2018Esri开发竞赛ENVI-IDL组作品欣赏-基于InSAR技术的海岸带城市沉降监测

作品名称： 基于 InSAR 技术的海岸带城市沉降监测

作者单位： 厦门理工学院计算机与信息工程学院

小组成员： 张兰鑫、王棋、郑璐瑶、卢梅英

指导老师： 李晖、满旺

获奖情况： 三等奖

作品概述

为了克服传统差分干涉雷达在微小形变监测中受时空去相干以及大气效应等负面因素的影响，本项目应用永久散射体 ( Permanent Scatters ， PS) 。以厦门海岸带地区为例，选取 2015 至 2018 年间 Sentinel 1 卫星所获得的 21 幅 SAR 影像，进行 ps 反演，得到时间跨度久，形变信息丰富的检测结果。

本项目的工作共包括两个部分，第一部分是利用 ENVI/SARscape 平台 SAR 数据集。进行 PS-InSAR 处理。分别成对组合和做差分干涉，并产生相位缠绕干涉图；第二部分是对形变结果进行分析和实地验证。

作品制作流程

1. 本研究拟采用欧洲空间局（ ESA ）发射的 S1A （ Sentinel-1A ）卫星数据分析厦门市区的地表形变；

2. 对哨兵数据和 dem 数据进行感兴趣区域的裁剪；

3. 采用 PS 分别对 SAR 数据集进行地表形变反演；

4. 得到地表形变时间序列后，确定沉降漏斗；

5. 实地调查，验证形变结果。

图 作品制作流程

2.1   数据预处理

（1） 哨兵数据导入

在 input file 面板输入解压后的哨兵文件的 safe 文件。  

图   import sentinel-1

再输入影像对应日期的 eof 精轨文件。

（2） 数据裁剪

对导入后的哨兵数据进行裁剪，选择要进行 ps 处理的区域

对 VV 极化方式进行裁剪，所以最后的结果是 VV 极化方式的数据，同样包含 pwr 强度文件和 slc 相位信息的文件。

2.2   PS

PS 技术用于分析点目标，其结果与线性形变相关。输入图像的数量影响像素相干性的估算，像素相干性决定 PS 点的质量。因此推荐使用 20 景以上的数据参与计算，并且接收时 间要连续，最佳情况是一个月一景。 PS 技术适合用于城市区域，或者干涉条件和辐射比较 稳定的区域。 PS 技术可以探测到毫米级的位移，并推断在时间段上的变形速度。

图 PS 流程图

（1） 连接图生成    

  选择一个超级主影像，根据设定的基线阈值对所有图像建立主 - 从关系，所有的数据都 将配准到一个主图像，这个主图像可自动分配也可以用户自己选择。

图 ps connection graph

（2） 干涉工作流   

  这一步是根据像对的连接关系，对每一对像对进行干涉工作流处理。包括数据数据对配准和干涉图生成和干涉图取平。  

图 ps interferometic process

（3） PS 反演 Step1    

  第一次生成的形变结果，包括速率和高层改正值，这个结果没有去除大气影响的相位。结果用来对合成的干涉图进行取平。

  主要方法是基于识别一定数量“相干雷达信号反射”（永久散射体），然后重点分析这些 可靠的单一目标（一个图像像素一个目标）的历史相位。永久散射体主要受两个限制：它必 须是稳定的 ( 变动小于一毫米 ) 和它面向一个能被 SAR 天线探测到的方向。

（4） 地理编码     

所有 PS 相关结果（形变速率、高度残差、形变序列、 KML 、矢量文件等）投影到地图系统中。

图 ps geocoding （ 1 ）

在 Input Files 面板中，选择 auxiliary.sml 文件。单击 Optional File 面板，这是可选项，选择 GCP 文件（ .shp 或者 .xml ）或者创建 GCP 文件。本操作不选择

图 ps geocoding （ 2 ）

在 DEM/Cartographic System 面板中，选择 srtm_dem 文件，参数保持默认，单击 Exec 按钮执行处理。

（5） 处理结果

图 ps 结果

Ps 点的个数很多，所以分成了 6 个分块矢量文件。 Ps 点的个数 568 065 ，厦门岛的面积 158 万平方公里。

2.3     结果分析与验证

在 ArcGIS 种对 PS 点进行克里金差值，得到结果如下：

由于在思明区分布较为集中的山体，山体地区的 ps 稀少，对该地区进行了掩模处理。

结果验证 :  

图 双子塔

图 财富中心

图 海湾公园

图 高崎码头

作品亮点

PS （永久散射体）处理工作量大，作品实现了基于 Sentinel-1 的厦门市地表沉降监测，并进行了实地验证，作品完成度较好。