基于GPS與D-InSAR融合技術的

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( 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。隨著對該技術研究的不斷深入，D-InSAR地表沉陷監(jiān)測技術逐漸被引入到煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測中。

1.InSAR 技術在地面沉降監(jiān)測中的優(yōu)勢

目前，在世界上很多地區(qū)已經利用先進的GPS結合電子測距及常規(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，構成沉降面必須經過數值內插過程；③必須首先預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與此相應的沉降位移數據。另外，由于衛(wèi)星雷達成像能穿透云層且沒有晝夜之分，雷達數據下載快捷，時間延誤少，加之越來越成熟的配套處理軟件，使得地表沉降數據的提取十分迅速，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)，且數據獲取的速度較快。  

(2)它不僅可以提供用大多數方法難以監(jiān)測到的地區(qū)的數據，而且還可以進行可與傳統(tǒng)測量技術相比擬的高質量的地表變形測量。

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

(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據，這使得長期對地面沉降進行監(jiān)測成為可能。

2.InSAR 技術在地面沉降監(jiān)測中的局限性

2.1 去相關問題

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據。但是長時間間斷性的觀測會降低雷達圖像之間的相關性，產生去相關問題，從而使監(jiān)測到的地面沉降缺乏可信性。因此在雷達數據采集的時期內，要想獲得具有好的相關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性，因此在選擇SAR 數據時，要充分考慮氣候因素。2003年，Perski等對波蘭西西里亞地區(qū)的調查研究發(fā)現(xiàn)體散射是引起去相關的最重要的因素之一，而這一結果對進一步研究、解決去相關問題提供了有利依據。

2.2 誤差問題

在利用InSAR技術進行地面沉降監(jiān)測的過程中，每一個環(huán)節(jié)都有可能產生誤差，導致獲得的SAR 數據及生成的干涉圖產生偏差，從而影響分析結果。具體的影響因素見表 2。

 

 

 

 

 

 

 

表2  影像InSAR數據的因素

 

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 技術進行地面沉降監(jiān)測時應盡量克服相干性的限制，減少數據處理過程中的誤差，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)不相關誤差非常敏感，其中地表狀況以及時態(tài)不相關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，應將InSAR與GPS及傳統(tǒng)的水準測量等方法結合使用，合理利用各技術之間的互補性。GPS-InSAR合成是通過雙內插雙估計(DIDP)方法來實現(xiàn)。

3.GPS與D-InSAR融合技術的優(yōu)勢

3.1 GPS與D-InSAR融合技術的優(yōu)勢

GPS是一種高精度的對地觀測技術，能較精確地確定電離層、對流層參數，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)、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。D-InSAR與GPS技術的互補性主要表現(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據，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數據融合既可以改正InSAR數據本身難于消除的誤差，又可以實現(xiàn)GPS技術高時間分辨率和高平面位置精度與InSAR技術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優(yōu)勢。

3.2 GPS與D-InSAR技術融合的理論

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相位解纏結果。為了使GPS與D-InSAR能夠有效融合，需要進行坐標轉換，統(tǒng)一在同一坐標系下，然后利用已經校正的D-InSAR數據處理結果，對GPS連續(xù)觀測站網的觀測結果進行插值，提高GPS觀測的空間分辨率；利用高時間密度的GPS觀測數據進行時間域的插值，可建立礦區(qū)地表沉降的動態(tài)模型，預測礦區(qū)可能的變化趨勢。

3.3 GPS與D-InSAR數據融合方法

為了實現(xiàn)GPS與D-InSAR數據融合，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數據改正D-InSAR大氣延遲是采用外部數據改正D-InSAR大氣延遲的有效方法之一，也是InSAR變形監(jiān)測領域研究的熱點。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生影響，我們可以利用GPS技術求得大氣對流層延遲，將GPS數據獲得的大氣延遲進行內插，其中改進的反距離加權內插法(IIDW)是被驗證了的內插精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法的內插方法，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數據估計出的站點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，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生的誤差，可以將GPS觀測得到的角反射器點高程值轉換成相位值，其轉換公式為

 

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高程轉換的相位值。在干涉圖上GPS點對應的像素確定后，依據式(2)便可以將GPS高程轉化為相位值。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數據融合技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

利用GPS與D-InSAR融合技術對礦區(qū)地表進行沉陷監(jiān)測，需要在礦區(qū)建立一定數量的GPS連續(xù)觀測站網點(CGPS)，根據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)測數據的加密。在國外已有許多國家建立了規(guī)模不一GNSS CORS網，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和美國斯坦福大學近年利用GPS與D-InSAR融合技術對某地區(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據。

研究結果表明該技術可以監(jiān)測大范圍的微小形變，并且觀測結果是可靠的和準確的。應用GPS與InSAR融合技術進行地表形變監(jiān)測方面，我國已經有約20年的研究積累，但應該說還處于起步階段。國內主要有李德仁等利用SAR圖像采用差分干涉技術對天津市地面沉降進行了研究，得到的結果和利用水準測量求得的結果相似；王超、張紅等利用地震前后的ERS-1/2的三景數據獲取了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，得到的結果與水準數據保持很高的一致性。目前上海等城市相繼在建GNSS CORS連續(xù)運營參考站網，將更有利于推進該方面的研究工作。

GPS與D-InSAR技術具有時空互補性，利用兩種技術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技術的不斷完善和改進，利用GPS與D-InSAR融合技術對礦區(qū)進行形變監(jiān)測將具有廣闊的應用前景。

 

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