基于時(shí)序InSAR技術(shù)的淄博地面沉降監(jiān)測(cè)研究

鄧曉景，邢立鵬

基于時(shí)序InSAR技術(shù)的淄博地面沉降監(jiān)測(cè)研究

鄧曉景1，邢立鵬2

（1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.淄博國(guó)土調(diào)查測(cè)繪有限公司，山東 淄博 255000）

淄博地區(qū)地下煤炭和水資源儲(chǔ)量比較豐富，由于近年來人們大量開采地下資源，淄博地區(qū)逐漸出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。以淄博地區(qū)作為研究對(duì)象，獲取2007-10—2011-02的25景ALOS PALSAR雷達(dá)影像升軌數(shù)據(jù)，采用PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種時(shí)序InSAR技術(shù)，分別得到該地區(qū)地表形變場(chǎng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，淄博地區(qū)存在四個(gè)沉降區(qū)域，其中最大沉降速率為每年180 mm。對(duì)比分析可知，兩種不同的時(shí)序InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果有高度的一致性，通過與SDCORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果精度高于SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果。

地面沉降；PS-InSAR；SBAS-InSAR；精度驗(yàn)證

1 引言

傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)手段以水準(zhǔn)和GPS測(cè)量為主，近些年來合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)快速崛起，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代地面沉降監(jiān)測(cè)的主要應(yīng)用手段[1]。1998年，F(xiàn)ERRETTI等人提出了永久性散射體差分干涉測(cè)量（PS-InSAR）技術(shù)，該方法重點(diǎn)關(guān)注雷達(dá)影像中穩(wěn)定性強(qiáng)的永久散射體，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)PS-InSAR技術(shù)的適用性展開驗(yàn) 證[2]，成功獲取了Ancona地區(qū)的形變速率場(chǎng)，監(jiān)測(cè)到該地的重點(diǎn)沉降區(qū)，并通過傳統(tǒng)測(cè)量手段驗(yàn)證了PS-InSAR技術(shù)對(duì)地面沉降的監(jiān)測(cè)精度為毫米級(jí)。2002年，BERARDINO等人對(duì)PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出小基線集差分干涉測(cè)量（SBAS-InSAR）技術(shù)[3]，從一定程度上減弱了空間去相干對(duì)提取PS點(diǎn)的影響，能夠提高PS點(diǎn)密度，從而得到更好的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

本文利用2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR SLC存檔數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)，結(jié)合SDCORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究淄博地區(qū)的地面沉降詳情，從定性和定量角度分析淄博地區(qū)地面沉降的時(shí)空分布特征，為淄博市地面沉降防治和城市建設(shè)提供一定的技術(shù)支持。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)介紹

本文的影像覆蓋區(qū)域?yàn)樽筒┲胁康貐^(qū)，總面積約為 2 000 km2。選取2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR雷達(dá)影像升軌數(shù)據(jù)，影像的極化方式為HH極化，同時(shí)，為保證有效地模擬地形信息，參與數(shù)據(jù)處理地形數(shù)據(jù)選擇的是30 m分辨率的STRM DEM數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理過程

實(shí)驗(yàn)綜合考慮時(shí)空基線對(duì)干涉像對(duì)的影響，選取2010-01-08的SLC影像作為主影像，其他SLC影像作為輔影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)和干涉處理，得到24幅干涉圖，各干涉像對(duì)的空間基線均小于1/2 ALOS PALSAR數(shù)據(jù)的空間基線閾值，保證了干涉像對(duì)的質(zhì)量，其中最短空間基線為321.939 m，最長(zhǎng)空間基線為3 564.540 m。利用STRM DEM與24幅干涉圖進(jìn)行差分，初步去除地形相位，生成24幅差分干涉圖。在PS點(diǎn)篩選方面，實(shí)驗(yàn)采用振幅離差指數(shù)法與設(shè)定相干系數(shù)閾值相結(jié)合的方法來提取相干點(diǎn)目標(biāo)，提高了低相干區(qū)域PS點(diǎn)的密度和估算精度。實(shí)驗(yàn)將PS候選點(diǎn)目標(biāo)網(wǎng)格化，將影像覆蓋范圍劃分為339個(gè)子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域選擇1個(gè)振幅離差小于0.1的參考地面控制點(diǎn)，消除干涉圖中恒定的相位偏移值；通過設(shè)定幅度圖中的相干性閾值來篩選PS候選點(diǎn)，并對(duì)這些點(diǎn)的空間相關(guān)誤差和空間非相關(guān)誤差進(jìn)行估計(jì)，選擇相位穩(wěn)定性好的點(diǎn)作為最終的PS點(diǎn)；去除估計(jì)的誤差并利用Minimum Cost Flow方法進(jìn)行相位解纏，獲取真實(shí)形變相位；通過時(shí)間域的高通濾波和空間域的低通濾波消除大氣相位差、DEM殘差和軌道誤差，最后進(jìn)行地理編碼，得到垂直方向各PS點(diǎn)的形變速率。

3.2 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理過程

基于SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)25幅雷達(dá)影像進(jìn)行差分干涉處理，干涉像對(duì)的時(shí)間基線閾值設(shè)置為365 d，空間基線為臨界基線的45%，將25景雷達(dá)影像和DEM分別進(jìn)行差分干涉處理，去除平地相位和地形誤差，共生成116幅差分干涉圖，根據(jù)小基線集原則組成小基線差分干涉圖集。在生成的小基線集中，最小時(shí)間基線為46 d，最大時(shí)間基線為 322 d，最小空間基線為50 m，最大空間基線為4 307 m。為了提取穩(wěn)定性較高的相干點(diǎn)目標(biāo)，在幅度圖中設(shè)定幅度分布指數(shù)閾值為0.6，在相干系數(shù)圖中設(shè)置相干性閾值為0.75，由此篩選SDFP候選點(diǎn)；在對(duì)空間相關(guān)誤差和空間非相關(guān)視角誤差進(jìn)行估算的基礎(chǔ)上，通過估算SDFP 候選點(diǎn)的相位穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定性高的SDFP點(diǎn)；去除地形殘差和軌道誤差，利用Minimum Cost Flow方法進(jìn)行相位解纏，獲得真實(shí)的形變相位；采用SVD法求解各PS點(diǎn)的形變速率；在得到形變速率的基礎(chǔ)上，對(duì)提取到的PS點(diǎn)進(jìn)行后置濾波，估計(jì)大氣效應(yīng)對(duì)不同時(shí)間段形變結(jié)果造成的誤差大小，從形變結(jié)果中去除每個(gè)時(shí)間段大氣效應(yīng)的影響，最終獲得淄博市的地表形變場(chǎng)。

4 研究結(jié)果分析

PS-InSAR淄博沉降速率如圖1所示。PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)到的淄博地區(qū)2007-10—2011-02期間的地表形變，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淄博地區(qū)存在四個(gè)沉降較大的區(qū)域。其中，沉降區(qū)1位于張店區(qū)東北部與臨淄區(qū)的交界處，最大沉降速率為每年 37 mm；沉降區(qū)2位于張店區(qū)西南部與淄川區(qū)北部，最大沉降速率為每年66 mm；沉降區(qū)3位于周村區(qū)西南部與淄川區(qū)西部交界地帶，最大沉降速率為每年45 mm；沉降區(qū)4位于博山北部與淄川中部，最大沉降速率為每年60 mm。通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，淄博范圍內(nèi)大部分PS點(diǎn)的沉降速率低于每年10 mm，平均沉降速率為每年6 mm，最大沉降速率為每年66 mm，說明淄博地區(qū)地面沉降空間分布差異較大，地面沉降不均衡。

圖1 PS-InSAR淄博沉降速率圖

SBAS-InSAR淄博沉降速率如圖2所示。SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)到的淄博地區(qū)2007-10—2011-02期間的地表形變，與PS-InSAR技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。最大形變點(diǎn)出現(xiàn)在淄川區(qū)西北部與周村區(qū)西南部的交界地帶，最大沉降速率為每年180 mm。淄川區(qū)和博山區(qū)的大部分山區(qū)沒有提取到PS點(diǎn)，周村區(qū)、張店區(qū)和臨淄區(qū)的小部分區(qū)域PS點(diǎn)稀少，這與地面沉降監(jiān)測(cè)的時(shí)間跨度太長(zhǎng)（1 242 d）和篩選PS點(diǎn)時(shí)相干性閾值設(shè)置較高（0.75）有關(guān)。A、B、C為淄博地區(qū)沉降最為集中、沉降量較大的三個(gè)區(qū)域。

圖2 SBAS-InSAR淄博沉降速率圖

5 結(jié)果精度驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)利用現(xiàn)有的兩個(gè)研究區(qū)內(nèi)SDCORS站點(diǎn)的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析PS-InSAR技術(shù)與SBAS-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)在SDZB站和ZCHW站周邊100 m范圍內(nèi)各選取了一個(gè)與CORS站監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差最小的形變點(diǎn)，將CORS監(jiān)測(cè)結(jié)果作為觀測(cè)真值，分析PS-InSAR和SBAS-InSAR在時(shí)間序列上的觀測(cè)精度。兩種方法與SDZB站觀測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，2010-08-26—2011-02-26，SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果與時(shí)間序列InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果共有4個(gè)相同的觀測(cè)區(qū)間，2010-11-26，PS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最小，為﹣0.2 mm，2010-10-11，PS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最大，為 1.4 mm；2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最小，為﹣0.88 mm，2010-11-26，SBAS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最大，為﹣3.7 mm。

圖3 兩種方法與SDZB站觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

兩種方法與ZCHW站觀測(cè)結(jié)果比較如圖4所示。

圖4 兩種方法與ZCHW站觀測(cè)結(jié)果比較

2010-02-23—2011-02-26，ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果與時(shí)間序列InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果共有7個(gè)相同的觀測(cè)區(qū)間，2011-01-11，PS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最小，為﹣0.1 mm，2011-02-26，PS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最大，為0.65 mm；2010-05-26，SBAS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最小，為0.5 mm，2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差最大，為3.36 mm。綜合分析可知，PS-InSAR和SBAS-InSAR的監(jiān)測(cè)精度均為毫米級(jí)，且相對(duì)于SBAS-InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果，PS-InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果在形變量和形變趨勢(shì)上與CORS站監(jiān)測(cè)結(jié)果更加吻合，證明PS-InSAR的監(jiān)測(cè)精度更高，這與SBAS-InSAR技術(shù)人工選取GCP點(diǎn)，容易引入偶然誤差有關(guān)。

6 結(jié)束語

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：淄博市的地面沉降普遍存在且具有明顯的空間分布特征，大部分區(qū)域的沉降速率每年小于10 mm，最大形變點(diǎn)位于淄川區(qū)西北部，沉降速率為每年180 mm。通過與SDCORS站數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證，證實(shí)PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)淄博地區(qū)地面沉降的監(jiān)測(cè)可以達(dá)到毫米級(jí)的精度，同時(shí)PS-InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果在形變量和形變趨勢(shì)上與CORS站監(jiān)測(cè)結(jié)果更加吻合，證明PS-InSAR的監(jiān)測(cè)精度比SBAS-InSAR更高。

［1］岳建平，方露.城市地面沉降監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008（3）：1-4.

［2］邢立鵬，曲國(guó)慶，黃潔慧，等.基于PS-InSAR技術(shù)的淄博市地面沉降監(jiān)測(cè)［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，33（2）：1-6.

［3］周志偉，鄢子平，劉蘇，等.永久散射體與短基線雷達(dá)干涉測(cè)量在城市地表形變中的應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011，36（8）：928-931.

P237

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.026

2095－6835（2020）09－0070－03

鄧曉景（1995—），男，山東威海人，碩士研究生，研究方向?yàn)镮nSAR地表形變監(jiān)測(cè)研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕