D-InSAR與PS-InSAR技術應用于蘇州地面沉降監測之比較

朱葉飛,于 軍,武健強,吳曙亮,李向前,張景發,羅 毅,蘇一鳴

(1.江蘇省地質調查研究院,江蘇南京210018;2.中國地震局地殼應力研究所,北京100085)

D-InSAR與PS-InSAR技術應用于蘇州地面沉降監測之比較

朱葉飛1,于 軍1,武健強1,吳曙亮1,李向前1,張景發2,羅 毅2,蘇一鳴1

(1.江蘇省地質調查研究院,江蘇南京210018;2.中國地震局地殼應力研究所,北京100085)

合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)為地表形變監測提供了極具應用潛力的手段,特別是D-InSAR和PSInSAR技術在對地表沉降監測中的應用,受到了越來越多的關注。將D-InSAR和PS-InSAR方法分別應用于蘇州地區地面沉降量的計算,并將兩種方法的計算結果與水準觀測資料進行對比分析。通過兩種InSAR方法在蘇州地區的具體應用,指出了它們在地面沉降監測中的異同點及適用情況。

D-InSAR;PS-InSAR;地面沉降;江蘇蘇州

1 基于D-InSAR的蘇州實驗區地面沉降監測

1.1 蘇州實驗區與實驗數據

江蘇省蘇州、無錫、常州地區,是江蘇乃至全國經濟最發達的地區之一,人口密集,城鎮眾多。20世紀80年代以來,由于工業特別是鄉鎮企業的迅猛發展,這一地區用水量急劇增加,加上絕大部分地表水受到嚴重污染,整個蘇錫常地區水質型缺水矛盾日益突出,眾多用水單位紛紛通過開鑿深井取用地下水以解決供水不足的問題,致使地下水開采不斷增長,部分區域嚴重超量開采。蘇錫常地區地質構造及工程地質條件復雜,基巖面起伏不平、高低落差大,松散地層的厚度與結構變化很大,地面沉降易產生不均勻性差異沉降,導致地裂縫和地面塌陷災害發生。目前已形成以蘇錫常3個城市市區中心的局部性地面沉降,地面沉降量大于600mm的沉降區已連接成片,面積超過1 350km2。沉降量最大的地方累計已達1.8m以上。圖2是蘇州地區SAR成像后的幅度圖像,圖2中的P1—P8是選擇的水準點,均勻分布于城區范圍,用于對InSAR結果進行驗證。

1.2 實驗區D-InSAR數據處理

采用兩軌法完成了蘇州實驗地區的D-InSAR處理,即先利用實驗區地表變化前后2幅單視圖像生成干涉紋圖,再利用事先獲取SRT M的DEM數據模擬紋圖,從干涉紋圖中去除地形信息,即可得到地表形變信息。兩軌法幾何模型如圖3所示,圖中m和s分別表示主輔圖像傳感器,設SAR 2次過境時,地面在雷達視線方向(Line of Sight,LOS)上發生Δr的形變,則形變相位為:

圖1 蘇州市大范圍區域

圖2 蘇州市城區(約10km×10km)及部分水準點分布

從式(1)可以看到,差分相位對地形變化非常敏感,測量精度達到波長量級,對ERS-1/2來說,當地表在視線向位移2.8cm時,就可以產生2π的相位變化。相對于三軌法,二軌法的優點是無需對干涉圖相位解纏,避免了解纏的困難。但是對于無DE M數據的地區無法采用上述方法。在引入DE M數據的同時,可能引入新的誤差,比如DE M本身的高程誤差、DE M模擬干涉相位與真實SAR紋圖的配準誤差等。

圖3 兩軌法幾何模型圖

二軌法D-InS AR的整個處理流程如圖4所示。共收集了從1993年2月—1995年12月間的ERS-1 S AR原始數據,經S AR成像處理,形成單視復數據(S LC),圖幅的中心位置為(N31.79°、E120.71°),影像覆蓋區約為106km(長)×38km(寬),完全覆蓋整個蘇州市。基于干涉對短基線距和時間間隔的考慮,D-InS AR方法選用的ERS-1干涉圖像對具體參數見表1。選用SRT M的DE M(90m×90m),轉到S AR雷達坐標系(Range-Doppler S AR coordinates)與主圖像進行配準,用于模擬地形相位。利用兩幅S LC作差分干涉圖,干涉圖減去DE M模擬的地形相位圖得到去平地效應后的差分干涉圖(圖5)。然后計算相干系數并進行相干性分析,用相干系數圖(圖6)輔助相位解纏,最后將解纏相位轉換為地面沉降量(圖7、圖8)。

1.3 D-InSAR處理結果分析

從沉降結果圖(圖7、圖8)來看,除了城區以外的大部分地區相干性都很低,雖然城鎮分布有少量相干點,但這些信息在D-InSAR中基本不能用來得出地表沉降量。最后除了蘇州城區,其他地方基本沒有結果。但市區東北角因為相干性比較低而沒有結果,但根據其他觀測資料,這一塊區域的沉降量在市區是最大的。1993年—1995年,蘇州市區大部分區域的沉降量多在1.0cm～4.5cm左右。沉降量比較大的主要分布在蘇州城區北偏東一帶、蘇州城區東南區域。其中在虎丘的西邊金閶區也有一個比較大的沉降區,這邊的相干性程度不高,可能解纏時會帶來誤差。

圖4 兩軌法D-InSAR處理流程圖

表1 干涉圖像對的時間和基線參數

圖5 兩幅SLC干涉圖

圖6 相干系數圖

圖7 整個區域地面沉降結果圖

圖8 蘇州城區地面沉降結果圖

本研究中得到了蘇州市部分水準點的水準測量數據。為進行驗證對比,從1993年—1995年地面沉降結果圖中確定水準點位置,提取沉降量值。由于資料有限,僅選取了P1—P4 4個點的水準數據加以比較,表2是1993年—1995年InS AR測量值與水準測量值的比較結果,其中水準測量值由水準資料插值得到。

從表2可以看出,差分干涉測量值與水準測量值保持了一定的一致性。但這些差分干涉測量與水準測量值相比整體上偏低,誤差主要是由基線距誤差、大氣延遲誤差及高程誤差引起的。如果以上4個水準測值代表地面形變的實際情況,則本研究中雷達差分干涉測量誤差為2.6cm。

表2 水準點1993年—1995年水準測量和InSAR測量的形變量比較

2 基于PS-InSAR的實驗區地面沉降監測

2.1 PS-InSAR地面沉降監測

利用振幅離差指數閾值法識別出影像中最大可能的反映相位穩定的點,即PS點。通過選擇SAR影像集中的一景SAR影像作為主影像,其他圖像為從影像與主影像生成干涉圖。對每幅干涉圖建立大氣模型,通過聯立方程的方式消除大氣的影響,最終求解出地面微小的形變。研究中所有PS點的模型用于相鄰的PS點上,只要保證相鄰的PS點APS相關就可以進行形變估計了。這使得研究范圍不受到小區域的限制。通過適當的空間上和時間上的濾波處理,進而分離出大氣相位和非線性形變項,從而得到完整形變的估計。采用的處理流程如圖9所示。

選擇時間范圍為1995-12-31至2000-12-24之間的共21幅ERS-2 SAR數據進行蘇州市城區的形變反演研究,時間、空間基線見圖10。依據時空基線最優化原則,選擇1998-04-19的SAR圖像為主圖像。基于21幅SLC圖像,根據每個像素的21個幅度值的離散性共選出47 647個初始PS點。城區及周邊相干點的Delaunay三角網見圖11。

根據水準測量知道,虎丘山是基巖,沒有沉降,其附近區域沉降也非常微小。因此,選取虎丘附近的PS點作為參考點,進行平均沉降速率的定標。在相鄰PS點上建立相位差與形變速度增量、高程誤差增量的模型,對相位差進行統計分析,計算出高程誤差,大氣延遲相位,地表形變量的初始值,并優化空間基線,通過多次迭代計算最終的地面沉降量。圖12和圖13為整個實驗區和城區的地面平均沉降速率圖。

圖9 實驗區PS-InSAR處理流程圖

圖10 時間空間基線分析表

圖11 城區PS點Delaunay三角網

圖12 蘇州實驗區地面沉降速率圖

圖13 蘇州城區地面沉降速率圖

2.2 PS-InSAR處理結果分析

從整個研究范圍,總的趨勢是蘇州—無錫沿西北—東南走向存在一個沉降帶。蘇州市西南邊的山區幾乎沒有沉降,這與基巖地貌相吻合。東北邊也幾乎沒有沉降。蘇州市北邊與無錫接壤的位置,在滸墅關鎮、望亭鎮方向,存在巨大的沉降,年最大速率達到70mm。吳中市存在一個沉降中心,年最大沉降速率達到50mm。就市區而言,除了齊門外以北的區域以外,反演結果幾乎覆蓋了整個蘇州城區。相對較大的沉降區域在城區東北角和東南角,而最大的沉降出現在齊門和火車站一帶,年最大沉降速率達到45mm。

表3 水準點1995-12—2000-12水準測量和實驗測量的平均形變速率比較

通過與區域內分布的水準點測量數據的比較發現,8個點中有5個點的相對誤差都在±3mm/y以內,只有2個點相對誤差稍大,但也在±4mm/y以內。以上分析充分說明了形變反演的準確性。

3 D-InSAR與PS-InSAR蘇州地面沉降監測之比較

從以上例子中可以看出,D-InS AR與PS-InS AR 2種技術各有優缺點。就精度而言,一般前者可達厘米級,后者的精度可達毫米級。在D-InS AR技術中,主要限制因素是時間失相關及空間失相關和S AR圖像之間的大氣異質性。如果雷達相干波的失相關太大,就無法得到形變像對干涉相位和地形像對的干涉相位,也就無法得到地表形變,比如蘇州城區因具有較多的建筑物,相干性高,D-InS AR結果比較可靠,而周邊地區則基本上沒有結果,或者相干性低結果不可靠。

從以上分析中不難總結出D-InSAR技術的特點:實現算法簡單,參數較少,只需要2個垂直基線參數。對地表連續覆蓋,經差分處理后可得到整幅SAR圖像內的高相干區域地表沉降信息。成本低,采用的兩軌法只用了2景SAR圖像。可監測較大的地表形變,為了保證對干涉相位進行解纏,在LOS方向上所能探測的SAR圖像兩相鄰分辨單元之間的最大形變值不大于λ/2(對于ERS-1的C波段為2.8cm,對于L波段為12cm),如果將形變積分,總形變值可以較大。失相干的影響大,這就使得該技術對地表覆蓋物要求比較苛刻,在植被茂密的地區或時空間基線較長的情況下實現起來比較困難。

PS-InSAR的失相干影響較小,對地表覆蓋物要求較低,在一定程度上克服了常規D-InSAR技術中對地表覆蓋物要求過于苛刻的不足。測量精度高,可測得毫米級的視向移動速度,本實驗區的誤差在4mm/y以內;但PS-InSAR算法復雜,要求數據量大,成本較D-InSAR技術高,本次試驗共用了21景SAR圖像,只有足夠多的SAR圖像才能準確識別PS點。在Ferretti等的試驗中,SAR數據量一般都達到25景～30景,這對于我國用戶來說成本較大,能否夠獲取這么多SAR數據也是個問題。改進的PS-InSAR算法對監測區域類型和大小的沒有嚴格的限制,只需要測量區域有較多的天然散射體,如城市和巖石出露較多的地帶,即可進行大范圍的地面沉降量的計算。

4 結 語

InS AR技術方法多種多樣,可以依據實際情況,選擇不同的InS AR方法,取長避短。本例研究表明,PSInS AR特別適用于城市地表沉降監測。城市地表沉降主要是由于地下水超量開采導致的,沉降過程一般比較緩慢,短時間間隔內沉降量很小,超出了常規D-In-S AR技術的探測能力,而長時間間隔的大氣異質性又增加了常規D-InS AR處理的難度,因此PS-InS AR特別適合地面沉降監測;另一方面,城市面積通常較小且建筑物眾多,建筑物頂部容易形成角反射,構成許多永久散射體,十分有利于PS-InS AR技術的應用。可見,PSInS AR能提供高精度、大范圍城市沉降信息。如果再結合水準測量和GPS測量,進行準確地空間定位,將有利于進行長期、大范圍、高密度的變化監測。而D-In-S AR技術主要適用于對面積大、地表形變明顯而植被覆蓋少的區域的監測,比如礦區開采地表沉降監測、同震形變測量、火山活動監測、冰川移動研究等方面。

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Application comparison ofD-InSAR and PS-InSAR techniques in Suzhou land subsidence monitoring

ZHU Ye-fei1,YU Jun1,W U Jian-qiang1,W U Shu-l iang1,L I Xiang-q ian1, ZHANG Jing-fa2,LUO Y i2,SU Y i-m ing1
(1.Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210049,China;2.Institute of Crustal Dynamics,China Seismological Bureau, Beijing 100085,China)

Interferometric SyntheticAperture Radar(InSAR)is an effectivemethod for m onmonitoring surface defor mation,especially the applications in monitoring the ground subsidence bymeans ofD-InSAR and PS-InSAR.Both D-InSAR and PS-InSAR were applied to the computation of Suzhou’s land subsidence volume,and the results computed by the two differentmethodswere comparedwith subsidence data measured by leveling.The different characteristics and suitable and unsuitable applied conditions of D-InSAR and PS-In-SAR on monitoring Suzhou land subsidence were indicated on the basis of specific application in Suzhou area.

D-InSAR:PS-InSAR;Land subsidence;Suzhou,Jiangsu

book=3,ebook=169

P642.26;P225

A

1674-3636(2010)03-0289-06

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.289

2009-11-04;編輯:陸李萍

朱葉飛(1978—),男,工程師,碩士,研究方向為遙感數字圖像處理及遙感機理在地學中的應用.