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        DEM精度對D-InSAR提取地表形變的影響分析

        2017-09-03 11:01:01張有軍張樓香
        城市勘測 2017年4期
        關(guān)鍵詞:條紋差分精度

        張有軍,張樓香

        (常州市測繪院,江蘇 常州 213000)

        DEM精度對D-InSAR提取地表形變的影響分析

        張有軍*,張樓香

        (常州市測繪院,江蘇 常州 213000)

        從雙軌法D-InSAR形變測量的原理出發(fā),理論分析了外部DEM對雙軌法D-InSAR提取地表形變的影響,得出外部DEM精度與地表形變誤差之間存在線性函數(shù)關(guān)系,在其他參數(shù)不變的情況下外部DEM高程中誤差越大所引起的形變誤差就越大;探討獲取地表形變的技術(shù)流程,并結(jié)合實例分析了外部DEM對雙軌法D-InSAR提取形變精度的影響,分析指出不同精度的外部DEM會直接影響到干涉條紋的數(shù)量、密度和質(zhì)量。

        雙軌法D-InSAR;外部DEM;地表形變;誤差分析

        1 引 言

        近年來,隨著光學(xué)、電學(xué)、信息學(xué)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展,合成孔徑雷達差分干涉測量(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技術(shù)得到快速發(fā)展和推廣應(yīng)用。D-InSAR技術(shù)為地表形變監(jiān)測提供了新方法,帶來了一次技術(shù)革命。它作為一種監(jiān)測手段不但克服了水準(zhǔn)測量和GPS技術(shù)只能提供地面離散點的高程變化、周期長、效率低、多期成果不相容等缺點,同時其信號具有穿透云雨、全天候、高精度、大范圍等特點[1]。

        雙軌法D-InSAR作為D-InSAR技術(shù)中的重要方法之一,在進行地表形變檢測時需要使用雷達系統(tǒng)參數(shù)、雷達基線數(shù)據(jù)、相位觀測量和外部DEM等,顯然這些數(shù)據(jù)的誤差會傳播到形變結(jié)果中去,其中外部DEM誤差對形變結(jié)果的影響尤為突出[2]。

        本文從雙軌法D-InSAR形變測量的原理出發(fā),探討獲取地表形變的技術(shù)流程,并結(jié)合實例分析了外部DEM對雙軌法D-InSAR提取形變精度的影響,為D-InSAR技術(shù)在城市規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用提供參考。

        2 雙軌法D-InSAR形變測量原理

        雙軌法D-InSAR提取形變是通過獲取兩幅地形變化前后的SAR影像生成干涉圖,利用外部獲取的相應(yīng)地區(qū)的DEM根據(jù)形變對雷達參數(shù)計算出高程模糊度,再按照高程模糊度進行解纏,得到僅含地形的解纏相位,從生成的干涉圖相位中減去地形相位即得到差分干涉圖(形變相位)。

        雙軌法D-InSAR測量地表形變的原理如圖1所示[3]:

        圖1 雙軌法D-InSAR成像幾何示意圖

        A1和A2是SAR衛(wèi)星兩次成像時天線所處的位置,P為SAR傳感器觀測的目標(biāo),A1到大地參考面的距離為H,h為目標(biāo)P到大地參考面的距離。B為基線長度;基線與水平線的夾角為α;天線A1的視角為θ;P到A1的斜距為R1,到A2的為R2,R1與R2的距離差為σρ。

        假設(shè)A1、A2對目標(biāo)P進行觀測時地表未發(fā)生形變,則天線A1、A2對P的測量相位差為:

        (1)

        由圖1的幾何關(guān)系得:

        (R1+δρ)2=R12+B2+2R1Bsin(θ-α)

        (2)

        (3)

        由于σρ2相對較小可忽略不計且Β?R1,從而:

        δρ≈Bsin(θ-α)

        (4)

        將基線沿視線方向及視線垂直方向進行分解,得:

        B‖=Bsin(θ-α)

        (5)

        B⊥=Bcos(θ-α)

        (6)

        如果A1、A2是地表發(fā)生形變前后衛(wèi)星瞬間對P兩次成像時的天線位置,沿視線方向發(fā)生的地表形變?yōu)椤鳓裠,則A1、A2對P的干涉相位差表示為:

        (7)

        3 外部DEM對雙軌法D-InSAR提取形變影響的理論分析

        雙軌法D-InSAR進行處理的過程中需要引入外部DEM,在雙軌法中地形數(shù)據(jù)引入的誤差將主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性[4]。目前隨著DEM獲取途徑的增多,多源DEM因其精度不同而使D-InSAR提取的形變量受到影響。

        由InSAR高程測量的幾何關(guān)系得:

        h=H-R1cosθ

        (8)

        式(7)和式(8)分別對h求偏導(dǎo)數(shù)得:

        (9)

        (10)

        將式(10)帶入式(9)中得:

        (11)

        根據(jù)式(11)可計算出DEM高程誤差對形變量影響的靈敏度。也就是說對于ENVISAT衛(wèi)星,其波束視角為23°,雷達波長為 5.6 cm,Bam地區(qū)的衛(wèi)地斜距約為 867 km[5],在垂直基線距為476.079、200、150、100 m時,DEM高程誤差對形變量的影響如圖2所示:

        從圖2中可清晰地看出在其他因素不變的情況下,垂直基線越長DEM誤差對形變誤差的影響越靈敏。在利用雙軌法D-InSAR提取地表形變信息時,應(yīng)盡量選用入射角小的發(fā)射器獲取SAR影像和選用有效基線短的雷達影像對進行處理。

        4 基于雙軌法D-InSAR提取地表形變的實驗與分析

        根據(jù)以上的D-InSAR形變測量原理,雙軌法D-InSAR提取地表形變的技術(shù)流程如圖3所示[6]:

        圖3 雙軌法D-InSAR提取地表形變的技術(shù)流程示意圖

        在提取形變的過程中存在著各種誤差,而這些誤差是無法完全消除,要想分析不同精度外部DEM對形變監(jiān)測結(jié)果的影響,就必須使用同一對ENVISAT SAR數(shù)據(jù)的主輔影像,使得實驗的雷達數(shù)據(jù)一致,也保證了結(jié)果中有相同的大氣延遲誤差、軌道誤差和噪聲影響等,同時處理過程中的參數(shù)設(shè)置基本一致,避免因參數(shù)不同而對結(jié)果造成不同的影響,這使得每次實驗的不同就在于外部DEM,則各次實驗結(jié)果的不同之處就是由DEM的誤差引起的,這確保了實驗結(jié)果的可對比性。

        本文所研究的區(qū)域為伊朗首都德黑蘭東南約 1 000 km的巴姆(Bam)地區(qū),實驗數(shù)據(jù)采用ENVISAT衛(wèi)星在該地區(qū)的SAR影像,其中影像Orbit_6687_11Jun03為主影像,Orbit_9693_07Jan04為輔影像;用于對比實驗的外部DEM的具體信息如表1所示:

        外部DEM 表1

        (1)以震前該地區(qū)SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) 90 m分辨率的DEM作為外部DEM,使用SARscape軟件經(jīng)以上步驟進行處理,在此處理過程中生成差分干涉圖如圖4(a)所示。

        圖4 差分干涉圖

        (2)通過兩幅震前影像Orbit_9192_03Dec03和Orbit_6687_11Jun03進行干涉處理獲得DEM,以此DEM作為外部DEM進行數(shù)據(jù)處理,生成差分干涉圖如圖4(b)所示。

        利用以上兩種DEM作為外部DEM提取的差分干涉圖都為蝴蝶狀,北半部條紋數(shù)都為6,但對于南半部的條紋數(shù)就有所不同,以SRTM3 DEM為外部DEM提取的差分條紋為10,而以InSAR技術(shù)提取的DEM作為外部DEM獲取的差分條紋在10~11之間[8];同時條紋的質(zhì)量因為DEM的不同也受到了影響,如圖5所示:

        圖5 差分干涉條紋

        文中使用的SAR數(shù)據(jù)對的垂直基線距為 476.079 m,通過圖5可知:SRTM3 DEM作為外部DEM時引起的形變監(jiān)測誤差為 2.25 cm;InSAR技術(shù)提取的DEM作為外部DEM引起的平均形變監(jiān)測誤差為 0.57 cm。

        雙規(guī)法D-InSAR提取地表形變以InSAR技術(shù)提取的DEM作為外部DEM,其原理依然是三軌法D-InSAR提取形變。外部DEM誤差與D-InSAR監(jiān)測精度是相輔相成的,若DEM誤差很大,反而會對InSAR監(jiān)測精度造成影響。只有當(dāng)引入的外部DEM達到一定精度要求時,雙規(guī)法D-InSAR提取的地表形變誤差才會小于三軌法D-InSAR;以本文為例,當(dāng)引入的外部DEM精度高于 4.08 m時,雙規(guī)法D-InSAR提取的地表形變誤差才會小于三軌法D-InSAR的 0.57 cm。

        5 結(jié) 論

        在地面沉降現(xiàn)象尤為突出的今天,D-InSAR技術(shù)作為一種監(jiān)測手段不但克服了水準(zhǔn)測量和GPS技術(shù)的一些缺點,同時其信號具有穿透云雨、全天候、高精度、大范圍等特點。

        本文從雙軌法D-InSAR形變測量的原理出發(fā),理論分析了外部DEM對雙軌法D-InSAR提取地表形變的影響,在其他參數(shù)不變的情況下得出外部DEM精度與地表形變誤差之間是線性函數(shù)關(guān)系,外部DEM高程中誤差越大所引起的形變誤差就越大;文中還結(jié)合實例分析了外部DEM精度對雙軌法D-InSAR提取形變的影響,分析發(fā)現(xiàn)DEM引入的精度誤差使差分干涉條紋中殘留地形相位信息,而殘留的地形相位信息直接影響了干涉條紋的數(shù)量、密度和質(zhì)量。

        [1] 王海旭. 合成孔徑雷達差分干涉測量在地表形變提取中的應(yīng)用[D]. 成都:成都理工大學(xué),2014.

        [2] 余景波,曹振坦,崔娟等. 雙軌法D-InSAR形變測量的誤差分析[J]. 計測技術(shù),2011(1):3~6.

        [3] 余景波. 基于D-InSAR的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測與分析[D]. 山東:山東科技大學(xué),2011.

        [4] 余景波,曹振坦,崔娟等. 雙軌法D-InSAR形變測量的誤差分析[J]. 計測技術(shù),2011(1):3~6.

        [5] 喬書波,李金嶺,孫付平等. InSAR技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 天文學(xué)進展,2003(1):11~25.

        [6] 崔璐. 基于D-InSAR技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地面沉降變形的研究[D]. 長安:長安大學(xué),2013.

        [7] 孫占義. InSAR&D-InSAR中相位解纏方法的研究[D]. 武漢:武漢大學(xué),2003.

        [8] 王志勇,劉磊,周興東. 利用合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)監(jiān)測伊朗Bam地震同震形變場[J]. 西北地震學(xué)報,2008(4):310~316.

        DEM Precision of D-InSAR Extract the Influence of the Surface Deformation Analysis

        Zhang Youjun,Zhang Louxiang

        (Changzhou Institute of Surveying and Mapping,Changzhou 213000,China)

        Based on the principle of double track D-InSAR deformation measurement,theoretical analysis of the external DEM of double-track method D-InSAR extract the surface deformation,the influence of external DEM accuracy and there is a linear function relationship between the surface deformation error,in the case of other parameters constant external DEM elevation in the greater the error caused by the deformation error;This paper discusses the technical process of obtaining the surface deformation,and combined with examples and analyses the influence of external DEM two-track approach D-InSAR extraction effect of deformation,analysis shows that the accuracy of different external DEM will directly affect the quality,density and quantity of interference fringes.

        double-track method D-InSAR;external DEM;the earth’s surface deformation;the error analysis

        1672-8262(2017)04-89-04

        P237

        A

        2016—12—26

        張有軍(1991—),男,助理工程師,主要從事城市測繪技術(shù)工作。

        住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項目(R22015171)

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