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基于GPS與D-InSAR融合技術(shù)的

礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)研究

單位  地理信息中心

作者  高小琴      

日期  2011.12.26    

基于GPS與D-InSAR融合技術(shù)的礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)

因煤礦開采引起的地面沉陷問題一直受到人們的關(guān)注，常規(guī)的通過大地水準(zhǔn)測(cè)量、 GPS測(cè)量監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)地面沉陷的技術(shù)存在著監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、成本高、無法全面監(jiān)測(cè)等難以克服的缺陷。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)( D-InSAR) 采用主動(dòng)成像方式，具有全天候、高分辨率和連續(xù)空間覆蓋等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠提供地面短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)變化信息，可以彌補(bǔ)常規(guī)地面測(cè)量的諸多缺陷。隨著對(duì)該技術(shù)研究的不斷深入，D-InSAR地表沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸被引入到煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測(cè)中。

1.InSAR 技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

目前，在世界上很多地區(qū)已經(jīng)利用先進(jìn)的GPS結(jié)合電子測(cè)距及常規(guī)測(cè)量手段來研究地面沉降問題，并取得了較好的效果，但仍然面臨一些基本問題：①水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性；②測(cè)量的是沉降點(diǎn)、線，構(gòu)成沉降面必須經(jīng)過數(shù)值內(nèi)插過程；③必須首先預(yù)計(jì)到沉降的大致方位和范圍才能布置下一步的測(cè)量工作。而合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量一次能覆蓋幾百至上千平方公里的范圍，利用該地區(qū)不同時(shí)期復(fù)雷達(dá)圖像中任意時(shí)間間隔的2張圖進(jìn)行干涉處理即可獲得整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)與此相應(yīng)的沉降位移數(shù)據(jù)。另外，由于衛(wèi)星雷達(dá)成像能穿透云層且沒有晝夜之分，雷達(dá)數(shù)據(jù)下載快捷，時(shí)間延誤少，加之越來越成熟的配套處理軟件，使得地表沉降數(shù)據(jù)的提取十分迅速，可接近準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。表1中列出了4 種地面沉降監(jiān)測(cè)方法的區(qū)別。

表1  4種地面沉降監(jiān)測(cè)方法的比較

歸納起來，InSAR技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量具有全天候監(jiān)測(cè)的能力，可覆蓋大范圍地區(qū)，且數(shù)據(jù)獲取的速度較快。  

(2)它不僅可以提供用大多數(shù)方法難以監(jiān)測(cè)到的地區(qū)的數(shù)據(jù)，而且還可以進(jìn)行可與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比擬的高質(zhì)量的地表變形測(cè)量。

(3) InSAR 技術(shù)可提供時(shí)間跨度較大的SAR影像數(shù)據(jù)，例如ERS可提供自1991年開始的10 a間的數(shù)據(jù)。

(4)差分雷達(dá)干涉測(cè)量地面沉降的精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至更高。

利用InSAR技術(shù)能得到十分詳細(xì)的地形高程圖，且取樣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最詳盡的調(diào)查。對(duì)波蘭沉降區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，利用InSAR方法還可以帶來很多其他好處，諸如能夠獲得連續(xù)的、 高精度的觀測(cè)信息；另外，其最吸引人的地方在于，花費(fèi)比其他方法少的費(fèi)用即可獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，這使得長(zhǎng)期對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為可能。

2.InSAR 技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)中的局限性

2.1 去相關(guān)問題

地面沉降是一個(gè)緩慢的過程，需要通過 InSAR長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才能獲取有效的數(shù)據(jù)。但是長(zhǎng)時(shí)間間斷性的觀測(cè)會(huì)降低雷達(dá)圖像之間的相關(guān)性，產(chǎn)生去相關(guān)問題，從而使監(jiān)測(cè)到的地面沉降缺乏可信性。因此在雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的時(shí)期內(nèi)，要想獲得具有好的相關(guān)性的干涉圖有賴于季節(jié)和天氣條件。通常，潮濕的天氣和高植被覆蓋率會(huì)明顯影響相關(guān)性，因此在選擇SAR 數(shù)據(jù)時(shí)，要充分考慮氣候因素。2003年，Perski等對(duì)波蘭西西里亞地區(qū)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)體散射是引起去相關(guān)的最重要的因素之一，而這一結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究、解決去相關(guān)問題提供了有利依據(jù)。

2.2 誤差問題

在利用InSAR技術(shù)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)的過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致獲得的SAR 數(shù)據(jù)及生成的干涉圖產(chǎn)生偏差，從而影響分析結(jié)果。具體的影響因素見表 2。

表2  影像InSAR數(shù)據(jù)的因素

此外，利用InSAR進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)會(huì)使大氣的影響作用更加明顯。目前主要用2 種方法來減小大氣效應(yīng)對(duì)干涉紋圖的影響：一種是相位累積(phase stacking)方法；另一種是校正法。

綜上所述，在選擇 InSAR 技術(shù)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)盡量克服相干性的限制，減少數(shù)據(jù)處理過程中的誤差，突破相位解纏的障礙；另外，還要仔細(xì)考慮測(cè)量的費(fèi)用、頻率等因素。

InSAR 對(duì)于大氣傳輸誤差、衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況以及時(shí)態(tài)不相關(guān)誤差非常敏感，其中地表狀況以及時(shí)態(tài)不相關(guān)誤差只有通過仔細(xì)選擇雷達(dá)波段和影像對(duì)才能避免和減少，而大氣傳輸誤差和衛(wèi)星軌道誤差通過GPS校正即可得到消除。因此，為了提高監(jiān)測(cè)水平，應(yīng)將InSAR與GPS及傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量等方法結(jié)合使用，合理利用各技術(shù)之間的互補(bǔ)性。GPS-InSAR合成是通過雙內(nèi)插雙估計(jì)(DIDP)方法來實(shí)現(xiàn)。

3.GPS與D-InSAR融合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 GPS與D-InSAR融合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

GPS是一種高精度的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，能較精確地確定電離層、對(duì)流層參數(shù)，具有非常好的定位精度和時(shí)間分辨率。D-InSAR具有比GPS更高的垂直形變觀測(cè)精度、采樣密度高(100 m之內(nèi))、空間延續(xù)性好、非接觸性和無需建立地面接收站等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是前所未有極具潛力的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。D-InSAR與GPS技術(shù)的互補(bǔ)性主要表現(xiàn)在：

(1)GPS具有很高的定位精度，但空間分辨率比較低，而D-InSAR具有很高的空間分辨率，它能夠提供整個(gè)區(qū)域面上的連續(xù)信息；

(2)GPS可提供時(shí)間分辨率很高的觀測(cè)數(shù)據(jù)，它允許長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，而SAR衛(wèi)星通常35天左右的重復(fù)周期，使得D-InSAR很難提供足夠的時(shí)間分辨率；

(3)GPS獲取的是高精度的絕對(duì)坐標(biāo)，而D-InSAR獲取的是相對(duì)坐標(biāo)；

(4)利用D-InSAR進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的精度可達(dá)到亞厘米級(jí)，GPS對(duì)高程信息不敏感，獲取的高程精度遠(yuǎn)達(dá)不到這一精度。

將GPS與D-InSAR數(shù)據(jù)融合既可以改正InSAR數(shù)據(jù)本身難于消除的誤差，又可以實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)高時(shí)間分辨率和高平面位置精度與InSAR技術(shù)高空間分辨率和高程變形精度有效統(tǒng)一，這對(duì)于開展形變研究將具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.2 GPS與D-InSAR技術(shù)融合的理論

D-InSAR與GPS融合研究成果分析發(fā)現(xiàn)，以往的研究側(cè)重于利用GPS觀測(cè)建立某一項(xiàng)模型借以提高D-InSAR觀測(cè)精度，需要建立一套完整的GPS與D-InSAR技術(shù)融合的理論與方法。影響D-InSAR監(jiān)測(cè)礦區(qū)變形的因素很多，其中對(duì)于空間去相干和時(shí)間去相干，可以利用礦區(qū)中長(zhǎng)時(shí)間存在的相位和幅度變化穩(wěn)定的點(diǎn)，也可以利用在礦區(qū)設(shè)置角反射器，它是一種能夠發(fā)射電磁波的金屬儀器，當(dāng)InSAR成像時(shí)將會(huì)強(qiáng)烈反射角反射器發(fā)射過來的電磁波，在SAR影像中出現(xiàn)明顯的特征點(diǎn)。采用GPS對(duì)角反射器進(jìn)行聯(lián)測(cè)可以很好地消弱其影響。另外將角反射器作為地面控制點(diǎn)，用GPS精確測(cè)定其三維坐標(biāo)，可以消除衛(wèi)星軌道參數(shù)的不確定性；還可以利用GPS測(cè)量反演出大氣中的水汽含量來減輕大氣延遲的影響以及利用GPS測(cè)定角反射器的精確三維坐標(biāo)來改善D-InSAR相位解纏結(jié)果。為了使GPS與D-InSAR能夠有效融合，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系下，然后利用已經(jīng)校正的D-InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對(duì)GPS連續(xù)觀測(cè)站網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行插值，提高GPS觀測(cè)的空間分辨率；利用高時(shí)間密度的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域的插值，可建立礦區(qū)地表沉降的動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測(cè)礦區(qū)可能的變化趨勢(shì)。

3.3 GPS與D-InSAR數(shù)據(jù)融合方法

為了實(shí)現(xiàn)GPS與D-InSAR數(shù)據(jù)融合，在礦區(qū)安置角反射器非常重要。下面針對(duì)角反射器差分雷達(dá)干涉變形測(cè)量方法，分析探討GPS對(duì)D-InSAR的大氣延遲的改正、軌道誤差的改正以及D-InSAR相位解纏算法的改善。

(1)大氣延遲的改正

大氣延遲是D-InSAR監(jiān)測(cè)地表形變的主要誤差來源之一。利用地面連續(xù)觀測(cè)GPS數(shù)據(jù)改正D-InSAR大氣延遲是采用外部數(shù)據(jù)改正D-InSAR大氣延遲的有效方法之一，也是InSAR變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。大氣延遲影響主要是大氣對(duì)流層水汽含量的變化造成的，D-InSAR形變測(cè)量中用到的相位是相對(duì)于某一參考點(diǎn)的差分相位，因此，只有同一張SAR圖像上的兩個(gè)像元間或不同歷元的兩張SAR圖像間的相對(duì)對(duì)流層延遲才能對(duì)干涉圖上的相位信息產(chǎn)生影響，我們可以利用GPS技術(shù)求得大氣對(duì)流層延遲，將GPS數(shù)據(jù)獲得的大氣延遲進(jìn)行內(nèi)插，其中改進(jìn)的反距離加權(quán)內(nèi)插法(IIDW)是被驗(yàn)證了的內(nèi)插精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法的內(nèi)插方法，再采用對(duì)流層延遲的站間及歷元間的雙差算法對(duì)D-InSAR的對(duì)流層延遲進(jìn)行改正。

假定有兩個(gè)站點(diǎn)A、B和兩個(gè)歷元J與K，先進(jìn)行站點(diǎn)間差分，然后在進(jìn)行時(shí)域間差分：

式中，A、B分別為SAR影像上的點(diǎn)，其中A為參考點(diǎn)；利用GPS數(shù)據(jù)估計(jì)出的站點(diǎn)A、B上空的對(duì)流層延遲分別為DJA和DJB；J、K分別表示不同的歷元，即SAR影像不同的成像時(shí)刻。

通過式(1)可以將利用IIDW內(nèi)插出的對(duì)流層延遲值進(jìn)行差分計(jì)算，獲得InSAR干涉圖對(duì)流層改正；再通過InSAR對(duì)流層延遲改正模型得到InSAR干涉圖逐個(gè)像元上的對(duì)流層延遲改正，完成干涉圖逐個(gè)像元的大氣延遲改正。

(2)軌道誤差的改正

天線的高程H由衛(wèi)星軌道星歷求得，但它的精度一般較低，可以用GPS精確測(cè)定角反射器位置的三維坐標(biāo)，估計(jì)求算出多個(gè)H，并通過對(duì)估計(jì)出來的H和由SAR衛(wèi)星星歷求得的H賦不同權(quán)，最終利用最小二乘法加以處理就可以有效地減弱軌道誤差。

(3)改進(jìn)D-InSAR相位解纏算法

對(duì)于相位解纏過程所產(chǎn)生的誤差，可以將GPS觀測(cè)得到的角反射器點(diǎn)高程值轉(zhuǎn)換成相位值，其轉(zhuǎn)換公式為

式中：Bh為水平基線，Bv為垂直基線，θ為視角，γ1為主圖像的斜距，λ為波長(zhǎng)，h為GPS高程，Φ為GPS高程轉(zhuǎn)換的相位值。在干涉圖上GPS點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素確定后，依據(jù)式(2)便可以將GPS高程轉(zhuǎn)化為相位值。將這些相位值作為約束，從而可以提高相位解纏的精度。

3.4數(shù)據(jù)融合技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表形變

利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對(duì)礦區(qū)地表進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè)，需要在礦區(qū)建立一定數(shù)量的GPS連續(xù)觀測(cè)站網(wǎng)點(diǎn)(CGPS)，根據(jù)上述融合方法進(jìn)行融合處理，再采用雙插雙估計(jì)(DIDP)法實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS與D-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的加密。在國(guó)外已有許多國(guó)家建立了規(guī)模不一GNSS CORS網(wǎng)，對(duì)地表沉降、礦區(qū)沉陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如澳大利亞新南威爾士大學(xué)和美國(guó)斯坦福大學(xué)近年利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對(duì)某地區(qū)的采礦沉降區(qū)進(jìn)行了地表沉陷監(jiān)測(cè)，獲得了大范圍毫米級(jí)的形變數(shù)據(jù)。

研究結(jié)果表明該技術(shù)可以監(jiān)測(cè)大范圍的微小形變，并且觀測(cè)結(jié)果是可靠的和準(zhǔn)確的。應(yīng)用GPS與InSAR融合技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)方面，我國(guó)已經(jīng)有約20年的研究積累，但應(yīng)該說還處于起步階段。國(guó)內(nèi)主要有李德仁等利用SAR圖像采用差分干涉技術(shù)對(duì)天津市地面沉降進(jìn)行了研究，得到的結(jié)果和利用水準(zhǔn)測(cè)量求得的結(jié)果相似；王超、張紅等利用地震前后的ERS-1/2的三景數(shù)據(jù)獲取了1998年1月10日張北地震的干涉條紋圖，能很好地表現(xiàn)地震斷層和形變場(chǎng)的同震形變特征；王超、張紅等還通過獲得的1992年～2000年的25幅ERS-1/2 SAR圖像，得到了蘇州地區(qū)近8年的連續(xù)形變場(chǎng)，得到的結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)保持很高的一致性。目前上海等城市相繼在建GNSS CORS連續(xù)運(yùn)營(yíng)參考站網(wǎng)，將更有利于推進(jìn)該方面的研究工作。

GPS與D-InSAR技術(shù)具有時(shí)空互補(bǔ)性，利用兩種技術(shù)融合可以突破單一方法的局限性，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以提高地表沉降監(jiān)測(cè)空間和時(shí)間分辨率。利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè)是一種新的嘗試，其能夠同時(shí)削弱多種誤差因素的影響，大大提高形變監(jiān)測(cè)的精度。但要實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的完全融合仍有很多問題需要進(jìn)一步研究，主要有相位解纏算法、區(qū)域水汽模型和大氣層延遲誤差改正模型、時(shí)間域與空間域的融合模型和算法等方面。隨著GPS與D-InSAR技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)將具有廣闊的應(yīng)用前景。