外部參考DEM對IPTA地面沉降監測結果的影響分析

王 潔，李海寧，張登榮， 謝 斌

(杭州師范大學遙感與地球科學研究院，浙江省城市濕地與區域變化重點實驗室，浙江 杭州，311121)

外部參考DEM對IPTA地面沉降監測結果的影響分析

王 潔，李海寧，張登榮， 謝 斌

(杭州師范大學遙感與地球科學研究院，浙江省城市濕地與區域變化重點實驗室，浙江 杭州，311121)

隨著DEM獲取途徑的多樣化，地形相位分量初始化精度對地面沉降信息提取的影響程度和原因需要深入探討.本文以廣東珠三角洲廣州與佛山交界區域為實驗區，借助兩種常用外部DEM(SRTM、ASTER GDEM)，利用相干點目標法(IPTA)進行地面沉降提取試驗，探索哪一種更適合作為InSAR外部參考的DEM.試驗中分別從兩種DEM與干涉圖的配準精度、DEM自身精度、沉降結果的統計量以及解纏相位、PS點質量分析等方面進行誤差分析.研究結果表明，在IPTA實驗中，SRTM比ASTER GDEM具有更好的應用效果，更適合做外部參考DEM.

相干點目標法(IPTA)；SRTM；ASTER GDEM；誤差分析

InSAR方法監測地表形變過程中受成像誤差、衛星軌道誤差、數字高程模型(DEM)誤差、大氣延遲誤差影響較大，如何在處理過程中減少和去除這些誤差的影響，是InSAR技術的瓶頸[1]，其中數字高程模型(DEM)對InSAR測量結果的影響一直是研究的熱點之一.隨著DEM獲取手段的多樣化，不同DEM的質量有所差異，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InSAR沉降監測的精度.DEM對不同InSAR測量方法的影響機理、影響程度及產生原因需要定性定量的進行系統評價.本文以珠三角佛山和廣州交界地區作為實驗區，參考兩種常用外部參考DEM(SRTM、ASTER GDEM)，利用IPTA技術進行地面沉降提取試驗，深入探討哪一種DEM更適合作為InSAR外部參考的DEM，為相關的研究提供一定的參考.

1 實驗方法

1.1 實驗區

研究區位于廣東省珠江三角洲廣州市與佛山市交界地區，陸地范圍為東經112°45′～113°30′，北緯22°40′～23°20′之間(如圖1所示).

圖1 試驗區范圍Fig. 1 Experimentation area range

1.2 數據來源

本文所用影像是2012年2月至2013年4月10景RADARSAT-2降軌的C波段數據(10景數據成像時間分別為20120204、20120228、20120323、20120416、20120603、20120721、20121025、20121212、20130105、20130411)，該數據是VV極化，分辨率為30 m.實驗所用的外部DEM之一是SRTM DEM，該數據是通過同時獲取同一時刻同一個地區的兩幅SAR影像進行差分干涉得到DEM.本文所用的SRTM DEM為SRTM3，地面分辨率為90m，高程絕對誤差為16m，置信度為90%，相對誤差為10m[2]；另一個是ASTER GDEM，該數據是由美國航空航天局(NASA)與日本經濟合作貿易商業部(METI)聯合發布的高分辨率衛星成像設備ASTER獲取的數據生成，其提取DEM精度范圍為10～30m，精度在7～50m之間[2].

1.3 數據處理

試驗中相干點目標時序分析法使用小基線集組合干涉圖，采用多主圖像，從而盡可能多的增加干涉組合，最后將空間基線小于300 m、時間基線小于300 d作為約束，得到30個干涉對，利用相位譜特性和后向散射特性，提取出散射性穩定、相位譜特性穩定的候選點生成點干涉圖，然后利用兩種不同的外部DEM(SRTM、ASTER GDEM)提取高程點，進行差分得到差分干涉序列.整個PS流程如圖2所示，在相位回歸分析反復迭代過程中，不斷地進行模型改進，回歸分析的過程中會不斷的求得高程改正值、線性形變速率、相位擬合標準偏差、殘余相位、噪聲、以及解纏的干涉相位，然后進行回歸迭代計算，直到所有干涉對和大部分點解纏沒有明顯的錯誤時，停止迭代，最終求出相對較準確的沉降速率和沉降序列.多次回歸使得不穩定的候選點目標在點目標多次回歸分析中被剔除，從而挑選出高質量的相干點目標[3].

圖2 IPTA技術流程Fig. 2 The technology of IPTA process

為了深入分析外部DEM數據對形變監測結果的影響，利用不同DEM參與的實驗需要盡量保證數據處理流程的一致性，主要包含以下兩個方面：

1)使用相同的候選點目標，相同的干涉對，保證結果中有相同的大氣延遲誤差、軌道誤差和噪聲相位等.

2)保證數據處理中間的基本參數一致，避免參數設置不一致對結果造成不同的影響.

2 結果分析

本文采用了多主影像高相干點目標分析法，借助兩種不同的外部參考DEM對RADARSAT-2數據進行時間序列分析，最終獲取了珠江三角洲局部地區地面形變速率圖(圖3)，PS點地表形變速率圖(圖4)，PS點沉降結果統計圖(圖5).

左圖為外部參考DEM為ASTER GDEM時試驗區沉降結果，右圖為外部參考DEM為SRTM時試驗區沉降結果圖3 試驗區地面沉降速率圖Fig. 3 Subsidence rate of study area

從數值上分析，方位向和距離向配準數值越小，說明DEM模擬的強度圖與干涉圖的配準精度越高.另外，分別對兩個DEM所得沉降結果進行最大值、最小值、平均值和標準差的統計(表1)，形變量的最大值和最小值體現了其分布范圍，標準差反映形變量在平均值附近的離散情況，標準差越小，說明數據集聚性越高，處理效果越好；最大誤差理論值越小，說明PS點的質量越高[1].

圖4 不同DEM獲取PS點的地面沉降速率圖Fig. 4 PS point sinking rate based different DEM

左邊為ASTER GDEM所得結果，右邊為SRTM所得結果圖5 PS點形變速率的統計圖Fig. 5 The statistics of PS point sinking rate

圖6 高程改正值的對比Fig. 6 The comparison of DEM error corrected value

從圖3和4可知，利用兩個DEM所得PS點的沉降位置和形變速率范圍大致相同，符合正態分布，但是在個別PS點中出現沉降速率不一致的現象，在數據處理過程中，其他參數的設定都相同，所以個別PS點沉降速率差異與利用不同的外部DEM數據有關.SRTM形變速率在-1cm～1cm的PS點的數量明顯多于ASTER所得的結果，聚集性較高.為了分析其原因，繪制了剖線上PS點回歸分析的高程值(圖6).結合圖4與圖6可以反映沉降速率和回歸分析后高程值之間的關系，形變速率大的地方，得到的高程改正值也大.

另外，從表1可以看出形變量平均值都在最大誤差理論值之內，說明兩種DEM來源的高程精度和對地形相位的去除是可以接受的；利用SRTM去除地形后所得形變量的標準差低于利用ASTER GDEM去除地形所得形變量的標準差，說明外部DEM為SRTM所得沉降速率的聚集性較高，可靠性較好，精度相對較高[4].

表1 形變量統計結果

3 討論

從統計結果來看，利用外部DEM去除地形相位，SRTM的應用效果要好于ASTER GDEM，究其原因，從DEM本身的數據質量以及DEM與干涉圖配準精度、PS點質量等方面進行詳細分析.

3.1 DEM質量的分析

由Hannnes I.Reuter等分析認為從生產角度來看，SRTM是通過雷達圖像的干涉信息提取高程，而ASTER是通過光學成像的立體像對提取高程的，本身就有系統性誤差存在，不同的成像方式和不同的處理流程，使得兩者的高程值有所不同；其次，ASTER GDEM分辨率在30 m，高程基準是EGM96，水平精度30 m，垂直高程精度的RMSE在18～29m之間，雖然SRTM分辨率在90 m，但水平精度在20 m，相對于ASTER GDEM, SRTM則具有更小的RMSE為10～15m[5].相對而言SRTM精度要高點.

3.2 配準精度的分析

實驗中DEM主要是用來模擬地形相位，DEM數據質量的差異也會導致相應的誤差.從地形相位去除的操作步驟來看，誤差主要是體現在DEM模擬的強度圖與干涉圖配準精度上.根據實驗統計表2所示，利用SRTM模擬強度圖與干涉圖配準中，SRTM與干涉圖配準的精度明顯高于ASTER GDEM[6].

表2 DEM的配準精度

3.3 PS點質量分析

衡量PS點質量的標準除了與PS點的時相相關，還與PS點的相位標準偏差(Psigma)相關.Psigma是衡量PS質量高低的一個標準，通常我們設定一個psigma-max閾值來剔除那些質量低的點來進行回歸分析[7].

左圖為外部參考DEM為ASTER GDEM時試驗區候選點的標準偏差，右圖為外部參考DEM為SRTM時試驗區候選點的標準偏差圖7 候選點相位標準偏差Fig. 7 The Psigma value of PS points

本文兩個實驗的psigma-max值設定相同，最終生成了密度基本相同的PS點，這樣就排除了PS密度對實驗結果分析造成影響[8].由圖7可以看出，在密度基本相同的PS點中，由外部參考SRTM DEM所得大部分點的相位標準差都在0.1～0.3之間，點數量個數明顯高于由ASTER GDEM 所得結果，由SRTM所得PS點相位標準偏差整體小于由ASTER GDEM所得結果.由此可見由SRTM所得PS點的質量要明顯高于ASTER GDEM所得.

4 結 論

本文通過使用兩種外部DEM(SRTM、GDEM)進行相干點目標分析實驗，研究結果發現，雖然SRTM在空間分辨率上遜于GDEM，但是具有比ASTER GDEM更高的精度和更好的實用性，更適合做IPTA地面沉降提取過程中的外部DEM.此外，SRTM跟RADARSAT-2數據空間分辨率相差不大，應用效果較好，但與高分辨率的COSMO_SkyMed、TerraSAR-X等數據相比，空間分辨率相差一個量級，可能會對形變精度造成影響，是下一步要進行的研究工作[1].

[1] 李成龍,張景發,龔麗霞，等.多元外部DEM對兩軌D-InSAR測量結果影響分析[J],遙感信息,2013,28(3):95-101.

[2] 白俊.干涉雷達中的永久散射體和交叉干涉技術的研究與應用[D].北京:中國科學院研究生院,2005:35-38.

[3] 周紅滿.基于相干點目標干涉測量分析方法監測深圳市城區地面沉降[D].長沙:中南大學,2012:9-12.

[4] FERRETTI A, PRATI C, ROCCA F L. Permanent scatterers in SAR interferometry[J]. Geosci Remote Sensing, IEEE Transactions on,2001,39(1):8-20.

[5] CHEN Jie, WU Jicang, ZHANG Lina，et al. Deformation Trend Extraction Based on Multi-Temporal InSAR in Shanghai[J]. Remote Sens,2013,5(4):1774-1786.

[6] 侯安業,張景發,劉斌，等.PS-InSAR與SBAS-InSAR監測地表沉降的比較研究[J].大地測量與地球動力學,2012,32(4):125-128，134.

[7] 唐攀攀,單新建,王長林,等.形變觀測中小數據及PSInSAR的誤差分析與初步應用[J].地震,2011,31(3):92-102.

[8] HOOPER A, ZEBKER H, SEGALL P, et al. A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR persistent scatterers[J]. Geophysical Research Letters,2004,31(23):L23611.

The Influences of External DEM on IPTA Ground Subsidence Monitoring Results

WANG Jie, LI Haining, ZHANG Dengrong, XIE bin

(Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Zhejiang Provincial Key Laboratory of Urban Wetlands and Regional Change, Hangzhou 311121, China)

With the diversification of DEM access, the influences of DEM precision on the result of ground subsidence need to be discussed. In this paper, basing on two common external reference DEMs (SRTM and ASTER GDEM), the ground subsidence experiment of Pearl River Delta is carried out using IPTA method. The error is analyzed separately from the registration accuracy between DEMs and interferogram figure, the precision of DEMs, the ground subsidence results, unwrapping phase and the quality of PS points. The results show that in the IPTA experiment, the SRTM is better than ASTER GDEM in application, and it is more suitable to be the external DEM.

IPTA; STRM; ASTER GDEM; error analysis

2015-06-11

杭州市社會發展科研專項(20130533B12).

謝 斌(1983—)，男，講師，博士，主要從事遙感地學研究.E-mail：41118004@qq.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.02.016

P237

A

1674-232X(2016)02-0208-06