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基于GPS與D-InSAR融合技術(shù)的

礦區(qū)沉降監(jiān)測研究

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

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)的通過大地水準測量、 GPS測量監(jiān)測煤礦區(qū)地面沉陷的技術(shù)存在著監(jiān)測周期長、成本高、無法全面監(jiān)測等難以克服的缺陷。合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)( D-InSAR) 采用主動成像方式，具有全天候、高分辨率和連續(xù)空間覆蓋等突出優(yōu)點，能夠提供地面短時間內(nèi)的連續(xù)變化信息，可以彌補常規(guī)地面測量的諸多缺陷。隨著對該技術(shù)研究的不斷深入，D-InSAR地表沉陷監(jiān)測技術(shù)逐漸被引入到煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測中。

1.InSAR 技術(shù)在地面沉降監(jiān)測中的優(yōu)勢

目前，在世界上很多地區(qū)已經(jīng)利用先進的GPS結(jié)合電子測距及常規(guī)測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水準點的穩(wěn)定性；②測量的是沉降點、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)計到沉降的大致方位和范圍才能布置下一步的測量工作。而合成孔徑雷達干涉測量一次能覆蓋幾百至上千平方公里的范圍，利用該地區(qū)不同時期復(fù)雷達圖像中任意時間間隔的2張圖進行干涉處理即可獲得整個覆蓋范圍內(nèi)與此相應(yīng)的沉降位移數(shù)據(jù)。另外，由于衛(wèi)星雷達成像能穿透云層且沒有晝夜之分，雷達數(shù)據(jù)下載快捷，時間延誤少，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，可接近準實時動態(tài)監(jiān)測。表1中列出了4 種地面沉降監(jiān)測方法的區(qū)別。

表1  4種地面沉降監(jiān)測方法的比較

歸納起來，InSAR技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

(1)衛(wèi)星雷達干涉測量具有全天候監(jiān)測的能力，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)測到的地區(qū)的數(shù)據(jù)，而且還可以進行可與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比擬的高質(zhì)量的地表變形測量。

(3) InSAR 技術(shù)可提供時間跨度較大的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)差分雷達干涉測量地面沉降的精度可達到厘米級甚至更高。

利用InSAR技術(shù)能得到十分詳細的地形高程圖，且取樣率遠遠大于最詳盡的調(diào)查。對波蘭沉降區(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、 高精度的觀測信息；另外，其最吸引人的地方在于，花費比其他方法少的費用即可獲取觀測數(shù)據(jù)，這使得長期對地面沉降進行監(jiān)測成為可能。

2.InSAR 技術(shù)在地面沉降監(jiān)測中的局限性

2.1 去相關(guān)問題

地面沉降是一個緩慢的過程，需要通過 InSAR長時間的觀測才能獲取有效的數(shù)據(jù)。但是長時間間斷性的觀測會降低雷達圖像之間的相關(guān)性，產(chǎn)生去相關(guān)問題，從而使監(jiān)測到的地面沉降缺乏可信性。因此在雷達數(shù)據(jù)采集的時期內(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明顯影響相關(guān)性，因此在選擇SAR 數(shù)據(jù)時，要充分考慮氣候因素。2003年，Perski等對波蘭西西里亞地區(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)果對進一步研究、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)進行地面沉降監(jiān)測的過程中，每一個環(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進行長時間的觀測會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)進行地面沉降監(jiān)測時應(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，還要仔細考慮測量的費用、頻率等因素。

InSAR 對于大氣傳輸誤差、衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況以及時態(tài)不相關(guān)誤差非常敏感，其中地表狀況以及時態(tài)不相關(guān)誤差只有通過仔細選擇雷達波段和影像對才能避免和減少，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)測水平，應(yīng)將InSAR與GPS及傳統(tǒng)的水準測量等方法結(jié)合使用，合理利用各技術(shù)之間的互補性。GPS-InSAR合成是通過雙內(nèi)插雙估計(DIDP)方法來實現(xiàn)。

3.GPS與D-InSAR融合技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 GPS與D-InSAR融合技術(shù)的優(yōu)勢

GPS是一種高精度的對地觀測技術(shù)，能較精確地確定電離層、對流層參數(shù)，具有非常好的定位精度和時間分辨率。D-InSAR具有比GPS更高的垂直形變觀測精度、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，被認為是前所未有極具潛力的空間對地觀測新技術(shù)。D-InSAR與GPS技術(shù)的互補性主要表現(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，它能夠提供整個區(qū)域面上的連續(xù)信息；

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

(3)GPS獲取的是高精度的絕對坐標，而D-InSAR獲取的是相對坐標；

(4)利用D-InSAR進行形變監(jiān)測的精度可達到亞厘米級，GPS對高程信息不敏感，獲取的高程精度遠達不到這一精度。

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，又可以實現(xiàn)GPS技術(shù)高時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，這對于開展形變研究將具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。

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觀測建立某一項模型借以提高D-InSAR觀測精度，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)測礦區(qū)變形的因素很多，其中對于空間去相干和時間去相干，可以利用礦區(qū)中長時間存在的相位和幅度變化穩(wěn)定的點，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InSAR成像時將會強烈反射角反射器發(fā)射過來的電磁波，在SAR影像中出現(xiàn)明顯的特征點。采用GPS對角反射器進行聯(lián)測可以很好地消弱其影響。另外將角反射器作為地面控制點，用GPS精確測定其三維坐標，可以消除衛(wèi)星軌道參數(shù)的不確定性；還可以利用GPS測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測定角反射器的精確三維坐標來改善D-InSAR相位解纏結(jié)果。為了使GPS與D-InSAR能夠有效融合，需要進行坐標轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一在同一坐標系下，然后利用已經(jīng)校正的D-InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對GPS連續(xù)觀測站網(wǎng)的觀測結(jié)果進行插值，提高GPS觀測的空間分辨率；利用高時間密度的GPS觀測數(shù)據(jù)進行時間域的插值，可建立礦區(qū)地表沉降的動態(tài)模型，預(yù)測礦區(qū)可能的變化趨勢。

3.3 GPS與D-InSAR數(shù)據(jù)融合方法

為了實現(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。下面針對角反射器差分雷達干涉變形測量方法，分析探討GPS對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)測地表形變的主要誤差來源之一。利用地面連續(xù)觀測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)測領(lǐng)域研究的熱點。大氣延遲影響主要是大氣對流層水汽含量的變化造成的，D-InSAR形變測量中用到的相位是相對于某一參考點的差分相位，因此，只有同一張SAR圖像上的兩個像元間或不同歷元的兩張SAR圖像間的相對對流層延遲才能對干涉圖上的相位信息產(chǎn)生影響，我們可以利用GPS技術(shù)求得大氣對流層延遲，將GPS數(shù)據(jù)獲得的大氣延遲進行內(nèi)插，其中改進的反距離加權(quán)內(nèi)插法(IIDW)是被驗證了的內(nèi)插精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法的內(nèi)插方法，再采用對流層延遲的站間及歷元間的雙差算法對D-InSAR的對流層延遲進行改正。

假定有兩個站點A、B和兩個歷元J與K，先進行站點間差分，然后在進行時域間差分：

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

通過式(1)可以將利用IIDW內(nèi)插出的對流層延遲值進行差分計算，獲得InSAR干涉圖對流層改正；再通過InSAR對流層延遲改正模型得到InSAR干涉圖逐個像元上的對流層延遲改正，完成干涉圖逐個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精確測定角反射器位置的三維坐標，估計求算出多個H，并通過對估計出來的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D-InSAR相位解纏算法

對于相位解纏過程所產(chǎn)生的誤差，可以將GPS觀測得到的角反射器點高程值轉(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，h為GPS高程，Φ為GPS高程轉(zhuǎn)換的相位值。在干涉圖上GPS點對應(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)測礦區(qū)地表形變

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

研究結(jié)果表明該技術(shù)可以監(jiān)測大范圍的微小形變，并且觀測結(jié)果是可靠的和準確的。應(yīng)用GPS與InSAR融合技術(shù)進行地表形變監(jiān)測方面，我國已經(jīng)有約20年的研究積累，但應(yīng)該說還處于起步階段。國內(nèi)主要有李德仁等利用SAR圖像采用差分干涉技術(shù)對天津市地面沉降進行了研究，得到的結(jié)果和利用水準測量求得的結(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，得到的結(jié)果與水準數(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)運營參考站網(wǎng)，將更有利于推進該方面的研究工作。

GPS與D-InSAR技術(shù)具有時空互補性，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，以提高地表沉降監(jiān)測空間和時間分辨率。利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對礦區(qū)進行沉陷監(jiān)測是一種新的嘗試，其能夠同時削弱多種誤差因素的影響，大大提高形變監(jiān)測的精度。但要實現(xiàn)兩種技術(shù)的完全融合仍有很多問題需要進一步研究，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，利用GPS與D-InSAR融合技術(shù)對礦區(qū)進行形變監(jiān)測將具有廣闊的應(yīng)用前景。