基于不同DEM的D-InSAR地表形變監(jiān)測★

孟 香 馬開鋒

(華北水利水電大學測繪與地理信息學院,河南 鄭州 450046)

0 引言

近年來地表形變引起來的地質災害嚴重影響了人們的日常生產和生活，甚至造成了巨大損失,因此對由自然或人為引起的地表形變進行及時高效的監(jiān)測迫在眉睫。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測一般采用精密重復水準測量方法和GPS方法滿足百平方公里大尺度的監(jiān)測任務[3]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比合成孔徑干涉雷達(InSAR)技術具有全天時、全天候、穿透力強以及分辨率高等諸多優(yōu)點。InSAR技術已經從論證研究階段發(fā)展到了較成熟的階段，發(fā)展至今已經積累了大量的研究經驗和研究成果，而且獲得了毫米級的監(jiān)測結果精度。

合成孔徑差分干涉雷達(D-InSAR)是以InSAR為基礎發(fā)展起來的，它利用遙感衛(wèi)星多時相的復雷達圖像相干信息進行地表的垂直形變量的提取，具有連續(xù)空間覆蓋、高度自動化和高精度監(jiān)測地表形變的能力，為地表形變的自動化監(jiān)測提供了全新的方法[6]。

基于D-InSAR技術的監(jiān)測特點，外部DEM的精度會直接影響底邊形變的監(jiān)測精度。國內的學者針對DEM的精度影響形變監(jiān)測精度進行了研究。陳俊勇[9]對SRTM3和GTOPO30地形數據質量進行了評估研究，并得出SRTM3-1的總體精度要高于GTOPO30的結論；盧瑩[10]對不同分辨率DEM對InSAR變形監(jiān)測精度的影響進行了研究，結果表示SRTM-1的精度在實驗中表示為最好。

綜上所述SRTM系統(tǒng)中的DEM精度在形變監(jiān)測中比較穩(wěn)定，而且在InSAR監(jiān)測中有重要的地位。為了研究不同分辨率、不同精度的DEM對地表形變監(jiān)測的影響[10]。與之前的研究成果相比，本文的7種不同分辨率的DEM會更加全面、豐富的反映不同分辨率DEM對D-InSAR形變監(jiān)測的影響。也更能說明外部DEM在監(jiān)測應用中的實用意義。

1 D-InSAR形變監(jiān)測技術基本原理

D-InSAR需要觀測區(qū)域形變前后兩幅單視復影像(SLC)組成干涉對，得到的干涉相位中既包括地形信息也包括形變信息，利用已知的DEM數據去除地形信息就可以得到地表形變信息[11]。

對于重復軌干涉測量，兩次觀測所獲得干涉相位φint為[16]：

φint=φflat+φtopo+φmov+φatm+φnoise

(1)

其中，φflat為與距離向有關的平地相位；φtopo為地形相位；φmov為兩次獲取SAR圖像的時間段內地表在雷達視線方向的移動量引起的相位變化；φatm為大氣相位變化；φnoise為噪聲相位。

當地面目標點從P′發(fā)生移動至P″位置時，在雷達視線方向位移值投影為Δr。形變前后得到兩幅SAR影像的干涉圖，得到的P″點包含含有形變量的干涉相位為式(2)中：

(2)

由于形變位移Δr?R″，因此可以近似認為R′，R″平行，則R″≈R′+Δr，P″點包含有形變相位。

(3)

由上可知，P′為沒有形變位移的相位，包含平地效應相位和地形起伏相位，因此P″點相位又可以表示為:

(4)

形變相位示意圖見圖1。

得到地表形變相位:

(5)

所以引起地表形變?yōu)?

(6)

其中，λ為雷達入射波波長；r為傳感器距地面的斜距；b為垂直基線長；Δr為像元斜距差；θ為雷達天線的參考視線角。

2 實驗與結果

2.1 DEM數據

二軌法差分干涉處理方法最為常見，由于該方法借助于外部數字高程模型(DEM)，DEM的精度將直接影響地表形變的監(jiān)測精度。本文采用7種不同分辨率的DEM，具體數據參數見表1。

表1 DEM數據簡介

2.2 不同DEM的D-InSAR形變監(jiān)測實驗

為了研究不同的DEM對D-InSAR形變監(jiān)測結果的影響，進行三個實驗：

1)不同源同精度的DEM對D-InSAR形變監(jiān)測影響。

2)同源不同精度DEM對D-InSAR形變監(jiān)測影響。

3)其他DEM對D-InSAR形變監(jiān)測影響。

2.2.1 不同源同精度DEM的D-InSAR形變監(jiān)測結果

基于同精度DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖如圖2所示。

不同分辨率DEM形變量信息見表2。

表2 鄭州部分區(qū)域形變量

2.2.2 同源不同精度DEM的D-InSAR形變監(jiān)測結果

基于不同源DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖如圖3所示。

不同分辨率DEM形變量信息見表3。

表3 鄭州部分區(qū)域形變量

2.2.3 其他DEM形變量信息情況

基于不同源不同精度DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖見圖4。

不同分辨率DEM形變量信息見表4。

2.3 特殊區(qū)域內的形變結果對比

在google earth中獲取監(jiān)測區(qū)域中選取若干點的坐標，將已知點坐標和不同的DEM參與所獲取的沉降圖導入ArcGIS中，提取出已知點實際的沉降值。由于沒有準確的DEM的數據，以最高精度的ALOS的沉降圖為基準，以沉降量范圍內平均值作為標準值，與其他DEM數據進行對比分析，如圖5是所選取的部分具有代表性的監(jiān)測點。

表4 鄭州部分地區(qū)形變量m

由表5結果可以看出，基于ASTER-GDEM和GDEMDEM的監(jiān)測形變結果的形變量平均絕對值誤差比較小，且在鄭州南部和東部的形變量差值較小，在鄭州火車站和鄭州東站的形變量為0，在鄭州北部即黃河區(qū)域附近形變量較大。在七組數據中，如果以ALOS數據為基準，ASTER-GDEM和GDEMDEM的平均絕對值誤差最小，是實驗中的精度較高的DEM。

由表6結果可以看出，基于ASTER-GDEM和GDEMDEM的監(jiān)測形變結果的形變量均方差比較小，在鄭州南部和東部的形變量差值較小，在鄭州火車站和鄭州東站的形變量為0，在鄭州北部即黃河附近形變量差距較大。在七組數據中，如果以ALOS數據為基準，ASTER-GDEM和GDEMDEM的均方差比較小，是實驗中的穩(wěn)定性較高的DEM。

表5 不同分辨率DEM平均絕對值誤差比較

表6 不同分辨率DEM均方差比較

本文通過合成雷達干涉差分測量，基于“二軌法”的基本原理，對所測量的地區(qū)的形變監(jiān)測進行論述。因為二軌法D-InSAR受到DEM精度及干涉相位等誤差的影響，所以一個精度相對較高的DEM對其監(jiān)測結果影響是很大的。ASTER-GDEM和GDEMDEM在監(jiān)測平原地區(qū)時，有著較好的穩(wěn)定性以及監(jiān)測質量，在山地以及河流附近，監(jiān)測誤差較小，平原地區(qū)，差距還是比較大。在實際應用中，考慮到獲取途徑以及精度的影響，GDEMDEM為當下精度比較高的DEM。

3 結語

1)在2019.03～2019.12期間，鄭州市大部分地區(qū)呈現(xiàn)抬升狀態(tài)，其形變量較小，在鄭州市北部(黃河)附近存在著較大的抬升量且抬升值在0.002 7 m與0.140 1 m之間；鄭州市西南部呈現(xiàn)沉降狀態(tài)且沉降量在0.002 7 m與0.032 6 m之間。鄭州市中部區(qū)域地勢平坦，形變監(jiān)測中呈現(xiàn)結果比較小且穩(wěn)定的略微抬升。

2)從不同源同精度、同源不同精度以及其他情況這三個方面進行研究，以ALOS形變結果作為標準，可以觀察到GDEMDEM的監(jiān)測結果是與相對標準的變形量最為相近的，而且獲取途徑較為簡單，可用于形變監(jiān)測的簡單分析與應用。

3)根據多個實驗區(qū)域相互比較可看出在東坪煤礦附近出現(xiàn)了較為明顯的沉降，沉降最大值為0.032 6 m，黃河附近的呈現(xiàn)較為明顯的抬升，抬升最大值為0.1401 m。根據煤礦區(qū)開采沉陷遙感監(jiān)測分析可知，在煤礦附近由于煤礦開采，進而出現(xiàn)了較為明顯沉降。黃河附近由于黃河淤泥的沉積，出現(xiàn)了較大的抬升量。

4)由人為因素、地理位置因素以及自然因素等影響可知，研究一個區(qū)域的形變量，不能從單一的因素來評價，要從多個方面對引起其形變量進行分析。例如：高鐵站的形變量不僅與高鐵的高速運動有關，而且和高鐵站所在位置的地下水位壓強也存在著一定關系。