外部參考DEM對礦區(qū)沉降監(jiān)測結(jié)果的精度評估

李 郴 ，彭 濤 ，李 強

( 1.中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000)

隨著城市化進程的加快，地面沉降成為城市主要地質(zhì)災害之一。目前，地面沉降監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)水準測量來監(jiān)測，水準測量精度高，但測量任務繁重、過程繁瑣、周期長、效率低，難以滿足城市地表沉降監(jiān)測的需求[1]。近年來，合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)得到快速發(fā)展并廣泛應用于城市地表沉降監(jiān)測。通過兩幅或以上的干涉圖和高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)進行地表微小形變測量，展現(xiàn)出了自身的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)地表沉降監(jiān)測技術(shù)的不足。D-InSAR對地表沉降監(jiān)測具備全天候、連續(xù)性、大面積、全覆蓋和監(jiān)測周期短的特點[2-4]。D-InSAR技術(shù)在地震監(jiān)測、火山噴發(fā)、冰川移動、山體滑坡、城市地表沉降監(jiān)測和滑坡形變監(jiān)測，均取得了較好的監(jiān)測成果[5-9]。采用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變過程中，受成像誤差、衛(wèi)星軌道誤差、數(shù)字高程模型誤差、大氣延遲誤差影響較大，如何在地表監(jiān)測中減少和去除誤差的影響，是進一步提高D-InSAR技術(shù)監(jiān)測的關(guān)鍵[10-11]。目前，隨著DEM獲取手段的多樣化，不同DEM 的質(zhì)量有所差異，導致與干涉圖配準的精度不同，引起地形相位分量初始化不準確，從而影響D-InSAR沉降監(jiān)測的精度[12]。本文針對不同外部DEM 對D-InSAR 沉降監(jiān)測精度進行評估，旨在為礦區(qū)進行沉降監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1 雙軌D-InSAR沉降監(jiān)測基本原理

InSAR的差分干涉測量是以傳感器兩次近平行觀測影像為干涉像對，根據(jù)形變點與天線兩次成像位置的幾何關(guān)系，精確配準形變前后的兩幅復數(shù)影像，共軛相乘對應像素即可獲取干涉相位，基本原理幾何示意圖如圖1所示。

圖1 InSAR基本原理幾何示意圖

在圖1中，S1、S2為傳感器在形變前后觀測目標點P所處的位置，R1、R2為傳感器距離目標P的距離，傳感器在S1、S2處空間基線距離為B，空間基線與水平線間的夾角為α，θ1、θ2為雷達波束的入射角，此時即可獲取干涉相位φ。雙軌D-InSAR是在InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，原理是獲取同一地區(qū)的地表形變發(fā)生前后的兩幅InSAR影像，進行數(shù)據(jù)處理得到形變圖。

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

為了對比分析不同DEM對礦區(qū)沉降監(jiān)測的結(jié)果，實驗過程中分別下載了中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www/gscloud.cn)提供的ASTER GDEM V2和SRTM數(shù)字高程DEM模型。ASTER GDEM V2是覆蓋全球地表高分辨率的DEM模型，其中地面分辨率為30 m，高程精度為20 m。SRTM是由美國國家航空局和國防部國家測繪局聯(lián)合測量得到的DEM模型，其中地面分辨率為90 m，高程精度為16 m。外部DEM示意圖如圖2所示。

圖2 ASTER GDEM V2和SRTM DEM示意圖

2.2 雙軌D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

對獲取的原始DEM數(shù)據(jù)進行重采樣處理，應用到相同的SAR坐標中，使不同的DEM數(shù)據(jù)具有相同的坐標系統(tǒng)和分辨率。ASTER GDEM V2和SRTM DEM重采樣后示意圖如圖3所示。

圖3 重采樣后DEM示意圖

對重采樣后DEM數(shù)據(jù)進行雙軌D-InSAR差分干涉處理，具體流程如圖4所示。

由圖4可以看出，對主影像和輔影像進行精確配準、干涉處理生成干涉圖；主影像和DEM數(shù)據(jù)進行干涉模擬生成干涉模擬圖；然后進行差分干涉處理，對干涉圖中進行濾波處理(Goldstein濾波方法，該方法可以減少由時空基線引起的失相干噪聲，進而獲取清晰度更高的干涉條紋，同時提高了相位解纏的可信度)、相位解纏、將相位解纏相位轉(zhuǎn)換為研究區(qū)的形變量數(shù)據(jù)，再根據(jù)研究區(qū)地理編碼對應至坐標系統(tǒng)中，就可獲得目標區(qū)域地表形變圖，可以更加直觀的看出沉降結(jié)果，如圖5所示。

圖4 雙軌D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

在圖5中，第一行表示的是采用ASTER GDEM V2 DEM數(shù)據(jù)處理過程中得到的效果圖，第二行表示的是采用SRTM DEM數(shù)據(jù)處理過程中得到的效果圖，結(jié)果對比如表1所示。

表1 不同DEM監(jiān)測結(jié)果對比分析/cm

由圖5和表1可知，礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域形成明顯的干涉條紋，說明該區(qū)域有明顯的沉降特征；不同DEM數(shù)據(jù)得到的沉降結(jié)果存在差異性，ASTER GDEM V2和SRTM DEM監(jiān)測到最大沉降量分別是39.8 cm、39.4 cm，總體結(jié)果相當；不同DEM數(shù)據(jù)得到礦區(qū)沉降圖都具備沉降連續(xù)、無明顯散亂的斑點特征，表明實驗過程中采用ASTER GDEM V2和SRTM DEM數(shù)據(jù)進行雙軌D-InSAR差分干涉處理得到的沉降結(jié)果是可靠的；部分礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域發(fā)生 “抬升”現(xiàn)象，分析其原因可能是礦區(qū)的開采導致地殼的運動，ASTER GDEM V2和SRTM DEM監(jiān)測到最大“抬升”量分別是4.2 cm、4.5 cm。

圖5 雙軌D-InSAR差分干涉處理結(jié)果

2.3 不同DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測與水準監(jiān)測結(jié)果對比分析

為了進一步評估不同DEM數(shù)據(jù)對礦區(qū)沉降監(jiān)測的結(jié)果，采用不同DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測與水準監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如表2和圖6所示。

表2 DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測與水準監(jiān)測結(jié)果對比分析表/cm

圖6 礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測與水準監(jiān)測結(jié)果對比分析圖

由表2和圖6可以看出，ASTER GDEM V2和SRTM DEM數(shù)據(jù)對礦區(qū)的沉降監(jiān)測結(jié)果和傳統(tǒng)水準測量監(jiān)測結(jié)果基本一致，都表現(xiàn)為沉降中心向兩側(cè)邊緣逐漸減小的趨勢，呈明顯“漏斗”狀；水準監(jiān)測中最大沉降量表現(xiàn)在點號13～16上，兩種DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測在此時也表現(xiàn)為最大沉降量；在水準監(jiān)測中，7號水準點的監(jiān)測結(jié)果與兩種DEM數(shù)據(jù)監(jiān)測表現(xiàn)出較大的差異，分別為12.1 cm、10.9 cm，分析其原因可能是數(shù)據(jù)質(zhì)量、大氣延遲、處理過程等誤差造成的；總體而言，兩種DEM數(shù)據(jù)對礦區(qū)的沉降監(jiān)測的沉降量都大于水準監(jiān)測的沉降量。

3 結(jié) 語

本文對比分析了不同外部參考DEM對礦區(qū)沉降監(jiān)測的精度分析，實驗結(jié)果表明：(1)ASTER GDEM V2和SRTM DEM對礦區(qū)沉降監(jiān)測結(jié)果總體相當；(2)部分礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域發(fā)生 “抬升”現(xiàn)象；(3)不同DEM數(shù)據(jù)對礦區(qū)的沉降監(jiān)測結(jié)果和傳統(tǒng)水準測量監(jiān)測結(jié)果進行對比，沉降監(jiān)測結(jié)果基本一致。通過實驗驗證了雙軌D-InSAR對礦區(qū)進行沉降監(jiān)測的可靠性，驗證了不同DEM數(shù)據(jù)對監(jiān)測結(jié)果的影響，通過雙軌D-InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)沉降監(jiān)測結(jié)果可以為該礦區(qū)后續(xù)合理合法開采、綜合管理提供一定的理論依據(jù)和參考價值。