InSAR地面沉降監測精度分析與評價

汪寶存，遠順立，王繼華，郭凌飛，王文杰，焦學軍

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，鄭州450006；2.河南省地質勘查信息化工程技術研究中心，鄭州450006；3.河南省地質環境監測院，鄭州450006）

InSAR地面沉降監測精度分析與評價

汪寶存1，2，遠順立1，2，王繼華3，郭凌飛1，2，王文杰1，2，焦學軍1，2

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，鄭州450006；2.河南省地質勘查信息化工程技術研究中心，鄭州450006；3.河南省地質環境監測院，鄭州450006）

針對InSAR地面沉降監測精度所受到的質疑，以鄭州市為研究區，該文提出了在SAR衛星過境獲取圖像的同時開展水準測量，通過開展地面沉降星地同步觀測實驗，即利用水準觀測結果對InSAR地面沉降監測的精度進行了對比分析與評價。分別于2012年11月、2013年6月、8月，開展了3次同步觀測實驗，獲取了InSAR與同步的水準監測數據，通過統一參考基準，糾正了InSAR、水準兩種測量方法測量結果出現的整體偏差；統一參考基準后，最臨近距離的平均誤差在±1.9mm～4.8mm之間，中誤差在±2.3mm～5.6mm之間，采用克里金插值法的平均誤差在±1.5mm～3.8mm之間，中誤差在±1.9mm～4.6mm之間。結果表明InSAR地面沉降監測具有較高的測量精度。

InSAR；同步觀測；精度；地面沉降；最鄰近距離；克里金插值

0 引 言

合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）已在北京、上海、天津、南京、蘇州、華北平原、長江三角洲等城市和地區的地面沉降監測得到了較好的應用，取得了很大的成功。在取得這些成績的同時，InSAR地面沉降監測的精度卻仍然受到廣泛的質疑，這在一定程度上阻礙了InSAR技術推廣和應用。

近年來，武漢大學的李振洪［1］、廖明生［2］、中科院遙感應用研究所的湯益先［3］、西南交通大學的陳強［4］、長安大學的趙超英［5］、中國地震局地殼應力研究所的劉志敏［6］、西南交通大學的賈洪果［7］、中國地質大學的楊紅磊［8］、葛大慶［9］、山東科技大學的余景波［10］以及國外的Berardino P［11－12］等均對InSAR的監測精度進行了評價，本文以鄭州市為研究區，采用水準與InSAR同步觀測的方式，開展地面沉降星地同步觀測實驗，即在合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）衛星過境獲取圖像的同時開展水準測量，分別以4個時間段的沉降量對InSAR地面沉降監測精度進行分析與評價。

1 研究思路

由于水準測量、InSAR測量分別屬于兩種不同的測量系統，水準測量無法與InSAR測量結果進行直接的對比。為此首先開展地面沉降水準測量、InSAR沉降監測工作，獲取測量數據，然后對測量數據進行時間、空間基準統一，利用最鄰近距離、克里金插值法提取水準監測點對應InSAR測量值，利用線性回歸實現水準及InSAR兩種測量系統參考基準的統一，最后對InSAR測量精度進行分析與評價。

2 監測數據的獲取及預處理

2.1 InSAR地面沉降監測

訂購3mTerraSAR－X數據，數據獲取時間為2012年9月1日～2013年9月9日，將獲取的17景圖像，組成了26個干涉對（圖1），采用SRTM3 DEM去除地形相位。采用振幅離差閾值和相干系數閾值雙閾值方法識別永久散射體，閾值分別設為0.25和0.4，識別的永久散射點主要分布在人工建筑和裸露的地表。對識別Ps點集進行二軌差分得到每個點的差分干涉相位，選擇研究區內中部一個相對穩定并且后向散射強的一個點作為參考點，為了保證該點的可靠性，以該點9×9大小窗口的的相位均值為參考相位，對差分干涉相位進行時空域相位解纏，得到初始形變速率和高程改正量，對殘差相位進行空間域濾波，濾波窗口為50×50，得到大氣延遲相位。利用高程改正量糾正初始SRTM3 DEM后，聯合大氣延遲相位重新進行二軌差分干涉，接著再次進行時空域相位解纏，得到正確的形變量相位值。最后解纏后的相位采用SVD分解獲得時序形變信息。

圖1 干涉對分布圖

2.2 地面沉降水準監測

地面沉降水準監測采用二等水準測量作業方式進行，作業時間與衛星過境時間盡可能一致，具體時間見表1。水準測量路線分別在沉降嚴重區（三全路、花園路、紅專路，年沉降量30mm～100mm）、沉降輕微區（航海西路、紫荊山路，年沉降20mm～40mm）以及相對穩定區（中原東路、人民路，年沉降量0～10mm）進行布設［13－15］，聯測各等級控制點共60個，水準路線長34km。

表1 水準、SAR圖像獲取時間表

2.3 InSAR、水準監測數據時空基準統一

采用水準與InSAR同步觀測的方式，開展地面沉降星地同步觀測實驗，實現了InSAR與水準觀測數據在時間基準上的統一。由于水準觀測時間間隔不足一年，根據三次水準觀測值采用一次回歸分析所擬合出的結果。將InSAR、水準的測量結果統一投影到精確的WGS－84（World Geodetic System 1984，WGS－84）坐標系，實現空間基準的統一。

2.4 InSAR驗證數據提取與分析

時空基準統一后，采用最鄰近距離以及克里金插值兩種方法提取與水準點對應的InSAR驗證數值。最鄰近距離法是以水準監測點為中心搜索最近的Ps點，提取水準監測點附近InSAR地面沉降值，距離的量度方式采用歐式距離法。克里金插值法首先利用普通克里金法對InSAR測量結果進行插值，得到地面沉降分布圖，然后再提取水準監測點上對應的InSAR測量值。圖2、圖3為2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4個時間段水準、InSAR測量結果及差值折線圖（差值為InSAR測量值減去水準測量值）。從圖2、圖3均可以看出InSAR測量結果與水準測量結果保持了很高的一致性，InSAR與水準的差值絕大多數位于±10mm之間，且克里金插值法結果優于最鄰近距離法。

圖2 水準、最鄰近距離InSAR結果及差值折線圖

圖3 水準、克里金插值InSAR測量結果及差值折線

3 統一參考基準及精度分析與評價

3.1 統一參考基準

采用線性回歸模型對水準及對應InSAR監測結果進行回歸分析，回歸方程為（式1）［9］，其中y為InSAR的測量值，x為水準測量值，a為回歸系數，b為常數。通過回歸分析得到3個時間段及年均的回歸方程（表2），對應的y軸的截距b即為InSAR與水準之間的整體偏差，以水準為基礎調整對應的InSAR值，對InSAR值進行補償，補償的值見表3，實現InSAR與水準參考基準的統一。

y＝ax＋b （1）

統一參考基準后，InSAR與水準的差值仍然有部分點差值大于10mm（表3），實地調查表明個別監測點差值過大主要是因為有些水準監測點位于道路附近，車輛的碾壓導致水準監測值偏大，另有部分InSAR點位于新建建筑物上，建筑物自身的沉降導致InSAR監測值偏大，為準確評價InSAR監測精度，統一參考基準時將差值絕對值大于10mm的點刪除。圖4、圖5為統一參考基準之后2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4個時間段水準、InSAR測量結果及差值折線圖。統一參考基準后InSAR與水準測量結果一致性進一步提高，InSAR與水準的差值均在± 10mm之間，克里金插值法結果優于最鄰近距離法。

表2 最鄰近距離、克里金插值回歸分析結果

表3 最臨近距離、克里金插值統一參考基準

圖4 統一參考基準后水準、最鄰近距離InSAR測量結果及差值折線圖

圖5 統一參考基準水準、克里金插值InSAR測量結果及差值折線圖

3.2 精度分析與評價

誤差評價采用如下公式：

式中：φ為平均誤差，dli為水準測量值，dIi為InSAR測量值，m為中誤差，由此可求得3個時間段及年均的測量精度。

利用式（2）、式（3）計算得到2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）統一參考基準前后InSAR誤差一覽表（表4、表5）。從結果可以看出克里金插值的結果普遍優于最鄰近距離法，除統一參考基準前2012.11～2013.6、2012.11～2013.8兩個時間段最鄰近距離法的中誤差超過±10mm，其余精度均在毫米級；統一參考基準的后結果普遍優于之前的結果，其中基于克里金插值2011.11～2012.6平均誤差為± 3.8mm，中誤差為±4.6mm，驗證率為88.30%，2012.11～2013.8平均誤差為±3.7mm，中誤差為±4.5mm，驗證率為88.30%，2013.6～2013.8平均誤差為±1.5mm，中誤差為±1.9mm，驗證率為100.00%，2012.9～2013.9（年均）平均誤差為± 3.5mm，中誤差為±4.4mm，驗證率為78.30%，除年均的驗證率稍低，其它指標均優于基于最鄰近距離的結果。

表4 統一參考基準前最鄰近距離、克里金插值誤差一覽表

表5 統一參考基準后最鄰近距離、克里金插值誤差一覽表

4 結束語

本文開展地面沉降星地同步觀測實驗，對InSAR技術地面沉降監測的精度進行了分析與評價，主要結果如下：

①采用最臨近距離法的平均誤差在±1.9mm～4.8mm之間，中誤差在±2.3mm～5.6mm之間，采用克里金插值法的平均誤差在±1.5mm～3.8mm之間，中誤差在±1.9mm～4.6mm之間。評價結果表明InSAR地面沉降監測具有較高的測量精度。

②從采樣密度上分析，InSAR監測在市區、城鎮等人工建筑物密集的地區，Ps點的密度能達到100個／km2～4000個／km2；從監測周期／頻率上分析，目前在軌SAR衛星中Radarsat－2重訪周期為24天，Terrasar－X為11天，Cosmo－Skymed為4天。

③與水準測量相比InSAR技術具有較高的垂向測量精度，遠高于水準采樣密度以及監測周期／頻率，因此更容易識別出地面沉降的分布規律以及發展動態變化規律。

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Accuracy Analysis and Evaluation of InSAR Land Subsidence Monitoring

WANG Bao－cun1，2，YUAN Shun－li1，2，WANG Ji－hua3，GUO Ling－fei1，2，WANG Wen－jie1，2，JIAO Xue－jun1，2
（1.Institute of Surveying，Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo－exploration and Mineral Development，Zhengzhou450006；2.Engineering Research Center of Henan Provincial Geological Exploration of Information Technology，Zhengzhou450006；3.Henan Geo－Environmental Monitoring Institute，Zhengzhou450006）

This paper takes Zhengzhou city as the research area，aiming at the question of InSAR land subsidence monitoring accuracy，then carries out the“land subsidence observation experiment by synchronize satellite and ground”with the way of levelling when SAR satellite captures images.Namely，we analyze and evaluate the InSAR land subsidence monitoring accuracy by utilizing the levelling results.Three synchronize experiments were carried out in August 2012，November 2013and June 2013，then InSAR and synchronize levelling results were acquired.The whole deviation of InSAR and levelling measurement results were corrected through the unified reference.The average error of the near distance between±1.9mm～4.8mm and the mean square error between±2.3mm～5.6mm after the reference been unified.The average error between±1.5mm～3.8mm and the mean square error between±1.9mm～4.6mm after applying the kriging interpolation method.Results showed that the InSAR land subsidence monitoring have higher measuring accuracy.

InSAR；synchronous observation；accuracy；land subsidence；near distance；kriging interpolation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.002

P642.26

A

1000－3177（2015）140－0008－06

2014－07－29

2014－09－04

中國地質調查局項目（12120110809049）；河南省地礦局項目（豫地環［2012］17號）。

汪寶存（1980—），男，工程師，主要從事基于InSAR的地面沉降監測應用研究。

E－mail：309307201＠qq.com