剖面线形式为主，获得的监测数据主要反映的是城市区域主断面的沉降情况，该方法只能对监测点绘制出沉降剖面曲线图进行分析。
如果要对沉降区域的地面沉降变形情况进行全面的掌握和分析处理，必须布设大量的监测点，通过拟合等手段，绘制出监测区域的沉降等值线图。
这种地面沉降监测方式，不仅工作量大、费时、费财和测点难于长时间保存，而且还容易因监测精度等原因，导致沉降变形分析处理出现偏差。
随着GPS技术的成熟和广泛应用，对于大区域地面沉降逐渐采用GPS地面沉降监测网，这种方法主要通过GPS测量确定水平位置和椭球体的高度，根据椭球体高度的差异来确定地面垂直变化的程度。
对于某一局部的区域，为了获得精确地形变参数，通常建立专门的地表与岩层移动观测站，进行定期观测。
GPS测量方法具有定位精度高、观测时间短，易于自动化监测、自动化数据采集和处理的优势，因而在城市沉降形变中得到广泛应用，是切实可行的方法。
但是水准点的稳定性难以保证，只能进行沉降点、线测量，无法满足几百平方公里全城区的监测任务等问题。
总之，传统的测量方法在地表形变监测中发挥重要的作用，但随着测绘手段的发展，局限性越来越突出，主要表现在：
Ø观测标志的保存与维护比较困难，因而形变监测的实施比较困难；
Ø监测网的投资和维护费用比较大，受气候和地形条件的影响;
Ø观测的时间比较长，大区域的形变监测很难在短时间内完成，影响形变数据的分析质量;
Ø结果为离散点观测，只能获得空间尺度较大的离散点的形变信息，难以反映连续形变规律;
Ø通常观测线往往设在局部地区，不能获得全面的形变状况。
为了研究城市地表形变发生的原因、过程、趋势和发展规律，必须采用新的技术进行全面的监测。
2.2雷达InSAR沉降监测的技术优势
合成孔径雷达干涉测量（InSAR）作为一种专门监测地表形变的技术，可以高精度的监测大面积微小地表形变。
与传统的GPS、水准测量这些基于离散点的形变测量相比，雷达差分干涉测量具有以下几个方面的特点：
①精度高：
InSAR采用相位来测量地表形变，当地表形变在雷达视线方向的分类达到半个波长时，就会使干涉相位产生整周跳变，表现在干涉图中是一条完整的干涉条纹。
由于雷达波长通常是厘米级，因此当采用不同的算法时，InSAR至少可以探测出厘米级的地表形变，甚至可以监测到毫米级的地表形变。
②监测范围广：
目前获取干涉数据的雷达主要以卫星为搭载平台，一次过境可以监测上千平方公里的范围，而且获取的是整个监测区域范围内所有分辨单元的形变量。
③监测连续性：
雷达按照一定的时间间隔对地面同一目标进行周期的连续长期观测，数据更新快，数据量丰富，可以监测地面目标在时间序列上的连续形变过程。
④受天气影响小：
卫星雷达信号波段较长，可以穿云透雾，受天气影响较小，而且不分白天和黑夜，可以全天候、全天时的监测地表形变
⑤监测实施方便容易：
雷达卫星重复获取地表影像，不用布设水准点。
此外，InSAR技术在测量精度、作业条件、工作成本等许多方面具有很强的优越性。
下表为雷达沉降监测与传统沉降监测方法的比较。
表1雷达沉降监测与传统沉降监测方法技术特点比较
比较指标
精密水准
GPS
InSAR
监测范围
一定区域
一定区域
大面积
时间分辨率
周期性
连续性
周期性
空间分辨率
区域覆盖、离散性
区域覆盖、离散性
全球覆盖、连续性
观测值
点、线信息
点、线信息
点、线、面信息
精度
毫米
毫米
毫米
作业条件
根据天气
全天候
全天候
数据处理
慢
快
快
周期/速度
长/慢
较短/快
短/快
成本
高
较高
较低
3需求分析
3.1范围需求
本方案对深圳市前海合作区辖区范围内的形变中心近几年来的地表形变情况进行监测分析，量化测量分析其形变情况，监测深圳市前海合作区全域18.04平方公里，如图1所示。
图1深圳市前海合作区地面沉降监测工作范围简略示意图
虽然前海不在明显的地震带上，但是已探明深圳有三大断裂带，对前海区域的地面沉降以及地质灾害的发生也有着明显的影响。
图2深圳三大断裂带
3.2监测对象需求
针对深圳市前海合作区的存在安全隐患点和地质灾害易发点进行地面沉降和地表形变监测，其中主要包括铁路沿线深基坑、填海区地表建筑。
●
（1）深基坑路段
图3深圳交通枢纽路线图
前海开发区深基坑主要包括地铁沿线建设路段（地铁1号线、5号线以及城际轨道线）、地下管道（包括燃气管道、自来水管道等）沿线路段、大型地下建筑等深基坑路段的地面沉降地表形变监测。
地铁基坑：
基坑围护结构的变形监测、垂直水平以及侧向位移监测，结构支撑变形、立柱桩沉降等监测内容。
地下管道：
管道水泄露、气体泄露、管道破裂、管道变形移位等内容。
大型地下建筑：
地下停车场，支撑柱变形、地上建筑沉降趋势等内容。
（2）填海区地表建筑
深圳前海合作区80%以上区域都为填海区域，由于填筑过程和土体性质等原因，也会容易出现地质灾害事故。
抛石挤淤等修建围堰方法，由于淤泥性质，导致土质松软，一旦产生形变，会导致地表建筑坍塌事件再次发生，因此对地表建筑的地表形变量的实时监测尤为重要。
4解决方案
4.1数据集
本方案针对深圳市前海合作区地理位置的情况，采用以COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、ALOS-2、倾斜摄影测量等数据，建立深圳前海合作区地面沉降监测的数据保障体系。
4.1.1COSMO-SkyMed
本方案采用的COSMO-SkyMed具有存档数据完善的特点，用于做形变监测的时候，可用多期影像对比提取PS点。
COSMO-SkyMed系统是意大利航天局和意大利国防部共同研发的雷达卫星星座系统由4颗雷达卫星组成的星座，目前有4颗卫星已全部在轨运行。
COSMO-SkyMed系统的每颗卫星配备有一个多模式高分辨率合成孔径雷达（SAR），该雷达工作于X波段（3.1cm），并且配套有特别灵活和创新的数据获取和传输设备。
COSMO-SkyMed系统为对地观测市场提供了具有全球覆盖能力，适应各种气候的日夜获取能力，高分辨率、高精度、高干涉/极化测量能力的高效便利的产品服务。
COSMO-SkyMed系统具有很好的连续性，在COSMO-SkyMed一代星座之后，还将发射COSMO-SkyMed二代卫星星座，以后还计划发射L波段卫星，既保证了数据服务的延续性，又扩大了数据的应用范围
图4COSMO-SkyMed卫星星座系统
表2COSMO-SkyMed卫星星座群指标
轨道类型
近极地太阳同步轨道
轨道倾角
97.86°
每天自转
14.8215圈/天
重复轨道周期
16天
轨道偏心率
0.00118
近地点倾角
90°
轨道半长轴
7003.52km
卫星高度
619.6km
升交点时间
6:
00a.m.，晨昏成像
卫星数目
4颗
发射时间
COSMO-SkyMed-1
2007-6-8
COSMO-SkyMed-2
2007-12-8
COSMO-SkyMed-3
2008-10-24
COSMO-SkyMed-4
2010-11-5
表3COSMO卫星影像技术指标
成像模式
图像分辨率
单景图像覆盖范围
入射角
极化方式
聚束模式（SPOTLIGHT）
1m
10km×10km
20°~60°
HH、VV可选
条带模式
（STRIPMAP）
Hlmage
3m
40km×40km
20°~60°
HH、HV、VH、VV可选
PingPong
15m
30km×30km
双极化组合可选于HH/VV、HH/HV、VV/VH
扫描模式
（SCANSAR）
WideRegion
30m
100km×100km
20°~60°
HH、HV、VH、VV可选
HugeRegion
100m
200km×200km
4.1.2TerraSAR-X
本方案采用TerraSAR-X作为重要数据源，TerraSAR-X可以弥补COSMO数据升轨降轨造成的边坡PS点无法提取的情况。
TerraSAR-X是由空中客车宇航防务公司德国分公司发射运营的高分辨率高精度对地观测雷达卫星，拥有世界领先的轨道控制精度和地面定位精度，其影像产品广泛应用于国内外测绘、海事、军事和能源等不同领域，能够为精确地表形变测量服务提供高质量的高重访周期监测影像数据集。
TerraSAR-X
图5空中客车公司TerraSAR-X系列卫星
表4TerraSAR-X影像属性表
参数
描述
卫星
TerraSAR-X|TanDEM-X
成像模式
StripMap条带模式
轨道类型
Science高精度轨道数据
成像范围
30千米（东西向），50千米（南北向）
轨道方向
降轨
地面分辨率
3米
极化方式
HH
数据模式
SSC32位复影像
重访监测周期
4.5或11天
4.1.3ALOS-2
本方案采用ALOS-2作为补充数据源，在COSMO及TerraSAR-X数据没有覆盖的区域，使用ALOS-2数据进行PS点提取。
ALOS-2卫星是日本先进陆地观测卫星ALOS的后继星，又称大地2号，该卫星是目前唯一一颗在轨运行的L波段合成孔径雷达卫星，其搭载PALSAR-2传感器，工作频率为1.2GHz，最小分辨率为3m（距离向）×1m（方位向），该星不受气候和时间的影响，可全天候、全天时对地观测。
其在制图、区域监测、灾害监测、资源调查方面的能力比ALOS卫星更加强大。
在灾害监测方面的任务包括：
监测地震造成的地壳变动；提供灾害情报国际协助；快速应对暴雨泥石流灾害；山地、海上的灾害监测；海冰监测。
应对全球环境问题，为全球森林、森林采伐以及极地冰川衰退提供监测服务。
为经济、社会提供相关情报：
为粮食供应提供便利；探查地下资源，掌握地面沉降情况。
图6ALOS-2雷达卫星
表5ALOS-2技术指标属性表
参数
描述
卫星
ALOS-2
寿命
设计5年、目标7年
发射时间
2014年5月24日
运行轨道
太阳同步准回归轨道
轨道高度
628km
重复周期
14天
重访周期
约100分钟
工作波段
L-band（1.2GHz段）
入射角
37°
波束模式
距离向分辨率
方位向分辨率
幅宽（单位：
km）
极化方式
聚束模式（Spotlight）
3m
1m
25×25
单极化
超精细模式（Ultra-Fine）
3m
3m
55×70
单极化或双极化
高视角模式（High-sensitive）
6m
4.3m
55×70
单极化或双极化
精细模式（Fine）
9.1m
5.3m
70×70
单极化或双极化
高视角四极化
5.1m
4.3m
30×70
四极化
精细四级化
8.7m
5.3m
30×70
四极化
窄幅扫描模式（ScanSARnarrow）
47.5m（5视）
77.7m（3视）
350.5×355
单极化或双极化
标准扫描模式（ScanSARnominal）
95.1m（5视）
77.7m（3视）
350.5×355
单极化或双极化
宽幅扫描模式（ScanSARwide）
44.2m（2视）
56.7m（1.5视）
489.5×355
单极化或双极化
4.1.4倾斜摄影测量
本方案利用倾斜摄影测量输出DSM、DOM、DEM、实景三维模型，用于辅助PS点提取困难的边坡进行灾害点预估。
使用边坡坡度及其多期变化速率对比进行风险值预估。
倾斜测绘航空影像分辨率为0.06米。
地形模型平面位置误差不超过1米，地形模型高程精度平坦地区不宜低于1.5米、丘陵山地不宜低于2.5米；建筑物模型的平面尺寸精度不低于1.5米，高度精度不低于20%、最大不超过3米；大于1米以上的地物均建立数字模型。
倾斜影像是通过具有一定倾角的倾斜航摄相机获取的，具有如下的特点：
●反映地物周边真实情况
相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。
●倾斜影像可实现单张影像量测
通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。
●建筑物侧面纹理可采集
针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。
针对这些特点，项目实施采用高精度、高效率、一体化的3DModelingfactory快速自动建模技术，建立测区真三维模型。
该技术集倾斜航空摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于一体。
首先，利用倾斜航空摄影平台进行数据采集，再进行野外像片控制点的量测，然后采用3DModelingfactory进行数据处理，生成测区的真三维模型。
其技术路线流程如图7所示：
图7倾斜摄影测量技术路线
图8倾斜摄影平台影像获取示意图
图9倾斜摄影获取的不同角度影像
表6倾斜摄影测量传感器技术参数表
相机类型
相机名称
主要参数
特点
双镜头
以色列A3
双镜头围绕中心轴可作一个109度旋转采集，每次摆扫可以获取64个像幅，焦距300mm，像幅62000×8000
双相机平行集成，统连轴摆扫摄影；请教大；焦距长；飞行高；拍摄范围广
三线阵
瑞士徕卡ADS40/80/100
RCD30Oblique（五镜头）
80：
三条全色和四条多光谱线阵CCD，线阵宽度12000像元；像元大小6.5μ；焦距62.77mm
推扫式成像，前视后视可获得较好的倾斜影像；集成GPS/IMU
三镜头
天宝AOS
罗莱相机，单幅面7228×5428；像元大小6.8μ；焦距47mm；倾角30°-40°
一台垂直，两台倾斜；镜头在曝光一次后自动旋转90°拍摄另两个角度影像
五镜头
美国Pictometry
单机幅面4008×2672；像元大小9μ；焦距65mm/85mm；倾角40°-60°
一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影像
德国IGIGigiCam
单机幅面8956×6708；像元大小6μ；焦距50mm/80mm；倾角45°
一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影像；集成GPS/IMU;具有运动补偿
四维远见SWDC-5
单机幅面8176×6132；像元大小6μ；焦距100mm/80mm；倾角40°-45°
一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影像；集成GPS/IMU
中测新图TOPDC-5
II型号：
10320×7752，像元大小5.2μ，焦距47mm/80mm；倾角45°
一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影像；集成GPS/IMU
七镜头
微软UltraCamUCO
下视幅面11674×7514，倾斜幅面6870×4520；像元大小5.2μ；焦距51mm；倾角45°
一台垂直，六台倾斜；集成GPS/IMU
4.2数据覆盖情况
通过获取COSMO-SkyMed以及TerraSAR-X两颗雷达卫星的近五年在深圳范围内历史存档数据，我们可以发现深圳市范围的雷达卫星数据覆盖程度非常高，大部分都能全覆盖，只有关外等少数与邻市毗邻的区域没有覆盖，因此利用COSMO-SkyMed以及TerraSAR-X两个雷达卫星在深圳前海合作区的历史存档数据结合现时数据，可以作为对前海地区的地面沉降进行监测分析和趋势预警。
下面以深圳市近五年的雷达卫星数据覆盖情况为例进行一个说明。
4.2.1COSMO-SkyMed数据覆盖情况
时间范围：
2011年5月至2016年7月
覆盖范围：
深圳市全市范围95%以上
分辨率：
3米
成像模式：
Stripmap（SM）
数据覆盖情况：
其中区域A为SAR2和SAR4两颗卫星降轨观测的数据，共142景，主要覆盖范围在深圳市中西部地区；区域B为SAR1、SAR3、SAR4三颗卫星降轨观测的数据，共82景，主要覆盖范围在深圳市中部、东部地区。
图102011年至2016年COSMO卫星数据覆盖情况
4.2.2TerraSAR-X数据覆盖情况
时间范围：
2010年1月至2016年8月
覆盖范围：
深圳市全市范围80%以上。
分辨率：
3米
成像模式：
Stripmap（SM）
数据覆盖情况：
其中A区域降轨数据共85景；B区域降轨数据共7景；C区域降轨数据共5景；D区域升轨数据共111景。
图112010年至2016年TerraSAR-X卫星数据覆盖情况
4.3InSAR处理技术
中科遥感集团集成全球尖端的InSAR处理系统，服务科研以及商业服务应用领域（地质、矿物能源开采，基础设施安全，城市安全，交通运输等），经过长期的技术与项目积累已经形成了一套高效可靠的地面沉降监测处理系统，正在为众多地质灾害监测部门持续提供精确可靠的地面沉降监测服务。
中科遥感集团作为卫星遥感应用研发集成商，集成了功能强大的合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar）影像数据处理系统，整合了多种先进高效的处理算法，并支持用户嵌入开发自主算法模型。
基于并行多线程处理技术，能够快速处理分析海量雷达影像数据。
友好高效的图形化用户界面使更容易被用户快速接受，以往复杂的雷达影像生产处理工作也变得更为简单便利。
除了具有传统InSAR算法模型之外，中科遥感集团的系统平台还在以下方面引领着当前InSAR处理技术的先进水平：
-大气分析技术；
-季节性形变分析技术；
-非线性形变分析技术；
-城市区域PS点层析功能。
作为一套新型的InSAR处理系统，具备以下特点：
-全图形用户界面；
●软件界面全图形化；
●处理进度监控管理全图形化；
●中间处理结果、报告图形化显示；
●最终结果图形化显示输出；
-采用并行多线程处理技术，高效处理分析大InSAR数据集；
-高度的兼容性：
●跨平台处理系统：
支持Windows、Linux和MacOS；
●支持所有在轨SAR传感器数据模式，包括最新发射的ESASentinel,PAL-SAR2等;
●兼容其他软件系统文件格式：
GAMMA，DORIS，ROI_PAC等；
-工程级别处理精度：
●识别区分建筑物和地面上的PS点，区分建筑物形变和地面形变；
●精确反演影像采集时间的大气相位图，剔除大气相位残值；
●精确反演由温度变化导致的季节性热形变；
●精确监测非线性形变；
对于城市区域或强反射硬目标形变速率监测精度可达3-5毫米。
4.4地面沉降监测工作流程
雷达影像数据的地面沉降监测服务基于人造多普勒雷达的相位干涉测量技术（InSAR），通过精确测量监测数据集中雷达影像的电磁波相位变化情况，去除大气和噪声干扰，获取地表的真实形变信息。
雷达干涉测量技术自问世以来就被广泛应用于测量和形变监测领域并形成了系统成熟的工程化解决方案，根据监测数据集情况、监测技术手段和测量结果的不同可以将地面沉降监测项目分成3个生产阶段：
DInSAR、SBAS-InSAR、PSInSAR。
4.4.1DInSAR地面沉降监测工作流程
在工作启动初期，由于监测数据集影像数量较少，可以采用DInSAR（差分干涉）技术对监测数据进行定性处理分析，快速探测监测区域内形变中心分布情况及其影响范围，粗略估算形变速率及预测发展趋势。
DInSAR是在InSAR的基础上发展起来的,是以合成孔径雷达复数据提供的相位信息为信息源,采用复雷达影像的相位差,依据雷达波长、传感器高度、天线基线距和波束视向的几何关系,经过图像处理、数据处理以及几何转换等步骤,从含有研究区域地形和形变等信息的一幅或多幅干涉条纹图中提取研究区域地面目标的微小形变信息。
DInSAR就是应用重复轨道干涉测量的方法消除研究区域的地形信息来得到地表形变信息。
其工作流程如下：
图12DInSAR干涉处理流程图
但是，DInSAR技术易受到时空失相关和大气延迟等负面因素影响，导致地面沉降监测结果的精度和可靠性降低，特别是大气延迟效应可能导致地面沉降探测结果完全失真，所以其监测结果的意
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