朱葉飛,于 軍,武健強(qiáng),吳曙亮,李向前,張景發(fā),羅 毅,蘇一鳴

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018;2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京100085)

D-InSAR與PS-InSAR技術(shù)應(yīng)用于蘇州地面沉降監(jiān)測之比較

朱葉飛1,于 軍1,武健強(qiáng)1,吳曙亮1,李向前1,張景發(fā)2,羅 毅2,蘇一鳴1

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018;2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京100085)

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR)為地表形變監(jiān)測提供了極具應(yīng)用潛力的手段,特別是D-InSAR和PSInSAR技術(shù)在對地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用,受到了越來越多的關(guān)注。將D-InSAR和PS-InSAR方法分別應(yīng)用于蘇州地區(qū)地面沉降量的計(jì)算,并將兩種方法的計(jì)算結(jié)果與水準(zhǔn)觀測資料進(jìn)行對比分析。通過兩種InSAR方法在蘇州地區(qū)的具體應(yīng)用,指出了它們在地面沉降監(jiān)測中的異同點(diǎn)及適用情況。

D-InSAR;PS-InSAR;地面沉降;江蘇蘇州

1 基于D-InSAR的蘇州實(shí)驗(yàn)區(qū)地面沉降監(jiān)測

1.1 蘇州實(shí)驗(yàn)區(qū)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

江蘇省蘇州、無錫、常州地區(qū),是江蘇乃至全國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,人口密集,城鎮(zhèn)眾多。20世紀(jì)80年代以來,由于工業(yè)特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的迅猛發(fā)展,這一地區(qū)用水量急劇增加,加上絕大部分地表水受到嚴(yán)重污染,整個(gè)蘇錫常地區(qū)水質(zhì)型缺水矛盾日益突出,眾多用水單位紛紛通過開鑿深井取用地下水以解決供水不足的問題,致使地下水開采不斷增長,部分區(qū)域嚴(yán)重超量開采。蘇錫常地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及工程地質(zhì)條件復(fù)雜,基巖面起伏不平、高低落差大,松散地層的厚度與結(jié)構(gòu)變化很大,地面沉降易產(chǎn)生不均勻性差異沉降,導(dǎo)致地裂縫和地面塌陷災(zāi)害發(fā)生。目前已形成以蘇錫常3個(gè)城市市區(qū)中心的局部性地面沉降,地面沉降量大于600mm的沉降區(qū)已連接成片,面積超過1 350km2。沉降量最大的地方累計(jì)已達(dá)1.8m以上。圖2是蘇州地區(qū)SAR成像后的幅度圖像,圖2中的P1—P8是選擇的水準(zhǔn)點(diǎn),均勻分布于城區(qū)范圍,用于對InSAR結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)D-InSAR數(shù)據(jù)處理

采用兩軌法完成了蘇州實(shí)驗(yàn)地區(qū)的D-InSAR處理,即先利用實(shí)驗(yàn)區(qū)地表變化前后2幅單視圖像生成干涉紋圖,再利用事先獲取SRT M的DEM數(shù)據(jù)模擬紋圖,從干涉紋圖中去除地形信息,即可得到地表形變信息。兩軌法幾何模型如圖3所示,圖中m和s分別表示主輔圖像傳感器,設(shè)SAR 2次過境時(shí),地面在雷達(dá)視線方向(Line of Sight,LOS)上發(fā)生Δr的形變,則形變相位為:

圖1 蘇州市大范圍區(qū)域

圖2 蘇州市城區(qū)(約10km×10km)及部分水準(zhǔn)點(diǎn)分布

從式(1)可以看到,差分相位對地形變化非常敏感,測量精度達(dá)到波長量級,對ERS-1/2來說,當(dāng)?shù)乇碓谝暰€向位移2.8cm時(shí),就可以產(chǎn)生2π的相位變化。相對于三軌法,二軌法的優(yōu)點(diǎn)是無需對干涉圖相位解纏,避免了解纏的困難。但是對于無DE M數(shù)據(jù)的地區(qū)無法采用上述方法。在引入DE M數(shù)據(jù)的同時(shí),可能引入新的誤差,比如DE M本身的高程誤差、DE M模擬干涉相位與真實(shí)SAR紋圖的配準(zhǔn)誤差等。

圖3 兩軌法幾何模型圖

二軌法D-InS AR的整個(gè)處理流程如圖4所示。共收集了從1993年2月—1995年12月間的ERS-1 S AR原始數(shù)據(jù),經(jīng)S AR成像處理,形成單視復(fù)數(shù)據(jù)(S LC),圖幅的中心位置為(N31.79°、E120.71°),影像覆蓋區(qū)約為106km(長)×38km(寬),完全覆蓋整個(gè)蘇州市?；诟缮鎸Χ袒€距和時(shí)間間隔的考慮,D-InS AR方法選用的ERS-1干涉圖像對具體參數(shù)見表1。選用SRT M的DE M(90m×90m),轉(zhuǎn)到S AR雷達(dá)坐標(biāo)系(Range-Doppler S AR coordinates)與主圖像進(jìn)行配準(zhǔn),用于模擬地形相位。利用兩幅S LC作差分干涉圖,干涉圖減去DE M模擬的地形相位圖得到去平地效應(yīng)后的差分干涉圖(圖5)。然后計(jì)算相干系數(shù)并進(jìn)行相干性分析,用相干系數(shù)圖(圖6)輔助相位解纏,最后將解纏相位轉(zhuǎn)換為地面沉降量(圖7、圖8)。

1.3 D-InSAR處理結(jié)果分析

從沉降結(jié)果圖(圖7、圖8)來看,除了城區(qū)以外的大部分地區(qū)相干性都很低,雖然城鎮(zhèn)分布有少量相干點(diǎn),但這些信息在D-InSAR中基本不能用來得出地表沉降量。最后除了蘇州城區(qū),其他地方基本沒有結(jié)果。但市區(qū)東北角因?yàn)橄喔尚员容^低而沒有結(jié)果,但根據(jù)其他觀測資料,這一塊區(qū)域的沉降量在市區(qū)是最大的。1993年—1995年,蘇州市區(qū)大部分區(qū)域的沉降量多在1.0cm～4.5cm左右。沉降量比較大的主要分布在蘇州城區(qū)北偏東一帶、蘇州城區(qū)東南區(qū)域。其中在虎丘的西邊金閶區(qū)也有一個(gè)比較大的沉降區(qū),這邊的相干性程度不高,可能解纏時(shí)會帶來誤差。

圖4 兩軌法D-InSAR處理流程圖

表1 干涉圖像對的時(shí)間和基線參數(shù)

圖5 兩幅SLC干涉圖

圖6 相干系數(shù)圖

圖7 整個(gè)區(qū)域地面沉降結(jié)果圖

圖8 蘇州城區(qū)地面沉降結(jié)果圖

本研究中得到了蘇州市部分水準(zhǔn)點(diǎn)的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)。為進(jìn)行驗(yàn)證對比,從1993年—1995年地面沉降結(jié)果圖中確定水準(zhǔn)點(diǎn)位置,提取沉降量值。由于資料有限,僅選取了P1—P4 4個(gè)點(diǎn)的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)加以比較,表2是1993年—1995年InS AR測量值與水準(zhǔn)測量值的比較結(jié)果,其中水準(zhǔn)測量值由水準(zhǔn)資料插值得到。

從表2可以看出,差分干涉測量值與水準(zhǔn)測量值保持了一定的一致性。但這些差分干涉測量與水準(zhǔn)測量值相比整體上偏低,誤差主要是由基線距誤差、大氣延遲誤差及高程誤差引起的。如果以上4個(gè)水準(zhǔn)測值代表地面形變的實(shí)際情況,則本研究中雷達(dá)差分干涉測量誤差為2.6cm。

表2 水準(zhǔn)點(diǎn)1993年—1995年水準(zhǔn)測量和InSAR測量的形變量比較

2 基于PS-InSAR的實(shí)驗(yàn)區(qū)地面沉降監(jiān)測

2.1 PS-InSAR地面沉降監(jiān)測

利用振幅離差指數(shù)閾值法識別出影像中最大可能的反映相位穩(wěn)定的點(diǎn),即PS點(diǎn)。通過選擇SAR影像集中的一景SAR影像作為主影像,其他圖像為從影像與主影像生成干涉圖。對每幅干涉圖建立大氣模型,通過聯(lián)立方程的方式消除大氣的影響,最終求解出地面微小的形變。研究中所有PS點(diǎn)的模型用于相鄰的PS點(diǎn)上,只要保證相鄰的PS點(diǎn)APS相關(guān)就可以進(jìn)行形變估計(jì)了。這使得研究范圍不受到小區(qū)域的限制。通過適當(dāng)?shù)目臻g上和時(shí)間上的濾波處理,進(jìn)而分離出大氣相位和非線性形變項(xiàng),從而得到完整形變的估計(jì)。采用的處理流程如圖9所示。

選擇時(shí)間范圍為1995-12-31至2000-12-24之間的共21幅ERS-2 SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行蘇州市城區(qū)的形變反演研究,時(shí)間、空間基線見圖10。依據(jù)時(shí)空基線最優(yōu)化原則,選擇1998-04-19的SAR圖像為主圖像?；?1幅SLC圖像,根據(jù)每個(gè)像素的21個(gè)幅度值的離散性共選出47 647個(gè)初始PS點(diǎn)。城區(qū)及周邊相干點(diǎn)的Delaunay三角網(wǎng)見圖11。

根據(jù)水準(zhǔn)測量知道,虎丘山是基巖,沒有沉降,其附近區(qū)域沉降也非常微小。因此,選取虎丘附近的PS點(diǎn)作為參考點(diǎn),進(jìn)行平均沉降速率的定標(biāo)。在相鄰PS點(diǎn)上建立相位差與形變速度增量、高程誤差增量的模型,對相位差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算出高程誤差,大氣延遲相位,地表形變量的初始值,并優(yōu)化空間基線,通過多次迭代計(jì)算最終的地面沉降量。圖12和圖13為整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)和城區(qū)的地面平均沉降速率圖。

圖9 實(shí)驗(yàn)區(qū)PS-InSAR處理流程圖

圖10 時(shí)間空間基線分析表

圖11 城區(qū)PS點(diǎn)Delaunay三角網(wǎng)

圖12 蘇州實(shí)驗(yàn)區(qū)地面沉降速率圖

圖13 蘇州城區(qū)地面沉降速率圖

2.2 PS-InSAR處理結(jié)果分析

從整個(gè)研究范圍,總的趨勢是蘇州—無錫沿西北—東南走向存在一個(gè)沉降帶。蘇州市西南邊的山區(qū)幾乎沒有沉降,這與基巖地貌相吻合。東北邊也幾乎沒有沉降。蘇州市北邊與無錫接壤的位置,在滸墅關(guān)鎮(zhèn)、望亭鎮(zhèn)方向,存在巨大的沉降,年最大速率達(dá)到70mm。吳中市存在一個(gè)沉降中心,年最大沉降速率達(dá)到50mm。就市區(qū)而言,除了齊門外以北的區(qū)域以外,反演結(jié)果幾乎覆蓋了整個(gè)蘇州城區(qū)。相對較大的沉降區(qū)域在城區(qū)東北角和東南角,而最大的沉降出現(xiàn)在齊門和火車站一帶,年最大沉降速率達(dá)到45mm。

表3 水準(zhǔn)點(diǎn)1995-12—2000-12水準(zhǔn)測量和實(shí)驗(yàn)測量的平均形變速率比較

通過與區(qū)域內(nèi)分布的水準(zhǔn)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn),8個(gè)點(diǎn)中有5個(gè)點(diǎn)的相對誤差都在±3mm/y以內(nèi),只有2個(gè)點(diǎn)相對誤差稍大,但也在±4mm/y以內(nèi)。以上分析充分說明了形變反演的準(zhǔn)確性。

3 D-InSAR與PS-InSAR蘇州地面沉降監(jiān)測之比較

從以上例子中可以看出,D-InS AR與PS-InS AR 2種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。就精度而言,一般前者可達(dá)厘米級,后者的精度可達(dá)毫米級。在D-InS AR技術(shù)中,主要限制因素是時(shí)間失相關(guān)及空間失相關(guān)和S AR圖像之間的大氣異質(zhì)性。如果雷達(dá)相干波的失相關(guān)太大,就無法得到形變像對干涉相位和地形像對的干涉相位,也就無法得到地表形變,比如蘇州城區(qū)因具有較多的建筑物,相干性高,D-InS AR結(jié)果比較可靠,而周邊地區(qū)則基本上沒有結(jié)果,或者相干性低結(jié)果不可靠。

從以上分析中不難總結(jié)出D-InSAR技術(shù)的特點(diǎn):實(shí)現(xiàn)算法簡單,參數(shù)較少,只需要2個(gè)垂直基線參數(shù)。對地表連續(xù)覆蓋,經(jīng)差分處理后可得到整幅SAR圖像內(nèi)的高相干區(qū)域地表沉降信息。成本低,采用的兩軌法只用了2景SAR圖像?？杀O(jiān)測較大的地表形變,為了保證對干涉相位進(jìn)行解纏,在LOS方向上所能探測的SAR圖像兩相鄰分辨單元之間的最大形變值不大于λ/2(對于ERS-1的C波段為2.8cm,對于L波段為12cm),如果將形變積分,總形變值可以較大。失相干的影響大,這就使得該技術(shù)對地表覆蓋物要求比較苛刻,在植被茂密的地區(qū)或時(shí)空間基線較長的情況下實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

PS-InSAR的失相干影響較小,對地表覆蓋物要求較低,在一定程度上克服了常規(guī)D-InSAR技術(shù)中對地表覆蓋物要求過于苛刻的不足。測量精度高,可測得毫米級的視向移動速度,本實(shí)驗(yàn)區(qū)的誤差在4mm/y以內(nèi);但PS-InSAR算法復(fù)雜,要求數(shù)據(jù)量大,成本較D-InSAR技術(shù)高,本次試驗(yàn)共用了21景SAR圖像,只有足夠多的SAR圖像才能準(zhǔn)確識別PS點(diǎn)。在Ferretti等的試驗(yàn)中,SAR數(shù)據(jù)量一般都達(dá)到25景～30景,這對于我國用戶來說成本較大,能否夠獲取這么多SAR數(shù)據(jù)也是個(gè)問題。改進(jìn)的PS-InSAR算法對監(jiān)測區(qū)域類型和大小的沒有嚴(yán)格的限制,只需要測量區(qū)域有較多的天然散射體,如城市和巖石出露較多的地帶,即可進(jìn)行大范圍的地面沉降量的計(jì)算。

4 結(jié) 語

InS AR技術(shù)方法多種多樣,可以依據(jù)實(shí)際情況,選擇不同的InS AR方法,取長避短。本例研究表明,PSInS AR特別適用于城市地表沉降監(jiān)測。城市地表沉降主要是由于地下水超量開采導(dǎo)致的,沉降過程一般比較緩慢,短時(shí)間間隔內(nèi)沉降量很小,超出了常規(guī)D-In-S AR技術(shù)的探測能力,而長時(shí)間間隔的大氣異質(zhì)性又增加了常規(guī)D-InS AR處理的難度,因此PS-InS AR特別適合地面沉降監(jiān)測;另一方面,城市面積通常較小且建筑物眾多,建筑物頂部容易形成角反射,構(gòu)成許多永久散射體,十分有利于PS-InS AR技術(shù)的應(yīng)用。可見,PSInS AR能提供高精度、大范圍城市沉降信息。如果再結(jié)合水準(zhǔn)測量和GPS測量,進(jìn)行準(zhǔn)確地空間定位,將有利于進(jìn)行長期、大范圍、高密度的變化監(jiān)測。而D-In-S AR技術(shù)主要適用于對面積大、地表形變明顯而植被覆蓋少的區(qū)域的監(jiān)測,比如礦區(qū)開采地表沉降監(jiān)測、同震形變測量、火山活動監(jiān)測、冰川移動研究等方面。

[1] ZEBKER H A,GOLDSTEI N R M.Topographic Mapping from Interferometric Synthetic Aperture Radar Observations[J].Journal of Geophysical Research,1986,91 (B5):4993-4999.

[2] GRAHAM L C.Synthetic Interferometer Radar for Topo-graphicMapping[J].Proceeding of IEEE,1974,62(6): 763-768.

[3] 王超,張紅,劉智.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4] MASSONNET D,ROSSIM,CARRNONA C,et al.The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry[J].Nature,1993(364):138-142.

[5] ZEBKER H A,ROSEN P A,GOLDSTEI N R M,et al.On the derivation of coseismic displacement fields using differential radar interferometry;thelanders earthquake [J].J.Geophy.Res.,1994,99(B10):19617-19634.

[6] ZEBKER H A,V I LLASENOR J.De correlation in interfereometric radar echoes[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing,1992,30(5):950-959.

[7] GATELL I F,GUARN IER IA M,PAR IZZI F,et al.Wavenumber shift in SAR interfereometry[J].IEEE Trans. GeoSci.Remote Sensing,1994,32(4):855-864.

[8] ZEBKER H A,ROSEN P A,HENSLEY S.Atmospheric effects in interferometric synthetic aperture radar surface deformation and topographic maps[J].Geophysical Research,1997,102(B4):7547-7563.

[9] HANSSEN R.Atmospheric heterogeneities in ERS tandem SAR interferometry[R].DEOS Report 98.1,Technische Universiteit Delft,Faculteit der Geodesie,Thijsseweg 11,Postbus 5030,2600 GA Delft,Netherlands.

[10]FERRETTIA,PRATIC,ROCCA F.Perm anent scatterers in SAR interferometry[J].IEEE Trans.GeDsci.Remote Sensing,2001,39(1):8-20.

[11]FERRETTIA,PRATI C,ROCCA F.Nonlinear subsidence rate estimation using permeanent scatterers in differential SAR interferometry[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing,2000,38(5):2202-2212.

[12]COLESANTIC,FERRETTIA,PRATIC,et al.Monitoring landslides and tectonic motions with the per m anent scatterers technique[J].Engineering Geology,2003 (68):3-14.

[13]PEPE A,SANSOSTI E,BERARD I NO P,et al.On the generation of ERS/ENV ISAT D InSAR time-series via the SBAS technique[J].IEEE Geosci.and Remote Sensing Letters,2005,2(3):265-269.

[14]MORA O,MALLORQU I J J,BROQUETAS A.Linear and nonlinear terrain deformationmaps from a reduced set of interferometric SAR images[J].IEEE Trans.Geosci. Remote Sensing,2003,41(10):2243-2253.

[15]MORA O,MALLORQU I J J,LANAR I R.Differential interferometric SAR techniques for generation of terain and building defor mation maps[C].Proc.de la 5a Setmana Geom6tica de Barcelona,2003.

[16]王則任.“竭澤而漁”貽害無窮防患未然持續(xù)發(fā)展——江蘇省蘇錫常地區(qū)地面沉陷災(zāi)害的發(fā)生、危害及治理[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1998,9(2):18-26.

[17]陳強(qiáng),劉國祥,李永樹,等.干涉雷達(dá)永久散射體自動探測——算法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[J].測繪學(xué)報(bào),2006(2): 112-117.

[18]袁銘,劉爭齊,黃翔.蘇州市地面垂直形變場的時(shí)空特征[J].工程勘察,2000(6):46-48.

Application comparison ofD-InSAR and PS-InSAR techniques in Suzhou land subsidence monitoring

ZHU Ye-fei1,YU Jun1,W U Jian-qiang1,W U Shu-l iang1,L I Xiang-q ian1, ZHANG Jing-fa2,LUO Y i2,SU Y i-m ing1
(1.Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210049,China;2.Institute of Crustal Dynamics,China Seismological Bureau, Beijing 100085,China)

Interferometric SyntheticAperture Radar(InSAR)is an effectivemethod for m onmonitoring surface defor mation,especially the applications in monitoring the ground subsidence bymeans ofD-InSAR and PS-InSAR.Both D-InSAR and PS-InSAR were applied to the computation of Suzhou’s land subsidence volume,and the results computed by the two differentmethodswere comparedwith subsidence data measured by leveling.The different characteristics and suitable and unsuitable applied conditions of D-InSAR and PS-In-SAR on monitoring Suzhou land subsidence were indicated on the basis of specific application in Suzhou area.

D-InSAR:PS-InSAR;Land subsidence;Suzhou,Jiangsu

book=3,ebook=169

P642.26;P225

A

1674-3636(2010)03-0289-06

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.289

2009-11-04;編輯:陸李萍

朱葉飛(1978—),男,工程師,碩士,研究方向?yàn)檫b感數(shù)字圖像處理及遙感機(jī)理在地學(xué)中的應(yīng)用.