丁尚起,楊魁,陳楚,崔龍

(1.天津市濱海新區(qū)塘沽水資源管理中心,天津 300450； 2.天津市遙感中心,天津 300381；3.天津市測繪院,天津 300381； 4.天津市東麗區(qū)規(guī)劃分局,天津 300300)

PS選擇策略及在京津高鐵沉降監(jiān)測中的應用研究

丁尚起1?,楊魁2,3,陳楚2,3,崔龍4

(1.天津市濱海新區(qū)塘沽水資源管理中心,天津 300450； 2.天津市遙感中心,天津 300381；3.天津市測繪院,天津 300381； 4.天津市東麗區(qū)規(guī)劃分局,天津 300300)

針對InSAR技術在城市重大工程中的應用，提出了一種提取PS(永久散射體)的優(yōu)化策略。通過綜合采用幅度相干性、點目標提取方法來獲取高密度、高精度的PS。在此基礎上，對PS點的空間分布性進行深入分析，并采用克里金插值彌補分布不足。本文以京津城際數(shù)據(jù)為例，從區(qū)域和線性工程兩個角度對上述方法進行實例分析，驗證本文PS選擇策略和插值方法的有效性。

永久散射體；克里金插值；線性工程；城市沉降

1 介 紹

從H.A.Zebker等人提出D-InSAR技術獲取地面沉降[1]到現(xiàn)在的20年時間內,InSAR取得了較大的進展,并逐步走向工程化應用。特別是1999年前后,意大利米蘭理工大學在D-InSAR的基礎上提出的PS (Permanent Scatter-永久散射體)技術在城市地面沉降監(jiān)測中得到廣泛應用。PS(永久散射體)通常指不受時間、空間基線去相關和大氣變化影響的點目標,它被視為觀測對象,基于反映地表形變特征的先驗模型來提取相應的形變信息。該技術有效地解決了D-In-SAR技術中時間、空間去相關和大氣效應等限制測量精度的問題,達到了獲得毫米級地表形變信息的能力[2]。但是該技術通常情況下要求采用多景影像(〉30景)來獲取相干性高的PS點進行后續(xù)分析[3],間接導致沉降監(jiān)測成本增高,影響其在工程化中的應用。

本文從InSAR在城市工程化應用的角度出發(fā),提出了在少量數(shù)據(jù)集的情況下,綜合采用幅度相干性和點目標提取準則來獲取高密度的PS點。對PS點的空間分布性進行分析,提出克里金插值這種在地學統(tǒng)計中常用的方法來彌補其不足。并以京津城際在天津北辰區(qū)內的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,從區(qū)域沉降分析和線性工程分析角度驗證了該PS點提取方法的有效性。

2 PS點選擇方法研究

PS點密度對相位解纏和大氣估計有著較大的影響。A.Ferretti文獻中提出最少需要達到3個點/ km2[3]。隨著分辨率的提高,PS點的密度也得到提高,但是PS點的空間分布存在不均勻性。在城市密集區(qū)密度較大,可以達到1 500個/km2～2 000個/km2；而對于失相干嚴重的植被密集區(qū),密度為0個/km2～10個/km2。對于線性工程而言,經(jīng)過區(qū)域既有人口密集的城市地區(qū),又有人口稀少的郊區(qū)和農(nóng)村。為了有效地對線性工程進行沿線分析,本文綜合提出一種綜合幅度相干性和點目標提取的PS點選擇策略,來獲取高質量、高密度的PS點。

2.1 幅度離差閾值法

作為PS提取技術中的經(jīng)典方法,它主要用于大數(shù)據(jù)量的雷達影像下的PS的提取。其主要思想是基于振幅偏離差和相位偏離差來從統(tǒng)計意義上反映目標在不同監(jiān)測時間的差異。對經(jīng)過定標處理后的雷達數(shù)據(jù),以后向散射強度均差和方差的比作為測度,選擇大于指定閾值的目標為相干目標[4]。該方法簡潔高效,有效反映目標的時間序列特征。但是該方法也存在著容易引入水體、陰影等在長時間保持不變的錯誤點,且要求數(shù)據(jù)量大。

2.2 點目標檢測法

一個雷達分辨單元可以分為點目標和分布式目標,其中點目標在雷達回波信號獲取時間內保持幾乎恒定的雷達響應,相位特征也表現(xiàn)相對穩(wěn)定,可以當作PS。將SAR影像生成子孔徑圖像,并確定其光譜相關性,依據(jù)子視相關理論來提取出高相關程度的點目標[5]。該方法適用于單SAR影像的點目標檢測,也可以應用于數(shù)據(jù)集的PS監(jiān)測中,物理意義明確。但是該方法在表現(xiàn)出時間序列上穩(wěn)定的特征存在不足。

2.3 PS聯(lián)合提取策略

針對以上兩種方法的優(yōu)點和缺點,本文根據(jù)應用的需要提出PS的聯(lián)合提取策略。首先基于幅度離差閾值法,通過確定合適的閾值來選擇時間序列上的變化小的PS,以減少時間失相干對后續(xù)InSAR的影響,并同時采用幅度閾值來剔除水體等低相干點；其次基于點目標檢測方法選擇高亮度的點目標,減少空間失相干的影響,以在短數(shù)據(jù)集的情況下獲取足夠的高質量PS點；在獲取這些PS點的基礎上基于時空二維回歸模型進行相位解纏和相位分析,依據(jù)每個PS點的模型系數(shù)來剔除偏差較大的錯誤點,從而最終獲取高密度、高質量的PS點。

3 成果和分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗區(qū)域位于京津城際鐵路所經(jīng)過的天津市的北辰區(qū)內。該區(qū)域位于中國地殼強烈下沉地區(qū)、工業(yè)發(fā)展較快導致地下水開采現(xiàn)象嚴重,使得該區(qū)域的沉降現(xiàn)象嚴重。基于Infoterra提供的TerraSAR-X數(shù)據(jù)集,通過選擇高密度的PS點、并采用逐步改進的處理策略來獲取圖1所示的30 km2×50 km2的影像范圍的沉降現(xiàn)象。并截取大小為13 km2×15 km2進行京津沿線的區(qū)域分析和線性分析。圖2為其范圍圖,京津城際鐵路從中穿叉而過。經(jīng)過鎮(zhèn)主要有雙口鎮(zhèn)、北倉鎮(zhèn)、雙街鎮(zhèn)、大張莊鎮(zhèn)、黃莊街以及下朱莊街等。

圖1 TerraSAR-X影像覆蓋區(qū)域 圖2 京津城際覆蓋區(qū)域

3.2 區(qū)域沉降分析

圖2所示區(qū)域的PS點的分布情況如圖3所示。該區(qū)域內有449 000個PS點,平均密度約為2 000個/km2。然而它的空間分布并不均勻,在1處的建成區(qū)由于基礎設施齊全PS點密度十分大,達到3 000個/km2以上,而在2處的農(nóng)田區(qū)則由于失相干的影響PS點密度較少,約為0個/km2～100個/km2。

圖2所示區(qū)域的年均沉降速率圖如圖4所示,沉降速率從0 mm/a～80 mm/a,即該區(qū)域的最大沉降為80 mm/a。紅色所示區(qū)域表示沉降較大的區(qū)域,藍色所示區(qū)域表示沉降較小的區(qū)域。中部雙街鎮(zhèn)的沉降情況最嚴重,表現(xiàn)為一個明顯的漏斗區(qū)域；北部地區(qū)沉降較小,相對比較穩(wěn)定。

圖3 京津城際區(qū)域PS點分布圖 圖4 年沉降速率圖

由PS的分布可知,即使采用高分辨率的TerraSAR影像進行PSI分析可以獲取大量的PS點,但是卻存在較大的空間不足,需要采用合理的空間插值方法來有效反映整個區(qū)域的沉降情況。本文針對地面沉降區(qū)域變化存在空間相關性的特點,采用克里格插值方法,基于區(qū)域內已有PS點的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結構特點,對無PS點處進行線性無偏、最優(yōu)估計[6],從而達到量化已知監(jiān)測點沉降間的空間自相關性,并有效反映區(qū)域范圍內的沉降情況?？死锔癫逯岛蟮某两邓俾蕡D如圖5所示。1處的雙街鎮(zhèn)和2處的雙口鎮(zhèn)表現(xiàn)出明顯的漏斗現(xiàn)象。1處的雙漏斗現(xiàn)象尤其突出。

圖5 插值后的年均沉降速率圖 圖6 京津城際沿線PS點分布圖

因此基于年均沉降速率的插值前后成果的可視化效果,均可以有效反映出京津城際鐵路區(qū)域內的沉降情況,尤其是克里金插值后的成果展示的漏斗現(xiàn)象直接有效。從而有利于從整體分析研究區(qū)域的沉降規(guī)律和原因,以便及時采取有效措施。

3.3 線性工程的沉降分析

采用InSAR技術進行線性工程的監(jiān)測,主要監(jiān)測線性工程全線的地面穩(wěn)定性。本節(jié)以測區(qū)范圍內的20 km長的京津城際鐵路為例進行分段分析。

以京津城際鐵路為中心線獲取沿線200 m范圍內的PS點進行線性工程的分析,PS點的分布如圖6所示,在不同的沉降段表現(xiàn)出不同的分布特點。截取紅色范圍區(qū)域進行PS點的密度分析。圖7(a)為在農(nóng)村區(qū)域PS點稀少的情況下,高鐵本身呈現(xiàn)為點目標；圖7(b)所示為建筑物密集區(qū)環(huán)境下的,高鐵周圍PS點較多；圖7(c)南北向的高鐵并沒有監(jiān)測到PS點。線性工程會表現(xiàn)出點目標的特性。在本文所采用的PS點提取方法中,已經(jīng)充分考慮到線性工程會表現(xiàn)出點目標的特性,因此如圖6、7(a)和7(b)所示,京津高鐵PS點較多。但是PS點的隨機性較大,與入射方向、目標特性都有著較大的關系,因此在7(c)中高鐵上沒有有效的PS點來分析該段的沉降現(xiàn)象,需要基于周圍的地物進行插值分析。

圖7 京津城際沿線PS點分布放大圖

圖6 所示京津城際鐵路沿線經(jīng)過克里格插值后的年均沉降速率圖如8所示,沉降速率從0 mm/a～80 mm/a。按照沉降大小,京津城際沿線從北到南可以分為三段,分別為慢速沉降段A、快速沉降段B、中速沉降段C。慢速沉降段A主要包括下朱莊街等地區(qū),長度7 km,該段基本穩(wěn)定,平均沉降速率在20 mm/a；快速沉降段B主要包括雙街鎮(zhèn)和北倉鎮(zhèn)部分地區(qū),長度7 km,該段沉降量較大,平均沉降速率在46 mm/a,中速沉降帶C主要位于北倉鎮(zhèn),長度4 km,該段平均沉降速率在29 mm/a。對京津城際鐵路沿線的沉降情況進行分析,可以得到京津沿線區(qū)域村莊較大的不均勻沉降。

圖8 京津城際沿線插值后的沉降速率圖

4 總 結

本文主要針對SAR影像集數(shù)量較少情況下PS點提取方面存在的問題,提出一種強幅度相干性、高空間光譜相干性和時空二維回歸模型相結合的逐步改善的PS點選擇策略。其次對PS點的空間隨機性從區(qū)域和沿線兩個方面的空間分布的隨機性進行詳細分析,提出采用克里格插值來彌補PS分布的不均勻性,已有效監(jiān)測到區(qū)域的沉降漏斗和線性工程的不均勻沉降等現(xiàn)象,并利用京津城際鐵路的InSAR監(jiān)測成果進行深入地分析。

[1] A.K.Gabriel，R.M.Goldstein，H.A.Zebker，Mapping small elevation changes over large areas：differential radar interferometry[J].Journal of Geophysical Research：Solid Earth，1989，94(7)，9183～9191.

[2] Ferretti A，PratiC，Rocca F.Nonlinear Subsidence Rate Esitimation Using Permanent Scatterers in Differential SAR Interferometry[J].2001，38(5)，2202～2212.

[3] A.Ferretti，C.Prati，and F.Rocca，Permanent scatterers in SAR interferometry[C].IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing，2000，38，2202～2212.

[4] 范洪冬.InSAR若干關鍵算法及其在地表沉降監(jiān)測中的應用[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2010.

[5] 盧麗君.基于時序SAR影像的地表形變監(jiān)測方法及其應用[D].武漢：武漢大學，2008.

[6] 湯國安.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京：科技出版社，2006：164～170.

The Study of PS Selection Strategy and its Application in the Subsidence M onitoring of Jingjin Railway

Ding Shangqi1,Yang Kui2,3,Chen Chu2,3,Cui Long4
(1.Tanggu Water Resources Mangement Center,Tianjin 300450,China；2.Tianjin Remote Sensing Center,Tianjin 300381,China；3.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China； 4.Dongli Planning Bureau,Tianjin 300300,China)

In this paper,an advanced strategy for the generation of Permanent Scatter is presented to be used in urban project.The pixel candidates with high density are selected from those presenting low temporal variability of the backscattering or low spectral diversity.Later on,the spatial distribution of the candidates is analyzed,and the Kriging interpolation is advanced as a complementarity.The selection and interpolation techniques have been tested with Jing-jin high-speed railway from region to linear project.

permanent scatter；kriging interpolation；linear project；urban subsidence

1672-8262(2013)06-147-04

P234.4，P258

A

2013—05—02

丁尚起(1971—),男,高級工程師,主要從事水資源管理、控制地面沉降及水文監(jiān)測工作。

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201311045)