基于StaMPS方法的大壩形變監(jiān)測(cè)可行性研究

黃 靜，張紅忠，崔 龍，阿布都沙拉木·托爾遜，王文衡，馬立平

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；3.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)是近半個(gè)世紀(jì)發(fā)展起來的定量微波遙感技術(shù)[1]，隨著各國(guó)SAR衛(wèi)星的相繼升空，SAR影像數(shù)據(jù)獲取的途徑越來越便捷和多樣化，覆蓋全球不同時(shí)空分辨率的SAR影像數(shù)據(jù)為該技術(shù)的不斷發(fā)展和完善提供基本保障，近些年，時(shí)序InSAR技術(shù)以mm級(jí)的形變監(jiān)測(cè)精度優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于城市地面沉降監(jiān)測(cè)、礦山沉陷監(jiān)測(cè)、人工建筑物形變監(jiān)測(cè)及滑坡監(jiān)測(cè)等方面。

2011年，王騰等利用QPS技術(shù)獲得了壩區(qū)形變結(jié)果，并分析三峽大壩運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性問題及其周邊區(qū)域的形變規(guī)律[2]；2012年，Voege等利用SBAS方法對(duì)挪威斯瓦特湖壩形變監(jiān)測(cè)，探測(cè)到壩體的局部形變情況[3]； 2013年，裴媛媛等利用改進(jìn)的PS技術(shù)得到長(zhǎng)江口南岸和杭州灣北側(cè)堤壩的平均沉降速率，并與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，形變監(jiān)測(cè)結(jié)果中誤差為4.5 mm[4]；2019年，肖儒雅等利用改進(jìn)的PS方法對(duì)廣南水庫進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證時(shí)序InSAR分析方法對(duì)水庫庫區(qū)、大壩、防潮堤等水工建筑物進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的有效性[5]。

水庫大壩在施工、蓄水以及建成投入使用期間，不可避免的會(huì)發(fā)生形變，形變監(jiān)測(cè)是水庫大壩安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和重要組成，現(xiàn)階段水庫形變監(jiān)測(cè)多是在大壩的重點(diǎn)部位，或壩區(qū)的重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并且監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)成本高，只能以點(diǎn)代面的方式來整體評(píng)價(jià)水庫大壩安全運(yùn)行情況，難免遺漏重大的安全隱患，另外，大壩壩區(qū)及周邊的地表形變也會(huì)對(duì)大壩安全運(yùn)行存在潛在影響。采用時(shí)序InSAR技術(shù)對(duì)水庫大壩及周邊進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，可有效解決大壩傳統(tǒng)形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度、頻次較低等問題。

文中以新疆WLL水庫大壩為研究對(duì)象，選用歐洲航天局Sentinel-1A免費(fèi)影像數(shù)據(jù)，借助開源軟件SNAP和StaMPS(Stanford Method for Permanent Scatterers )，采用StaMPS方法對(duì)其進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行內(nèi)、外符合精度的驗(yàn)證，以此為依據(jù)來驗(yàn)證StaMPS方法在該水庫大壩形變監(jiān)測(cè)的可行性。

1 研究方法與研究區(qū)域概況

1.1 研究方法

2000年， Ferretti等提出了PSInSAR技術(shù)(Permanent Scatterers，PS)[6]；2002年Berardino等提出了一種與PSInSAR不同策略的時(shí)序InSAR技術(shù)(Small Baseline Subsets，SBAS)[7]；2004年Hopper等人對(duì)PSInSAR技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，提出了StaMPS方法[8]。StaMPS方法是在PSInSAR技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要表現(xiàn)在PS點(diǎn)精確選取和相位解纏的策略方面;Ferretti等人研究表明：高信噪比條件下，SAR影像噪聲近似服從高斯分布，像元相位標(biāo)準(zhǔn)差可由振幅標(biāo)準(zhǔn)差來衡量，同名像元振幅穩(wěn)定性由振幅離差指數(shù)來定義[6]，但在實(shí)際應(yīng)用中，SAR影像信噪比較低的區(qū)域，不完全服從高斯分布，而這些點(diǎn)也可能有著較為穩(wěn)定的相位值，即PS點(diǎn)。如何在相對(duì)較低信噪比區(qū)域選擇數(shù)量足夠、真正的PS點(diǎn)是StaMPS方法的關(guān)鍵。Hopper等[8]利用SAR影像干涉相位各分量呈現(xiàn)的空間相關(guān)性特點(diǎn)，定義表征像元噪聲的指標(biāo)[6]作為像元相位穩(wěn)定性的又一度量標(biāo)準(zhǔn)，首先利用振幅離差指數(shù)設(shè)置閾值初選PS候選點(diǎn)，然后在初選PS點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置該指標(biāo)的均方根收斂閾值最終選擇真正的PS點(diǎn)。StaMPS方法的相位解纏采用時(shí)間上一維解纏和空間上二維解纏的三維解纏方法，并通過計(jì)算空間相關(guān)視角誤差、空間不相關(guān)視角誤差，并加以去除，重復(fù)解纏步驟來提高其精度。

1.2 研究區(qū)概況

新疆WLL水庫位于新疆中部地區(qū)，位于博格達(dá)山北麓和準(zhǔn)噶爾盆地南緣的沖積平原上，是典型的平原水庫，平均海拔495 m，平均坡度為±2%左右，大壩2 km范圍左右地物分布主要以戈壁、農(nóng)田為主， 5 km范圍地物分布主要以戈壁、農(nóng)田、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)為主。其中，大壩、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)屬于高相干區(qū)；戈壁、農(nóng)田屬于中、低相干區(qū)。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際干涉條件，選擇適用于信噪比較低區(qū)域提取PS點(diǎn)的StaMPS方法對(duì)大壩進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，以此保證PS提取的密度和準(zhǔn)確度，進(jìn)一步確保大壩及周邊區(qū)域的形變監(jiān)測(cè)精度。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，收集了2014年10月20日至2018年9月5日時(shí)段的Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，為避免受到積雪覆蓋影響，每年12月至第二年3月期間影像不參與計(jì)算，其他時(shí)段保持每月1期，實(shí)際參與計(jì)算的影像共計(jì)31期。計(jì)算輔助數(shù)據(jù)主要有：

1)DEM數(shù)據(jù)采用分辨率為30 m的日本ALOS World3D全球數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。研究區(qū)DEM如圖1所示，紅色框?yàn)楸狙芯繀^(qū)域范圍。

圖1 研究區(qū)DEM圖

2)精軌數(shù)據(jù)采用ESA (European Space Agency)發(fā)布的POD( Precise Orbit Ephemerides)精密定軌星歷數(shù)據(jù)，定位精度優(yōu)于5 cm。

3)外部大氣數(shù)據(jù)采用李振洪等人開發(fā)的GACOS(Generic Atmospheric Correction Online Service)軟件獲取研究區(qū)影像同時(shí)段大氣對(duì)流層延遲相位進(jìn)行大氣校正[9]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

選用SNAP8.0和StaMPS-4.1-beta兩款開源軟件對(duì)本研究區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先利用SNAP8.0對(duì)研究區(qū)SAR影像進(jìn)行干涉處理，然后利用StaMPS-4.1-beta對(duì)干涉結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列分析。圖2為利用這兩款軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的流程。

圖2 SNAP-StaMPS數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 SNAP干涉處理

經(jīng)過軌道校正、配準(zhǔn)等預(yù)處理，選用2016年9月27日為主影像進(jìn)行差分處理，得到30對(duì)差分干涉圖，并進(jìn)行去平和去地形操作，輸出最終的干涉結(jié)果，直接作為StaMPS軟件中進(jìn)行時(shí)序分析的數(shù)據(jù)源。

2.2.2 StaMPS時(shí)序InSAR處理

1)PS點(diǎn)的選擇。首先，設(shè)置振幅離差指數(shù)閾值選擇PS候選點(diǎn)，根據(jù)研究區(qū)相干條件，設(shè)置閾值為0.4，保證PS候選點(diǎn)的數(shù)量；其次，設(shè)置表征像元噪聲指標(biāo)的均方根閾值為0.005，進(jìn)行迭代運(yùn)算，估計(jì)每個(gè)候選點(diǎn)的相位噪聲特性，以此進(jìn)行PS點(diǎn)的選擇，為了在低相干區(qū)域保持最少的PS點(diǎn)[10]，設(shè)置每km2最大允許的隨機(jī)(偽PS)點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)，并通過設(shè)置每個(gè)PS點(diǎn)相位噪聲相對(duì)于所有鄰近像素的最大允許標(biāo)準(zhǔn)偏差閾值為1.0來剔除偽PS點(diǎn)，達(dá)到PS點(diǎn)的精選，最后探測(cè)出59 351個(gè)PS點(diǎn)。

2)空間不相關(guān)視角誤差和對(duì)流層延遲誤差去除。計(jì)算最終選取的PS點(diǎn)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，并以此為權(quán)重對(duì)PS點(diǎn)纏繞相位中的空間不相關(guān)視角誤差(Spatially-Uncorrelated Look Angle error，SULA)進(jìn)行去除，同時(shí)利用GACOS外部大氣數(shù)據(jù)，去除對(duì)流層延遲誤差，提高相位解纏精度。

3)相位解纏。首先針對(duì)PS點(diǎn)的纏繞相位進(jìn)行第一次解纏，其次，去除空間相關(guān)的視角誤差相位(Spatially-Correlated Look Angle error，SCLA)，估算并去除主影像的大氣延遲相位和軌道誤差相位(即AOE相位)，然后做第二次相位解纏(可以手動(dòng)查看每個(gè)干涉圖的相位解纏結(jié)果，并剔除解纏錯(cuò)誤的干涉圖，解纏錯(cuò)誤表現(xiàn)在時(shí)間上不相關(guān)的空間相位跳躍)。最后對(duì)解纏后的相位濾除其他空間相關(guān)的誤差。經(jīng)過以上處理最終得到研究區(qū)的時(shí)序InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，形變速率如圖3所示。

圖3 研究區(qū)2014—2018形變速率圖

3 時(shí)序InSAR結(jié)果精度分析

時(shí)序InSAR計(jì)算精度可從內(nèi)符合精度及外符合精度兩方面進(jìn)行驗(yàn)證[11]。為了驗(yàn)證StaMPS方法在新疆WLL水庫形變監(jiān)測(cè)的可行性，內(nèi)部符合精度分別從模型誤差和不同時(shí)序InSAR算法結(jié)果對(duì)比兩種方式驗(yàn)證[12-13]；外符合精度采用大壩二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果來驗(yàn)證。

3.1 內(nèi)符合精度驗(yàn)證

3.1.1 模型誤差

利用年平均線性速率標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)價(jià)PS點(diǎn)形變結(jié)果精度，標(biāo)準(zhǔn)差越大區(qū)域表示具有較大的計(jì)算誤差或發(fā)生了非線性形變。本研究區(qū)PS點(diǎn)平均線性形變速率標(biāo)準(zhǔn)差分布如圖4所示，研究區(qū)PS點(diǎn)平均形變速率標(biāo)準(zhǔn)差分布在0.3～3.1 mm/a，標(biāo)準(zhǔn)差較大區(qū)域主要分布在相干性較低的農(nóng)田區(qū)域。

圖4 研究區(qū)PS點(diǎn)平均形變速率標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

3.1.2 不同時(shí)序InSAR方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較

利用23期SAR影像數(shù)據(jù)，采用SBAS技術(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。對(duì)兩種方法獲得的同時(shí)段、同范圍的年變速率結(jié)果進(jìn)行比較：首先將StaMPS計(jì)算的PS點(diǎn)年變速率結(jié)果進(jìn)行反距離插值處理，并與SBAS年變速率圖進(jìn)行求差處理，共計(jì)37 916個(gè)像元，其次，按照同精度觀測(cè)計(jì)算年變速率中誤差，其結(jié)果為±5.7 mm。如圖5所示，StaMPS與SBAS年變速率差值絕大部分集中在0～10 mm，據(jù)統(tǒng)計(jì)，年變速率差值在0～5 mm的像素?cái)?shù)為22 330個(gè)，占總像素?cái)?shù)的59%，年變速率差值在5～10 mm的像素?cái)?shù)為13 666個(gè)，占總像素?cái)?shù)的36%。

圖5 StaMPS與SBAS年變速率差值圖

3.2 外符合精度驗(yàn)證

新疆WLL水庫形狀為封閉四邊形，分東、西、南、中4個(gè)壩段，大壩全長(zhǎng)為17.7 km，二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在東、西、中3個(gè)壩段，監(jiān)測(cè)頻次為2次/a，與StaMPS形變監(jiān)測(cè)時(shí)段基本對(duì)應(yīng)的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)成果共8期。

將獲得的大壩PS點(diǎn)形變結(jié)果從雷達(dá)視線方向轉(zhuǎn)換到垂直方向與大壩二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，以此檢驗(yàn)StaMPS形變監(jiān)測(cè)的精度。選擇與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離最近的PS點(diǎn)(最大不超過40 m)，共24個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)，如圖6所示。

圖6 24個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)位置分布圖

3.2.1 垂直形變速率對(duì)比

利用大壩二等水準(zhǔn)8期(2014年10月—2018年4月)累計(jì)沉降結(jié)果計(jì)算年變速率，按照高精度觀測(cè)計(jì)算年變速率中誤差，其結(jié)果為±5.0 mm，其年變速率對(duì)比表如表1所示。

表1 ps與水準(zhǔn)垂直形變速率對(duì)比表 mm·a-1

3.2.2 時(shí)間序列累積垂直形變量對(duì)比

由于StaMPS形變監(jiān)測(cè)結(jié)果第一期(2014年10月)形變量為0，根據(jù)同期原則，利用水準(zhǔn)時(shí)序時(shí)間(精確到月)提取PS累積垂直形變量，共獲得7期同期對(duì)比數(shù)據(jù)，計(jì)算24對(duì)檢驗(yàn)點(diǎn)的7期累計(jì)垂直形變量差值，并最終計(jì)算PS時(shí)序累計(jì)垂直形變量的中誤差，其結(jié)果為±10.2 mm。圖7和圖8分別為累計(jì)形變量平均差值最小和最大檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)累積垂直形變量對(duì)比圖。

圖7 Z331-28791點(diǎn)對(duì)累計(jì)垂直形變量對(duì)比

圖8 Z235-28595點(diǎn)對(duì)累計(jì)垂直形變量對(duì)比

4 結(jié)束語

文中根據(jù)研究區(qū)實(shí)際干涉條件，選擇適用于信噪比較低區(qū)域提取PS點(diǎn)的StaMPS方法進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，詳述了基于開源軟件SNAP和StaMPS進(jìn)行時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)處理的步驟，在PS點(diǎn)的選取方面，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)閾值，在確保PS點(diǎn)數(shù)量的基礎(chǔ)上，最大限度剔除偽PS點(diǎn)；在去除大氣延遲誤差方面，選用外部大氣數(shù)據(jù)去除研究區(qū)對(duì)流層延遲誤差，提高模型計(jì)算精度。

利用內(nèi)、外符合精度驗(yàn)證PS點(diǎn)形變結(jié)果精度，證明StaMPS方法在新疆WLL水庫大壩形變監(jiān)測(cè)的可行性。從SBAS和大壩二等水準(zhǔn)兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證，形變速率中誤差量值基本相當(dāng)，分別為±5.7 mm、±5.0 mm，證明研究區(qū)形變速率監(jiān)測(cè)精度較高。與二等水準(zhǔn)累積垂直形變量相比較，其中誤差為±10.2 mm，約為形變速率中誤差的兩倍，時(shí)序累積形變量監(jiān)測(cè)精度低于形變速率，主要因?yàn)槭躍AR影像分辨率、檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)位置、時(shí)間、垂直形變量轉(zhuǎn)換等因素的影響。如何有效評(píng)定形變監(jiān)測(cè)結(jié)果精度，將成為未來時(shí)序InSAR研究的一個(gè)方向。