PS-InSAR和SBAS-InSAR在城市地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用對比

劉欣,商安榮,賈勇帥,魏超

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院,濟(jì)南 250014)

PS-InSAR和SBAS-InSAR在城市地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用對比

劉欣1,商安榮2,賈勇帥1,魏超1

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院,濟(jì)南 250014)

摘要：合成孔徑干涉雷達(dá)技術(shù)(InSAR)已逐步成熟，為地表監(jiān)測提供了極具潛力的手段,特別是研究者們提出的永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(PS-InSAR)和小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR),受到了越來越多的關(guān)注。將PS-InSAR技術(shù)和SBAS-InSAR技術(shù)分別應(yīng)用到濟(jì)寧市的地面沉降監(jiān)測中,分析兩種方法得到的沉降趨勢,并對累計沉降圖做剖面,與搜集到的水準(zhǔn)剖面對比,證明了兩種技術(shù)均適用于城市地表沉降監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：PS-InSAR;SBAS-InSAR;地表沉降

0引言

地表沉降危害人類的生命財產(chǎn)安全、破壞人類的生存環(huán)境,成為制約沉降區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。傳統(tǒng)的監(jiān)測城市地表沉降的手段，具有周期長，成本高，效率低等缺點。InSAR技術(shù)具有覆蓋面廣、監(jiān)測周期短、全天時、全天候等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)受時空失相干和大氣效應(yīng)等因素的限制，不能得到很好的應(yīng)用。因此本文研究了PS-InSAR技術(shù)和SBAS-InSAR技術(shù)，通過兩種方法與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量成果的對比，進(jìn)一步驗證了兩種InSAR技術(shù)在城市地表監(jiān)測中的適用性。

1實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

1.1實驗數(shù)據(jù)

實驗采用了歐空局(ESA)提供的ERSI/2的C波段SAR數(shù)據(jù)影像,成像時間為 1992-1998年,共16幅(按時間順序分別編號1～16)。外部 DEM 數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局發(fā)布的SRTM 3″分辨率的數(shù)字高程模型,其精度可以滿足差分干涉測量對外部DEM高程精度的要求,是目前差分干涉測量中通用的DEM數(shù)據(jù)。精密軌道數(shù)據(jù)是由荷蘭Delft大學(xué)DEOS提供,其軌道徑向精度達(dá)到5～6 cm,法向精度小于20 cm.

本實驗選取濟(jì)寧市作為研究區(qū)域。濟(jì)寧市地處南四湖的北端,位于山東省的西南部,其區(qū)域地形屬于魯西平原與魯中山區(qū)的交接地帶,總體呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢,實驗區(qū)域在Google Earth上的截圖如圖1所示。

圖1　實驗區(qū)域范圍

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用基于DESCW與三基線和最小的方法[1]進(jìn)行公共主圖像的優(yōu)化選取,此方法考慮到了時間基線、空間基線和多普勒質(zhì)心頻率基線。分別以每幅SAR影像為公共主影像,可得出各影像為主影像時的時間基線總和、空間垂直基線總和、多普勒質(zhì)心頻率基線總和,進(jìn)而可以得到三基線的絕對值之和。三基線和用柱狀圖如圖2所示。

由圖2可看出第3、5、9編號的圖像為公共主影像的優(yōu)先考慮對象,最終選取了第5幅圖像作為公共主影像。

圖2　三基線和柱狀圖

借助Doris軟件,利用DEOS精密軌道數(shù)據(jù)對主影像和輔影像提取精密軌道信息,進(jìn)行主輔影像粗配準(zhǔn)及精配準(zhǔn)。利用DEM數(shù)據(jù)計算各干涉對的地形相位,再經(jīng)過輔影像重采樣,去除利用軌道數(shù)據(jù)計算出的平地相位,除去地形相位,便生成差分干涉圖,本實驗由16幅SAR影像進(jìn)行差分干涉處理共生成了15幅干涉圖。最后進(jìn)行地理編碼,完成影像從雷達(dá)坐標(biāo)系到地圖坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

1.3基于PS-InSAR的地表沉降監(jiān)測方法

PS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

圖3　PS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖

1) 生成差分干涉圖序列及PS點的選取

通過主輔影像配準(zhǔn)、差分干涉處理,生成了一系列的相位圖、相干性圖和幅度圖,然后利用相干性圖和幅度圖進(jìn)行PS點的選取,最終選取了4 817個PS點,研究區(qū)域總面積約110 km2,平均每平方公里約44個PS點。

2) 空間相干誤差的去除

在計算地形相位時引入了外部的DEM,就會產(chǎn)生DEM誤差,將計算得到的DEM誤差與各組相對的垂直基線長相乘,即可得到各個輔影像同主影像之間的地形殘差。軌道誤差與大氣效應(yīng)通過在時間域上對解纏相位進(jìn)行高通濾波,在空間域上對解纏相位使用低通濾波,就可以估算出主影像以及每個輔影像的軌道誤差和大氣效應(yīng)。

3) 地表形變量的提取

將提取到的各個PS點的相位信息進(jìn)行相位解纏運算后,再對地形殘差貢獻(xiàn)以及大氣效應(yīng)貢獻(xiàn)進(jìn)行估算并去除等計算就可得到研究區(qū)域的地表形變,最后去除PS點標(biāo)準(zhǔn)速率偏差大于1的,得到各個PS點在雷達(dá)視線方向(LOS)的年平均形變速率,年平均形變范圍為-8.1～8.8 mm/yr,如圖4所示。在平均形變速率圖中,深色點表示沿LOS向上升,淺色點表示沿LOS向下降,可看出濟(jì)寧市的地表沉降趨勢由北向南遞減。

圖4　PS點的LOS向年平均形變速率

1.4 基于SBAS-InSAR的地表沉降監(jiān)測方法

1) 小基線數(shù)據(jù)干涉圖組合

本試驗以相關(guān)系數(shù)為條件選取小基線對,完全失相關(guān)的時間間隔采用默認(rèn)設(shè)置為1 500天,臨界基線值亦采用默認(rèn)設(shè)置為1 070,為了得到較多的小基線對,本試驗設(shè)置最小相關(guān)系數(shù)為0.35,生成基線集分布,列出各個干涉對的空間基線和時間基線,即可清晰地看出各干涉對的空間基線都在800 m以內(nèi),時間基線在900天以內(nèi)。按照選擇的小基線對,經(jīng)過處理生成29幅差分干涉圖。觀察干涉圖中可發(fā)現(xiàn)相干性良好,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高相干候選點的選擇,最終選取了2024個相位穩(wěn)定點,雖然得到的點相對比較少,但是通過點的分布可以看出,選擇的相位穩(wěn)定點在建筑物多的地區(qū)分布比較密集,在建筑物少的地區(qū)分布比較稀疏,因此選出的SDFP點分布還是比較合理的。

2) 空間相干誤差的去除

空間相干誤差的去除同PS-InSAR技術(shù)處理過程相同。

3) 地表形變量的提取

對解纏相位進(jìn)行平地效應(yīng)、DEM誤差、軌道誤差和大氣效應(yīng)的去除,通過解算得到研究區(qū)域的地表形變,再將標(biāo)準(zhǔn)速率偏差大于1的SDFP點去除,得到各SDFP點LOS向的年平均形變范圍為-9.4～9.1 mm/yr,如圖5所示。其中,形變圖中的深色點表示沿LOS向上升,淺色點表示沿LOS向下降,可看出濟(jì)寧市的地表沉降趨勢由北向南遞減,區(qū)域的形變趨勢與PS-InSAR技術(shù)處理結(jié)果相吻合。

圖5　SDFP點LOS 向年平均形變速率

2形變結(jié)果分析

由PS-InSAR技術(shù)與SBAS-InSAR技術(shù)得出的LOS向年平均形變速率圖可看出,在南部地區(qū)存在輕微的隆升現(xiàn)象,經(jīng)查閱公開文獻(xiàn)[2]～[3]可知濟(jì)寧市在1992-1998年不存在地表隆升情況,出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是由于在這兩種技術(shù)解算時選取的基準(zhǔn)并非穩(wěn)定不動的基巖點,因而整個區(qū)域的年平均沉降速率結(jié)果顯示有一個系統(tǒng)性偏移量[4-6]。為了比較基準(zhǔn)的統(tǒng)一,現(xiàn)假定本區(qū)域最大隆升區(qū)的地表形變速率為0 mm/yr,則兩種方法得到的LOS向年平均沉降速率分別為-16.9～0 mm/yr,-18.5～0 mm/yr.

2.1兩種技術(shù)整體沉降情況對比分析

從PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)得到的LOS向年平均形變速率圖中可以看出,兩種技術(shù)得到的沉降趨勢基本吻合。為了更好地比較兩種技術(shù)的一致性,現(xiàn)對兩種方法得到的形變速率進(jìn)行統(tǒng)計分析,由圖6可以看出,PS點與SDFP點在各個數(shù)值上的分布趨勢非常相似,說明兩種方法得到的年形變速率相符,但由于兩種方法在候選點的選擇上的差別等因素,得到的結(jié)果還是有些細(xì)微的差別的。

圖6　年平均形變速率分布 (a) PS點； (b) SBAS點

2.2準(zhǔn)確度分析

通過圖5可以看出PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)得到的沉降趨勢相吻合,這在一定程度上可以說明兩種方法的準(zhǔn)確性,但是與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比較能更好的來說明兩種方法的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[2]含有對濟(jì)寧市的沉降監(jiān)測結(jié)果,其中南岱莊水準(zhǔn)點在1992年8月-1997年11月沉降量為140.3 mm,而且含有以南岱莊水準(zhǔn)點為中心的南北向與東西向的剖面圖。但是因為客觀原因不能得到文獻(xiàn)[2]中指的南岱莊水準(zhǔn)點的坐標(biāo),所以不能按鄰近點法尋找距離已知水準(zhǔn)點最近的PS點,因此不能進(jìn)行兩種技術(shù)的精度分析。

本文以累計沉降圖為基礎(chǔ),用Google Earth上得到的南岱莊的坐標(biāo)為中心做了橫縱剖面圖,將兩種監(jiān)測方法得到的剖面圖的整體趨勢與水準(zhǔn)剖面圖的整體趨勢作比較,以此來判斷兩種技術(shù)的準(zhǔn)確性。

由圖7～圖12可以看出,PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測得到的以南岱莊為中心的橫、縱剖面與水準(zhǔn)監(jiān)測得到的剖面圖沉降趨勢相似。此外,在圖中隨機取對應(yīng)點,對應(yīng)點的沉降量也極為相近(如圖中虛線交叉處)。說明利用PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)都可以準(zhǔn)確地得到城區(qū)的地表沉降。但是也可以看出,PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)得到的以南岱莊為中心的剖面圖與水準(zhǔn)得到的剖面圖還是存在著一定的差異,這主要是有如下幾個原因[7-10]:

圖7　PS-InSAR 技術(shù)得到的縱剖面

圖8　SBAS-InSAR 技術(shù)得到的縱剖面

圖9　水準(zhǔn)得到的縱剖面

圖10　PS-InSAR 技術(shù)得到的橫剖面

圖11　SBAS-InSAR 技術(shù)得到的橫剖面

圖12　水準(zhǔn)得到的橫剖面

1) 時間上的不一致性

文獻(xiàn)[2]中得到的是1992年8月～1997年11月的水準(zhǔn)累積沉降量,而本文中采用的是1992年5月～1998年10月的SAR數(shù)據(jù),監(jiān)測時間存在差異。

2) 空間上的差異

無論是PS-InSAR技術(shù)中PS點還是SBAS-InSAR技術(shù)中的SDFP點并不是一個簡單的點,而是一個分辨單元,而且這一分辨單元的沉降情況受到周圍點的影響,而水準(zhǔn)監(jiān)測卻是針對一個點。而且,本實驗無法得到南岱莊這一水準(zhǔn)點的坐標(biāo)值。因此與水準(zhǔn)得到的剖面圖的比較存在差異。

3) SAR數(shù)據(jù)問題

本文搜集到的SAR數(shù)據(jù)時間跨度大,而且僅收集到了16景影像,這16景影像在時間序列上的分布不均勻,甚至完全沒有1994年的影像數(shù)據(jù),而且1995年的影像數(shù)據(jù)也只有一景,這就降低了PS-InSAR與SBAS-InSAR技術(shù)的監(jiān)測精度。

3結(jié)束語

本文利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)對歐空局ERS-1/2衛(wèi)星獲得的16幅濟(jì)寧市的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗,得到了研究區(qū)域地面LOS向的年平均沉降速率,通過兩種技術(shù)的對比得到兩種技術(shù)的沉降趨勢相吻合;然后將兩種技術(shù)得到的累計沉降圖做剖面,與搜集到的水準(zhǔn)剖面做對比,證明了兩種技術(shù)都適用于城市區(qū)域的地表沉降監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶秋香.PS-InSAR關(guān)鍵技術(shù)及其在礦區(qū)地面沉降檢測中的應(yīng)用研究[D].青島:山東科技大學(xué), 2009.

[2] 張文治,潘寶玉.濟(jì)寧市城區(qū)地面沉降監(jiān)測與成果分析[J].地礦測繪,2002,18(3): 15-18.

[3] 姜明麗,林樹杰,隋建紅.濟(jì)寧市區(qū)地面沉降及防治措施研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2005, 15(4): 19-22.

[4] 何平,溫?fù)P茂,許才軍，等.用多時相InSAR技術(shù)研究廊坊地區(qū)地下水體積變化[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2012, 37(10): 1181-1185.

[5] HOOPER A. Persistent seatterer radar interferometry for crustal deformation studies and modeling of volcanie deformation [D]. Stanford:Stanford university,2006:53-61.

[6] ANA BERTRAN ORTIZ. SeanSar-to-Strimap interferometric observations of Hawaii [D]. Stanford:Stanford University,2007.

[7] 侯安業(yè),張景發(fā),劉斌，等.PS-InSAR與SBAS-InSAR監(jiān)測地表沉降的比較研究[J].大地測量學(xué)與地球動力學(xué),2012,32(4):125-128.

[8] 王志勇,張繼賢,黃國滿，等.基于InSAR的濟(jì)寧礦區(qū)沉降精細(xì)化監(jiān)測與分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,43(1):169-173.

[9]羅鋮.基于SBAS-InSAR的西安地表沉降監(jiān)測[D].西安:長安大學(xué), 2012.

[10]胡波,汪漢勝.用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測地面沉降研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2010, 30(2): 34-39.

劉欣(1992-),女,山東德州人,碩士生,主要研究方向為衛(wèi)星定位與導(dǎo)航。

商安榮(1987-),女,山東德州人,主要研究方向為變形監(jiān)測。

賈勇帥(1991-),男,河南上蔡人,碩士生,主要研究方向為變形監(jiān)測。

魏超(1989-),女,山東青島人,碩士生,主要研究方向為衛(wèi)星定位與導(dǎo)航。

Application Contrast of PS-InSAR and SBAS-InSAR in Urban Surface Subsidence Monitoring

LIU Xin1,SHANG Anrong2,JIA Yongshuai1,WEI Chao1

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,CollegeofGeomatics,Qingdao266590，China;2.InstituteofGeologyandMineralResourcesofShandongProvince,Jinan250014，China)

Abstract: With the development of InSAR technology, it provides a great potential for surface monitoring, especially the PS-InSAR technology and SBAS-InSAR technology proposed by the researchers, which has received more and more attention.PS-InSAR technology and SBAS-InSAR technology are applied to the ground subsidence monitoring in JiNing City, and the two methods are compared. Finally, the cumulative settlement is done in the section, and the two technologies are applied to urban surface subsidence monitoring.

Keywords:PS-InSAR; SBAS-InSAR; surface subsidence

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.020

收稿日期：2015-11-26

中圖分類號：P227

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0101-05

作者簡介

聯(lián)系人： 劉欣 E-mail: xin5287@126.com