PS選擇策略及在京津高鐵沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

丁尚起,楊魁,陳楚,崔龍

(1.天津市濱海新區(qū)塘沽水資源管理中心,天津 300450； 2.天津市遙感中心,天津 300381；3.天津市測(cè)繪院,天津 300381； 4.天津市東麗區(qū)規(guī)劃分局,天津 300300)

PS選擇策略及在京津高鐵沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

丁尚起1?,楊魁2,3,陳楚2,3,崔龍4

(1.天津市濱海新區(qū)塘沽水資源管理中心,天津 300450； 2.天津市遙感中心,天津 300381；3.天津市測(cè)繪院,天津 300381； 4.天津市東麗區(qū)規(guī)劃分局,天津 300300)

針對(duì)InSAR技術(shù)在城市重大工程中的應(yīng)用，提出了一種提取PS(永久散射體)的優(yōu)化策略。通過(guò)綜合采用幅度相干性、點(diǎn)目標(biāo)提取方法來(lái)獲取高密度、高精度的PS。在此基礎(chǔ)上，對(duì)PS點(diǎn)的空間分布性進(jìn)行深入分析，并采用克里金插值彌補(bǔ)分布不足。本文以京津城際數(shù)據(jù)為例，從區(qū)域和線(xiàn)性工程兩個(gè)角度對(duì)上述方法進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證本文PS選擇策略和插值方法的有效性。

永久散射體；克里金插值；線(xiàn)性工程；城市沉降

1 介 紹

從H.A.Zebker等人提出D-InSAR技術(shù)獲取地面沉降[1]到現(xiàn)在的20年時(shí)間內(nèi),InSAR取得了較大的進(jìn)展,并逐步走向工程化應(yīng)用。特別是1999年前后,意大利米蘭理工大學(xué)在D-InSAR的基礎(chǔ)上提出的PS (Permanent Scatter-永久散射體)技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。PS(永久散射體)通常指不受時(shí)間、空間基線(xiàn)去相關(guān)和大氣變化影響的點(diǎn)目標(biāo),它被視為觀測(cè)對(duì)象,基于反映地表形變特征的先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)提取相應(yīng)的形變信息。該技術(shù)有效地解決了D-In-SAR技術(shù)中時(shí)間、空間去相關(guān)和大氣效應(yīng)等限制測(cè)量精度的問(wèn)題,達(dá)到了獲得毫米級(jí)地表形變信息的能力[2]。但是該技術(shù)通常情況下要求采用多景影像(〉30景)來(lái)獲取相干性高的PS點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)分析[3],間接導(dǎo)致沉降監(jiān)測(cè)成本增高,影響其在工程化中的應(yīng)用。

本文從InSAR在城市工程化應(yīng)用的角度出發(fā),提出了在少量數(shù)據(jù)集的情況下,綜合采用幅度相干性和點(diǎn)目標(biāo)提取準(zhǔn)則來(lái)獲取高密度的PS點(diǎn)。對(duì)PS點(diǎn)的空間分布性進(jìn)行分析,提出克里金插值這種在地學(xué)統(tǒng)計(jì)中常用的方法來(lái)彌補(bǔ)其不足。并以京津城際在天津北辰區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,從區(qū)域沉降分析和線(xiàn)性工程分析角度驗(yàn)證了該P(yáng)S點(diǎn)提取方法的有效性。

2 PS點(diǎn)選擇方法研究

PS點(diǎn)密度對(duì)相位解纏和大氣估計(jì)有著較大的影響。A.Ferretti文獻(xiàn)中提出最少需要達(dá)到3個(gè)點(diǎn)/ km2[3]。隨著分辨率的提高,PS點(diǎn)的密度也得到提高,但是PS點(diǎn)的空間分布存在不均勻性。在城市密集區(qū)密度較大,可以達(dá)到1 500個(gè)/km2～2 000個(gè)/km2；而對(duì)于失相干嚴(yán)重的植被密集區(qū),密度為0個(gè)/km2～10個(gè)/km2。對(duì)于線(xiàn)性工程而言,經(jīng)過(guò)區(qū)域既有人口密集的城市地區(qū),又有人口稀少的郊區(qū)和農(nóng)村。為了有效地對(duì)線(xiàn)性工程進(jìn)行沿線(xiàn)分析,本文綜合提出一種綜合幅度相干性和點(diǎn)目標(biāo)提取的PS點(diǎn)選擇策略,來(lái)獲取高質(zhì)量、高密度的PS點(diǎn)。

2.1 幅度離差閾值法

作為PS提取技術(shù)中的經(jīng)典方法,它主要用于大數(shù)據(jù)量的雷達(dá)影像下的PS的提取。其主要思想是基于振幅偏離差和相位偏離差來(lái)從統(tǒng)計(jì)意義上反映目標(biāo)在不同監(jiān)測(cè)時(shí)間的差異。對(duì)經(jīng)過(guò)定標(biāo)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù),以后向散射強(qiáng)度均差和方差的比作為測(cè)度,選擇大于指定閾值的目標(biāo)為相干目標(biāo)[4]。該方法簡(jiǎn)潔高效,有效反映目標(biāo)的時(shí)間序列特征。但是該方法也存在著容易引入水體、陰影等在長(zhǎng)時(shí)間保持不變的錯(cuò)誤點(diǎn),且要求數(shù)據(jù)量大。

2.2 點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)法

一個(gè)雷達(dá)分辨單元可以分為點(diǎn)目標(biāo)和分布式目標(biāo),其中點(diǎn)目標(biāo)在雷達(dá)回波信號(hào)獲取時(shí)間內(nèi)保持幾乎恒定的雷達(dá)響應(yīng),相位特征也表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定,可以當(dāng)作PS。將SAR影像生成子孔徑圖像,并確定其光譜相關(guān)性,依據(jù)子視相關(guān)理論來(lái)提取出高相關(guān)程度的點(diǎn)目標(biāo)[5]。該方法適用于單SAR影像的點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè),也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)集的PS監(jiān)測(cè)中,物理意義明確。但是該方法在表現(xiàn)出時(shí)間序列上穩(wěn)定的特征存在不足。

2.3 PS聯(lián)合提取策略

針對(duì)以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),本文根據(jù)應(yīng)用的需要提出PS的聯(lián)合提取策略。首先基于幅度離差閾值法,通過(guò)確定合適的閾值來(lái)選擇時(shí)間序列上的變化小的PS,以減少時(shí)間失相干對(duì)后續(xù)InSAR的影響,并同時(shí)采用幅度閾值來(lái)剔除水體等低相干點(diǎn)；其次基于點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)方法選擇高亮度的點(diǎn)目標(biāo),減少空間失相干的影響,以在短數(shù)據(jù)集的情況下獲取足夠的高質(zhì)量PS點(diǎn)；在獲取這些PS點(diǎn)的基礎(chǔ)上基于時(shí)空二維回歸模型進(jìn)行相位解纏和相位分析,依據(jù)每個(gè)PS點(diǎn)的模型系數(shù)來(lái)剔除偏差較大的錯(cuò)誤點(diǎn),從而最終獲取高密度、高質(zhì)量的PS點(diǎn)。

3 成果和分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于京津城際鐵路所經(jīng)過(guò)的天津市的北辰區(qū)內(nèi)。該區(qū)域位于中國(guó)地殼強(qiáng)烈下沉地區(qū)、工業(yè)發(fā)展較快導(dǎo)致地下水開(kāi)采現(xiàn)象嚴(yán)重,使得該區(qū)域的沉降現(xiàn)象嚴(yán)重。基于Infoterra提供的TerraSAR-X數(shù)據(jù)集,通過(guò)選擇高密度的PS點(diǎn)、并采用逐步改進(jìn)的處理策略來(lái)獲取圖1所示的30 km2×50 km2的影像范圍的沉降現(xiàn)象。并截取大小為13 km2×15 km2進(jìn)行京津沿線(xiàn)的區(qū)域分析和線(xiàn)性分析。圖2為其范圍圖,京津城際鐵路從中穿叉而過(guò)。經(jīng)過(guò)鎮(zhèn)主要有雙口鎮(zhèn)、北倉(cāng)鎮(zhèn)、雙街鎮(zhèn)、大張莊鎮(zhèn)、黃莊街以及下朱莊街等。

圖1 TerraSAR-X影像覆蓋區(qū)域 圖2 京津城際覆蓋區(qū)域

3.2 區(qū)域沉降分析

圖2所示區(qū)域的PS點(diǎn)的分布情況如圖3所示。該區(qū)域內(nèi)有449 000個(gè)PS點(diǎn),平均密度約為2 000個(gè)/km2。然而它的空間分布并不均勻,在1處的建成區(qū)由于基礎(chǔ)設(shè)施齊全PS點(diǎn)密度十分大,達(dá)到3 000個(gè)/km2以上,而在2處的農(nóng)田區(qū)則由于失相干的影響PS點(diǎn)密度較少,約為0個(gè)/km2～100個(gè)/km2。

圖2所示區(qū)域的年均沉降速率圖如圖4所示,沉降速率從0 mm/a～80 mm/a,即該區(qū)域的最大沉降為80 mm/a。紅色所示區(qū)域表示沉降較大的區(qū)域,藍(lán)色所示區(qū)域表示沉降較小的區(qū)域。中部雙街鎮(zhèn)的沉降情況最嚴(yán)重,表現(xiàn)為一個(gè)明顯的漏斗區(qū)域；北部地區(qū)沉降較小,相對(duì)比較穩(wěn)定。

圖3 京津城際區(qū)域PS點(diǎn)分布圖 圖4 年沉降速率圖

由PS的分布可知,即使采用高分辨率的TerraSAR影像進(jìn)行PSI分析可以獲取大量的PS點(diǎn),但是卻存在較大的空間不足,需要采用合理的空間插值方法來(lái)有效反映整個(gè)區(qū)域的沉降情況。本文針對(duì)地面沉降區(qū)域變化存在空間相關(guān)性的特點(diǎn),采用克里格插值方法,基于區(qū)域內(nèi)已有PS點(diǎn)的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)無(wú)PS點(diǎn)處進(jìn)行線(xiàn)性無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)[6],從而達(dá)到量化已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降間的空間自相關(guān)性,并有效反映區(qū)域范圍內(nèi)的沉降情況。克里格插值后的沉降速率圖如圖5所示。1處的雙街鎮(zhèn)和2處的雙口鎮(zhèn)表現(xiàn)出明顯的漏斗現(xiàn)象。1處的雙漏斗現(xiàn)象尤其突出。

圖5 插值后的年均沉降速率圖 圖6 京津城際沿線(xiàn)PS點(diǎn)分布圖

因此基于年均沉降速率的插值前后成果的可視化效果,均可以有效反映出京津城際鐵路區(qū)域內(nèi)的沉降情況,尤其是克里金插值后的成果展示的漏斗現(xiàn)象直接有效。從而有利于從整體分析研究區(qū)域的沉降規(guī)律和原因,以便及時(shí)采取有效措施。

3.3 線(xiàn)性工程的沉降分析

采用InSAR技術(shù)進(jìn)行線(xiàn)性工程的監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)線(xiàn)性工程全線(xiàn)的地面穩(wěn)定性。本節(jié)以測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的20 km長(zhǎng)的京津城際鐵路為例進(jìn)行分段分析。

以京津城際鐵路為中心線(xiàn)獲取沿線(xiàn)200 m范圍內(nèi)的PS點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性工程的分析,PS點(diǎn)的分布如圖6所示,在不同的沉降段表現(xiàn)出不同的分布特點(diǎn)。截取紅色范圍區(qū)域進(jìn)行PS點(diǎn)的密度分析。圖7(a)為在農(nóng)村區(qū)域PS點(diǎn)稀少的情況下,高鐵本身呈現(xiàn)為點(diǎn)目標(biāo)；圖7(b)所示為建筑物密集區(qū)環(huán)境下的,高鐵周?chē)鶳S點(diǎn)較多；圖7(c)南北向的高鐵并沒(méi)有監(jiān)測(cè)到PS點(diǎn)。線(xiàn)性工程會(huì)表現(xiàn)出點(diǎn)目標(biāo)的特性。在本文所采用的PS點(diǎn)提取方法中,已經(jīng)充分考慮到線(xiàn)性工程會(huì)表現(xiàn)出點(diǎn)目標(biāo)的特性,因此如圖6、7(a)和7(b)所示,京津高鐵PS點(diǎn)較多。但是PS點(diǎn)的隨機(jī)性較大,與入射方向、目標(biāo)特性都有著較大的關(guān)系,因此在7(c)中高鐵上沒(méi)有有效的PS點(diǎn)來(lái)分析該段的沉降現(xiàn)象,需要基于周?chē)牡匚镞M(jìn)行插值分析。

圖7 京津城際沿線(xiàn)PS點(diǎn)分布放大圖

圖6 所示京津城際鐵路沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)克里格插值后的年均沉降速率圖如8所示,沉降速率從0 mm/a～80 mm/a。按照沉降大小,京津城際沿線(xiàn)從北到南可以分為三段,分別為慢速沉降段A、快速沉降段B、中速沉降段C。慢速沉降段A主要包括下朱莊街等地區(qū),長(zhǎng)度7 km,該段基本穩(wěn)定,平均沉降速率在20 mm/a；快速沉降段B主要包括雙街鎮(zhèn)和北倉(cāng)鎮(zhèn)部分地區(qū),長(zhǎng)度7 km,該段沉降量較大,平均沉降速率在46 mm/a,中速沉降帶C主要位于北倉(cāng)鎮(zhèn),長(zhǎng)度4 km,該段平均沉降速率在29 mm/a。對(duì)京津城際鐵路沿線(xiàn)的沉降情況進(jìn)行分析,可以得到京津沿線(xiàn)區(qū)域村莊較大的不均勻沉降。

圖8 京津城際沿線(xiàn)插值后的沉降速率圖

4 總 結(jié)

本文主要針對(duì)SAR影像集數(shù)量較少情況下PS點(diǎn)提取方面存在的問(wèn)題,提出一種強(qiáng)幅度相干性、高空間光譜相干性和時(shí)空二維回歸模型相結(jié)合的逐步改善的PS點(diǎn)選擇策略。其次對(duì)PS點(diǎn)的空間隨機(jī)性從區(qū)域和沿線(xiàn)兩個(gè)方面的空間分布的隨機(jī)性進(jìn)行詳細(xì)分析,提出采用克里格插值來(lái)彌補(bǔ)PS分布的不均勻性,已有效監(jiān)測(cè)到區(qū)域的沉降漏斗和線(xiàn)性工程的不均勻沉降等現(xiàn)象,并利用京津城際鐵路的InSAR監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行深入地分析。

[1] A.K.Gabriel，R.M.Goldstein，H.A.Zebker，Mapping small elevation changes over large areas：differential radar interferometry[J].Journal of Geophysical Research：Solid Earth，1989，94(7)，9183～9191.

[2] Ferretti A，PratiC，Rocca F.Nonlinear Subsidence Rate Esitimation Using Permanent Scatterers in Differential SAR Interferometry[J].2001，38(5)，2202～2212.

[3] A.Ferretti，C.Prati，and F.Rocca，Permanent scatterers in SAR interferometry[C].IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing，2000，38，2202～2212.

[4] 范洪冬.InSAR若干關(guān)鍵算法及其在地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 盧麗君.基于時(shí)序SAR影像的地表形變監(jiān)測(cè)方法及其應(yīng)用[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[6] 湯國(guó)安.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科技出版社，2006：164～170.

The Study of PS Selection Strategy and its Application in the Subsidence M onitoring of Jingjin Railway

Ding Shangqi1,Yang Kui2,3,Chen Chu2,3,Cui Long4
(1.Tanggu Water Resources Mangement Center,Tianjin 300450,China；2.Tianjin Remote Sensing Center,Tianjin 300381,China；3.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China； 4.Dongli Planning Bureau,Tianjin 300300,China)

In this paper,an advanced strategy for the generation of Permanent Scatter is presented to be used in urban project.The pixel candidates with high density are selected from those presenting low temporal variability of the backscattering or low spectral diversity.Later on,the spatial distribution of the candidates is analyzed,and the Kriging interpolation is advanced as a complementarity.The selection and interpolation techniques have been tested with Jing-jin high-speed railway from region to linear project.

permanent scatter；kriging interpolation；linear project；urban subsidence

1672-8262(2013)06-147-04

P234.4，P258

A

2013—05—02

丁尚起(1971—),男,高級(jí)工程師,主要從事水資源管理、控制地面沉降及水文監(jiān)測(cè)工作。

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201311045)