基于時序InSAR技術的淄博地面沉降監測研究

鄧曉景，邢立鵬

基于時序InSAR技術的淄博地面沉降監測研究

鄧曉景1，邢立鵬2

（1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255000；2.淄博國土調查測繪有限公司，山東 淄博 255000）

淄博地區地下煤炭和水資源儲量比較豐富，由于近年來人們大量開采地下資源，淄博地區逐漸出現地面沉降現象。以淄博地區作為研究對象，獲取2007-10—2011-02的25景ALOS PALSAR雷達影像升軌數據，采用PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種時序InSAR技術，分別得到該地區地表形變場。監測結果顯示，淄博地區存在四個沉降區域，其中最大沉降速率為每年180 mm。對比分析可知，兩種不同的時序InSAR技術的監測結果有高度的一致性，通過與SDCORS站觀測數據進行精度驗證，發現PS-InSAR監測結果精度高于SBAS-InSAR監測結果。

地面沉降；PS-InSAR；SBAS-InSAR；精度驗證

1 引言

傳統地面沉降監測手段以水準和GPS測量為主，近些年來合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術快速崛起，逐漸發展成為現代地面沉降監測的主要應用手段[1]。1998年，FERRETTI等人提出了永久性散射體差分干涉測量（PS-InSAR）技術，該方法重點關注雷達影像中穩定性強的永久散射體，通過實驗對PS-InSAR技術的適用性展開驗 證[2]，成功獲取了Ancona地區的形變速率場，監測到該地的重點沉降區，并通過傳統測量手段驗證了PS-InSAR技術對地面沉降的監測精度為毫米級。2002年，BERARDINO等人對PS-InSAR技術進行改進，提出小基線集差分干涉測量（SBAS-InSAR）技術[3]，從一定程度上減弱了空間去相干對提取PS點的影響，能夠提高PS點密度，從而得到更好的監測結果。

本文利用2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR SLC存檔數據，綜合應用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術，結合SDCORS站觀測數據，研究淄博地區的地面沉降詳情，從定性和定量角度分析淄博地區地面沉降的時空分布特征，為淄博市地面沉降防治和城市建設提供一定的技術支持。

2 研究區數據介紹

本文的影像覆蓋區域為淄博中部地區，總面積約為 2 000 km2。選取2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR雷達影像升軌數據，影像的極化方式為HH極化，同時，為保證有效地模擬地形信息，參與數據處理地形數據選擇的是30 m分辨率的STRM DEM數據。

3 實驗分析

3.1 PS-InSAR數據處理過程

實驗綜合考慮時空基線對干涉像對的影響，選取2010-01-08的SLC影像作為主影像，其他SLC影像作為輔影像與主影像進行配準和干涉處理，得到24幅干涉圖，各干涉像對的空間基線均小于1/2 ALOS PALSAR數據的空間基線閾值，保證了干涉像對的質量，其中最短空間基線為321.939 m，最長空間基線為3 564.540 m。利用STRM DEM與24幅干涉圖進行差分，初步去除地形相位，生成24幅差分干涉圖。在PS點篩選方面，實驗采用振幅離差指數法與設定相干系數閾值相結合的方法來提取相干點目標，提高了低相干區域PS點的密度和估算精度。實驗將PS候選點目標網格化，將影像覆蓋范圍劃分為339個子區域，在每個子區域選擇1個振幅離差小于0.1的參考地面控制點，消除干涉圖中恒定的相位偏移值；通過設定幅度圖中的相干性閾值來篩選PS候選點，并對這些點的空間相關誤差和空間非相關誤差進行估計，選擇相位穩定性好的點作為最終的PS點；去除估計的誤差并利用Minimum Cost Flow方法進行相位解纏，獲取真實形變相位；通過時間域的高通濾波和空間域的低通濾波消除大氣相位差、DEM殘差和軌道誤差，最后進行地理編碼，得到垂直方向各PS點的形變速率。

3.2 SBAS-InSAR數據處理過程

基于SBAS-InSAR技術對25幅雷達影像進行差分干涉處理，干涉像對的時間基線閾值設置為365 d，空間基線為臨界基線的45%，將25景雷達影像和DEM分別進行差分干涉處理，去除平地相位和地形誤差，共生成116幅差分干涉圖，根據小基線集原則組成小基線差分干涉圖集。在生成的小基線集中，最小時間基線為46 d，最大時間基線為 322 d，最小空間基線為50 m，最大空間基線為4 307 m。為了提取穩定性較高的相干點目標，在幅度圖中設定幅度分布指數閾值為0.6，在相干系數圖中設置相干性閾值為0.75，由此篩選SDFP候選點；在對空間相關誤差和空間非相關視角誤差進行估算的基礎上，通過估算SDFP 候選點的相位穩定性，確定穩定性高的SDFP點；去除地形殘差和軌道誤差，利用Minimum Cost Flow方法進行相位解纏，獲得真實的形變相位；采用SVD法求解各PS點的形變速率；在得到形變速率的基礎上，對提取到的PS點進行后置濾波，估計大氣效應對不同時間段形變結果造成的誤差大小，從形變結果中去除每個時間段大氣效應的影響，最終獲得淄博市的地表形變場。

4 研究結果分析

PS-InSAR淄博沉降速率如圖1所示。PS-InSAR技術監測到的淄博地區2007-10—2011-02期間的地表形變，實驗發現淄博地區存在四個沉降較大的區域。其中，沉降區1位于張店區東北部與臨淄區的交界處，最大沉降速率為每年 37 mm；沉降區2位于張店區西南部與淄川區北部，最大沉降速率為每年66 mm；沉降區3位于周村區西南部與淄川區西部交界地帶，最大沉降速率為每年45 mm；沉降區4位于博山北部與淄川中部，最大沉降速率為每年60 mm。通過統計分析發現，淄博范圍內大部分PS點的沉降速率低于每年10 mm，平均沉降速率為每年6 mm，最大沉降速率為每年66 mm，說明淄博地區地面沉降空間分布差異較大，地面沉降不均衡。

圖1 PS-InSAR淄博沉降速率圖

SBAS-InSAR淄博沉降速率如圖2所示。SBAS-InSAR技術監測到的淄博地區2007-10—2011-02期間的地表形變，與PS-InSAR技術的地面沉降監測結果相一致。最大形變點出現在淄川區西北部與周村區西南部的交界地帶，最大沉降速率為每年180 mm。淄川區和博山區的大部分山區沒有提取到PS點，周村區、張店區和臨淄區的小部分區域PS點稀少，這與地面沉降監測的時間跨度太長（1 242 d）和篩選PS點時相干性閾值設置較高（0.75）有關。A、B、C為淄博地區沉降最為集中、沉降量較大的三個區域。

圖2 SBAS-InSAR淄博沉降速率圖

5 結果精度驗證

實驗利用現有的兩個研究區內SDCORS站點的連續觀測數據，對比分析PS-InSAR技術與SBAS-InSAR技術的監測精度。實驗在SDZB站和ZCHW站周邊100 m范圍內各選取了一個與CORS站監測結果誤差最小的形變點，將CORS監測結果作為觀測真值，分析PS-InSAR和SBAS-InSAR在時間序列上的觀測精度。兩種方法與SDZB站觀測結果對比如圖3所示，2010-08-26—2011-02-26，SDZB站監測結果與時間序列InSAR監測結果共有4個相同的觀測區間，2010-11-26，PS-InSAR的沉降監測結果與SDZB站監測結果的誤差最小，為﹣0.2 mm，2010-10-11，PS-InSAR的沉降監測結果與SDZB站監測結果的誤差最大，為 1.4 mm；2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降監測結果與SDZB站監測結果的誤差最小，為﹣0.88 mm，2010-11-26，SBAS-InSAR的沉降監測結果與SDZB站監測結果的誤差最大，為﹣3.7 mm。

圖3 兩種方法與SDZB站觀測結果對比

兩種方法與ZCHW站觀測結果比較如圖4所示。

圖4 兩種方法與ZCHW站觀測結果比較

2010-02-23—2011-02-26，ZCHW站監測結果與時間序列InSAR監測結果共有7個相同的觀測區間，2011-01-11，PS-InSAR的沉降監測結果與ZCHW站監測結果的誤差最小，為﹣0.1 mm，2011-02-26，PS-InSAR的沉降監測結果與ZCHW站監測結果的誤差最大，為0.65 mm；2010-05-26，SBAS-InSAR的沉降監測結果與ZCHW站監測結果的誤差最小，為0.5 mm，2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降監測結果與ZCHW站監測結果的誤差最大，為3.36 mm。綜合分析可知，PS-InSAR和SBAS-InSAR的監測精度均為毫米級，且相對于SBAS-InSAR的監測結果，PS-InSAR的監測結果在形變量和形變趨勢上與CORS站監測結果更加吻合，證明PS-InSAR的監測精度更高，這與SBAS-InSAR技術人工選取GCP點，容易引入偶然誤差有關。

6 結束語

分析實驗結果，可以得到如下結論：淄博市的地面沉降普遍存在且具有明顯的空間分布特征，大部分區域的沉降速率每年小于10 mm，最大形變點位于淄川區西北部，沉降速率為每年180 mm。通過與SDCORS站數據的比較驗證，證實PS-InSAR和SBAS-InSAR技術對淄博地區地面沉降的監測可以達到毫米級的精度，同時PS-InSAR的監測結果在形變量和形變趨勢上與CORS站監測結果更加吻合，證明PS-InSAR的監測精度比SBAS-InSAR更高。

［1］岳建平，方露.城市地面沉降監控技術研究進展［J］.測繪通報，2008（3）：1-4.

［2］邢立鵬，曲國慶，黃潔慧，等.基于PS-InSAR技術的淄博市地面沉降監測［J］.山東理工大學學報（自然科學版），2019，33（2）：1-6.

［3］周志偉，鄢子平，劉蘇，等.永久散射體與短基線雷達干涉測量在城市地表形變中的應用［J］.武漢大學學報（信息科學版），2011，36（8）：928-931.

P237

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.026

2095－6835（2020）09－0070－03

鄧曉景（1995—），男，山東威海人，碩士研究生，研究方向為InSAR地表形變監測研究。

〔編輯：嚴麗琴〕