PS-InSAR和SBAS-InSAR在城市地表沉降監測中的應用對比

劉欣,商安榮,賈勇帥,魏超

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2.山東省第一地質礦產勘察院,濟南 250014)

PS-InSAR和SBAS-InSAR在城市地表沉降監測中的應用對比

劉欣1,商安榮2,賈勇帥1,魏超1

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2.山東省第一地質礦產勘察院,濟南 250014)

摘要：合成孔徑干涉雷達技術(InSAR)已逐步成熟，為地表監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干涉技術(PS-InSAR)和小基線集技術(SBAS-InSAR),受到了越來越多的關注。將PS-InSAR技術和SBAS-InSAR技術分別應用到濟寧市的地面沉降監測中,分析兩種方法得到的沉降趨勢,并對累計沉降圖做剖面,與搜集到的水準剖面對比,證明了兩種技術均適用于城市地表沉降監測。

關鍵詞：PS-InSAR;SBAS-InSAR;地表沉降

0引言

地表沉降危害人類的生命財產安全、破壞人類的生存環境,成為制約沉降區域經濟社會全面、協調、可持續發展的重要因素之一。傳統的監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技術具有覆蓋面廣、監測周期短、全天時、全天候等優點，但傳統的InSAR技術受時空失相干和大氣效應等因素的限制，不能得到很好的應用。因此本文研究了PS-InSAR技術和SBAS-InSAR技術，通過兩種方法與傳統水準測量成果的對比，進一步驗證了兩種InSAR技術在城市地表監測中的適用性。

1實驗數據及數據處理

1.1實驗數據

實驗采用了歐空局(ESA)提供的ERSI/2的C波段SAR數據影像,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 數據采用美國國家航空航天局發布的SRTM 3″分辨率的數字高程模型,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數據。精密軌道數據是由荷蘭Delft大學DEOS提供,其軌道徑向精度達到5～6 cm,法向精度小于20 cm.

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

圖1　實驗區域范圍

1.2數據預處理

本文采用基于DESCW與三基線和最小的方法[1]進行公共主圖像的優化選取,此方法考慮到了時間基線、空間基線和多普勒質心頻率基線。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、多普勒質心頻率基線總和,進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精密軌道數據對主影像和輔影像提取精密軌道信息,進行主輔影像粗配準及精配準。利用DEM數據計算各干涉對的地形相位,再經過輔影像重采樣,去除利用軌道數據計算出的平地相位,除去地形相位,便生成差分干涉圖,本實驗由16幅SAR影像進行差分干涉處理共生成了15幅干涉圖。最后進行地理編碼,完成影像從雷達坐標系到地圖坐標系的轉換。

1.3基于PS-InSAR的地表沉降監測方法

PS-InSAR技術數據處理流程圖如圖3所示。

圖3　PS-InSAR技術數據處理流程圖

1) 生成差分干涉圖序列及PS點的選取

通過主輔影像配準、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行PS點的選取,最終選取了4 817個PS點,研究區域總面積約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通過在時間域上對解纏相位進行高通濾波,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。

3) 地表形變量的提取

將提取到的各個PS點的相位信息進行相位解纏運算后,再對地形殘差貢獻以及大氣效應貢獻進行估算并去除等計算就可得到研究區域的地表形變,最后去除PS點標準速率偏差大于1的,得到各個PS點在雷達視線方向(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的地表沉降監測方法

1) 小基線數據干涉圖組合

本試驗以相關系數為條件選取小基線對,完全失相關的時間間隔采用默認設置為1 500天,臨界基線值亦采用默認設置為1 070,為了得到較多的小基線對,本試驗設置最小相關系數為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,時間基線在900天以內。按照選擇的小基線對,經過處理生成29幅差分干涉圖。觀察干涉圖中可發現相干性良好,在此基礎上進行高相干候選點的選擇,最終選取了2024個相位穩定點,雖然得到的點相對比較少,但是通過點的分布可以看出,選擇的相位穩定點在建筑物多的地區分布比較密集,在建筑物少的地區分布比較稀疏,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技術處理過程相同。

3) 地表形變量的提取

對解纏相位進行平地效應、DEM誤差、軌道誤差和大氣效應的去除,通過解算得到研究區域的地表形變,再將標準速率偏差大于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,可看出濟寧市的地表沉降趨勢由北向南遞減,區域的形變趨勢與PS-InSAR技術處理結果相吻合。

圖5　SDFP點LOS 向年平均形變速率

2形變結果分析

由PS-InSAR技術與SBAS-InSAR技術得出的LOS向年平均形變速率圖可看出,在南部地區存在輕微的隆升現象,經查閱公開文獻[2]～[3]可知濟寧市在1992-1998年不存在地表隆升情況,出現這種結果的原因是由于在這兩種技術解算時選取的基準并非穩定不動的基巖點,因而整個區域的年平均沉降速率結果顯示有一個系統性偏移量[4-6]。為了比較基準的統一,現假定本區域最大隆升區的地表形變速率為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.

2.1兩種技術整體沉降情況對比分析

從PS-InSAR與SBAS-InSAR技術得到的LOS向年平均形變速率圖中可以看出,兩種技術得到的沉降趨勢基本吻合。為了更好地比較兩種技術的一致性,現對兩種方法得到的形變速率進行統計分析,由圖6可以看出,PS點與SDFP點在各個數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,得到的結果還是有些細微的差別的。

圖6　年平均形變速率分布 (a) PS點； (b) SBAS點

2.2準確度分析

通過圖5可以看出PS-InSAR與SBAS-InSAR技術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確性,但是與水準數據作比較能更好的來說明兩種方法的準確性。文獻[2]含有對濟寧市的沉降監測結果,其中南岱莊水準點在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[2]中指的南岱莊水準點的坐標,所以不能按鄰近點法尋找距離已知水準點最近的PS點,因此不能進行兩種技術的精度分析。

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

由圖7～圖12可以看出,PS-InSAR與SBAS-InSAR技術監測得到的以南岱莊為中心的橫、縱剖面與水準監測得到的剖面圖沉降趨勢相似。此外,在圖中隨機取對應點,對應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技術都可以準確地得到城區的地表沉降。但是也可以看出,PS-InSAR與SBAS-InSAR技術得到的以南岱莊為中心的剖面圖與水準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 技術得到的縱剖面

圖8　SBAS-InSAR 技術得到的縱剖面

圖9　水準得到的縱剖面

圖10　PS-InSAR 技術得到的橫剖面

圖11　SBAS-InSAR 技術得到的橫剖面

圖12　水準得到的橫剖面

1) 時間上的不一致性

文獻[2]中得到的是1992年8月～1997年11月的水準累積沉降量,而本文中采用的是1992年5月～1998年10月的SAR數據,監測時間存在差異。

2) 空間上的差異

無論是PS-InSAR技術中PS點還是SBAS-InSAR技術中的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,而水準監測卻是針對一個點。而且,本實驗無法得到南岱莊這一水準點的坐標值。因此與水準得到的剖面圖的比較存在差異。

3) SAR數據問題

本文搜集到的SAR數據時間跨度大,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年的影像數據,而且1995年的影像數據也只有一景,這就降低了PS-InSAR與SBAS-InSAR技術的監測精度。

3結束語

本文利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術對歐空局ERS-1/2衛星獲得的16幅濟寧市的SAR數據進行了試驗,得到了研究區域地面LOS向的年平均沉降速率,通過兩種技術的對比得到兩種技術的沉降趨勢相吻合;然后將兩種技術得到的累計沉降圖做剖面,與搜集到的水準剖面做對比,證明了兩種技術都適用于城市區域的地表沉降監測。

參考文獻

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劉欣(1992-),女,山東德州人,碩士生,主要研究方向為衛星定位與導航。

商安榮(1987-),女,山東德州人,主要研究方向為變形監測。

賈勇帥(1991-),男,河南上蔡人,碩士生,主要研究方向為變形監測。

魏超(1989-),女,山東青島人,碩士生,主要研究方向為衛星定位與導航。

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

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0101-05

作者簡介

聯系人： 劉欣 E-mail: xin5287@126.com