城市地面沉降监测一般采用重复精密水准测量方法^[1]，布设成一、二等水准网后通过严密的平差程序，最终提取出每一期的微小地面沉降变化值，这种方法早期在我国的大中城市就已开始应用。作为空间测量技术的一个重要分支，空间对地遥感技术特别是卫星雷达测量技术近年来也得到了迅猛的发展，其中卫星合成孔径雷达干涉测量(InSAR)方法已进入到一个新高度，即利用卫星合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)来测量地表微小地形变化信息的技术^[2-4]。目前，合成孔径雷达差分干涉测量利用了遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表垂直形变量的提取，其精度可达到mm级，其应用已经在国外的工程技术刊物中多见报道。InSAR和D-InSAR被认为是当代卫星大地测量学的新技术^[5]。

根据某市城市轨道交通线网规划，拟在2020年前争取开建轨道交通2号线，2号线连接东部城区和西部城区，但线路沿线的十涧湖西路至唐家山段位于矿区。目前，十涧湖西路至唐家山段有两个局部线路方案：沿十涧湖路方案和沿西张铁路通道方案，如图 1所示。

沿十涧湖路方案经过的十涧湖西路北侧及南侧均为沉陷区，而沿西张铁路通道方案亦穿过矿区及沉陷影响区。两处区域的具体沉降量和沉降趋势对于轨道交通2号线的选线方案具有决定性，所以对该区域近几年的沉降趋势进行监测尤为重要。由于InSAR在监测地表形变方面具有高精度、大范围、低成本、全天时、全天候等特点，因此使用该技术能大大提高监测效率并降低监测成本。

1 研究区域数据选取

综合考虑波长、分辨率和地表相干性等因素，优先考虑ALOS-PALSAR数据，但ALOS卫星于2011年4月因故障停止运营，后期以Radarsat-2卫星数据为验证补充。

对地观测卫星ALOS是JERS-1的后继星，采用了先进的陆地观测技术，能够获取全球高分辨率陆地观测数据。PALSAR是一主动式微波传感器，它不受云层、天气和昼夜影响，可全天候对地观测，比JERS-1卫星所携带的SAR传感器性能更优越。

研究区域内2007-2011年卫星停止运营时间段内，共有17景符合要求的精细波速单极化数据，其中9景轨道号为449，8景轨道号为450，它们拍摄范围示意图分别见图 2(a)和图 2(b)。

覆盖研究区域的Radarsat-2存档数据只有分辨率为30 m、幅宽为150 km的宽幅模式数据。拍摄范围如图 2(c)所示。为了验证前期ALOS-PALSAR数据的监测结果，拟考虑选取多景Radarsat-2数据。因研究区域持续沉降，避免失相关的影响，选取数据之间的间隔时间不宜过长，间隔时间确定为约6个月左右。同时出于监测结果越接近2014年，结果更具有参考性的原则，选取2012-10-08、2012-11-02、2013-03-01时间段的多景数据进行实验。

2 D-InSAR监测结果分析

为了从雷达干涉处理得到的完整相位中消除地形项，通常可采用三种方法：二轨法、三轨法和四轨法^[6]。

由于InSAR处理所需数据源必须为同一卫星、同一拍摄模式(同极化方式、同轨道、同入射角)的单视复数(single look complex, SLC)数据，所以449轨道和450轨道的数据需单独分析处理。研究区域处于持续形变状态，因数据失相关造成采用三轨法不能得到理想的监测结果，以449轨道的2008-01-08和2009-01-10相隔1 a的两景数据为例，它们的相干系数整体偏低，大部分区域的相干系数在0.1~0.3之间，无法获得较好的监测结果。两轨道数据拍摄时间很接近，为了比较不同方法得到的监测结果是否一致，449轨道9景数据用二轨法分析，450轨道8景数据采用了四轨法处理。

2.1 449轨道数据监测结果

二轨法以SRTM DEM数据为基础地形，采用两景SLC数据生成形变后的干涉图，为了避免失相关，尽量选取相隔一重访周期的数据。根据数据的拍摄时间特点，从2008-2011年每年选取相隔重访周期的像对为数据源，采用二轨差分法进行沉降监测^{[7, 8]}，4个像对具体参数见表 1。

像对1差分干涉得到的垂直形变监测结果如图 3(a)所示，采用的是SRTM DEM数据去除形变前地形引起的相位，图 3(b)中的沉降值为从2008-01-08~2008-02-23的形变量。

ALOS-PALSAR数据标准景幅宽较大，范围远大于研究区域，图 3(a)为重点监测区域详图。考虑2号线施工区域选线范围，重点分析1号区域和2号区域的沉降。通过ArcGIS导出影像数据分析可知，1号区域沉降值为6~20 cm，2号区域沉降值为4~10 cm。

像对2数据质量不高，相干系数偏低，监测结果不理想。像对3差分干涉得到的垂直形变监测结果如图 3(b)所示。整体趋势沉降与像对1的监测结果一致，但相干性没有像对1的高，所以无监测数据的区域面积相对较多。比较分析发现，1号区域从2010-01-13~2010-02-28的沉降值为5~17 cm，2号区域的沉降值为3~8 cm。

像对4的分析结果如图 3(c)所示，整体形变趋势沉降与前面监测结果一致，再次验证了两处区域处于不断沉降状态。1号监测区域2011-01-16~2011-03-03的沉降量为5~15 cm，2号区域沉降量为2~6 cm。

上述D-InSAR监测过程中未进行定标，解缠方法采用的是区域增长法，解缠起始点从相干性高的点开始，并不统一。综合分析三组监测结果，整个数据监测区域在三对数据对监测时间内，最大沉降值为1.15 m (因D-InSAR技术受到时间和空间失相关的影响，沉降量过大的区域和水域无法有效监测)，两处重点监测区域处于持续沉降状态。虽然处理过程中受到大气等影响因素的制约，监测形变值受到误差因素的影响，但监测到研究区域内的沉降趋势(1号监测区域每月沉降5~20 cm，2号区域每月沉降2~10 cm)与前期实地调查的结果一致，可以作为辅助数据与后期监测结果做对比分析。

2.2 450轨道数据监测结果

四轨法的基本思想是：选择4幅SAR影像，用其中的两幅来生成DEM，另外两幅做形变监测，同样为了避免失相关，选取相隔一重访周期的数据。根据数据的拍摄时间特点，选取2008-2010年相隔一重访周期的像对为数据源，共有3个数据对，具体参数如表 2所示。为了得到研究区域的面状沉降图，对最终的分析结果做了插值处理(造成部分无监测值水域也插值得到沉降值)。

像对1用来生成DEM，像对2用来做形变监测，运用ENVI软件得到2007-12-20~2008-12-12垂直形变监测结果如图 4(a)所示。从图 4(a)中可看出，十涧湖西路的年沉降值为9~13 cm，湖中堤坝年沉降值为8~10cm，西张铁路经过区域沉降值为8~10 cm。

像对2用来生成DEM，像对3用来做形变监测，得到2008-12-12~2009-12-15垂直形变监测结果如图 4(b)所示。分析可知，十涧湖西路的年沉降值为8~13 cm，湖中堤坝年沉降值为8~11 cm，西张铁路经过区域沉降值为7~11 cm。

整体分析上述两部分监测结果发现，由于449轨道数据采用二轨法所用的SRTM DEM数据离监测时间较长，且分辨率不高(90 m)，造成其监测结果不如450轨道数据采用四轨法所得的结果理想，但两种方法监测到研究区域的沉降趋势是一致的。

2.3 Radarsat-2数据监测结果验证

采用三轨法对购买的三景Radarsat-2数据进行分析处理，三景数据形成像对的具体参数如表 3所示，得到的监测结果如图 4(c)所示。

从图 4(c)中可看出，2012-10-08~2013-03-01约5个月时间内，十涧湖西路沉降量为2~7 cm，西张铁路所经过区域沉降量为1~4 cm，受分辨率的影响，该处未监测到湖中堤坝的形变情况。在此监测结果基础上，估算2013年十涧湖西路沉降量为4~16 cm，西张铁路所经过区域沉降量为2~9 cm。与前期ALOS-PALSAR数据监测到的年平均沉降速率对比，十涧湖西路年沉降量减幅为1~4 cm，呈减弱趋势，西张铁路所经过区域年沉降量与前期监测结果变化不大，总体沉降趋势与前期数据所监测的结果一致。

3 结束语

1) 由于449轨道数据采用二轨法所用的SRTM DEM数据离监测时间较长，且分辨率不高(90 m)，造成其监测结果不如450轨道数据采用四轨法所得的结果理想，但两种方法监测到研究区域的沉降趋势是一致的。

2) 综合分析ALOS-PALSAR数据及各种方法比较分析的结果，2007-01~2011-03年研究区域内地面沉降累积沉降在10~110 cm，平均年沉降量为2~27 cm，十涧湖西路北侧及南侧都有较大沉降，形变较大区域主要位于数处煤矿井处。

3) 因InSAR技术受到轨道误差、大气效应、解缠误差等因素的影响，监测精度达不到理论的mm级。且该区域未有其他监测数据可以用来做精度验证，结合前期其他区域的D-InSAR监测地表形变研究(有监测结果做精度验证)，证明监测形变值精度为cm级。

4) 综合分析各方法的监测结果^[9]，在相干性大于0.25的区域未发现突发性的沉降或塌陷。相干性过低的区域未得到监测结果。