基于GPS與D－InSAR融合技術(shù)的礦區(qū)沉降監(jiān)測

劉冬，鄭南山，王剛

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116;2.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 210008)

1 引言

煤炭資源的開發(fā)和利用是一柄雙刃劍:一方面給人類帶來物質(zhì)財富，另一方面在一定程度上破壞了人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境，會造成以地表沉陷為代表的地質(zhì)災(zāi)害［1］。大面積的礦山開采造成了大面積的地表形變和地面沉降，其影響范圍非常大。礦山開采造成的地面沉降一直是學者和專家研究的熱點問題，國內(nèi)外有大量的相關(guān)研究工作，并取得了許多研究成果。

利用GPS進行變形監(jiān)測具有測站間無需通視、可同時測定點的三維坐標、全天候作業(yè)、易于實現(xiàn)觀測自動化、可消除或消弱系統(tǒng)誤差的影響、并可直接用大地高進行垂直形變測量等優(yōu)點［2］。D－InSAR技術(shù)可以在大面積范圍內(nèi)監(jiān)測地面的微小形變，具有不需要人員進入現(xiàn)場區(qū)域測量的特點;D－InSAR技術(shù)用幾幅影像就可以監(jiān)測上萬平方千米的地表形變，且監(jiān)測精度可達到毫米級［3］;D－InSAR技術(shù)相對于GPS和傳統(tǒng)測量技術(shù)具有成本低的特點。但D－InSAR局限性在于對大氣延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差和地表覆蓋的變化和時間去相關(guān)非常敏感，時間分辨率很低。而D－InSAR數(shù)據(jù)本身無法解決上述問題，需要其他對地觀測技術(shù)的補充。D－InSAR與GPS技術(shù)具有很強的互補性，一方面可以利用GPS技術(shù)消減D－InSAR的大氣延遲及軌道誤差，提高其時間分辨率，解決它的時間去相關(guān)問題;另一方面，可以利用D－InSAR技術(shù)提高GPS的空間分辨率。因此，將兩種技術(shù)融合不但可以提高信息的準確性和可靠性，而且信息融合過程會挖掘更多的信息，從而推動對地觀測技術(shù)向更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展。目前，國內(nèi)利用GPS與D－InSAR融合技術(shù)進行形變監(jiān)測做了很多研究［4～8］，運用GPS與 D－InSAR 融合技術(shù)對礦區(qū)沉陷監(jiān)測的研究相對較少。本文在分析GPS與D－InSAR的技術(shù)特點后，探討利用GPS與D－In-SAR融合技術(shù)進行礦區(qū)形變監(jiān)測。

2 基于D－InSAR技術(shù)的礦區(qū)形變監(jiān)測

D－InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)形變信息有二軌法和三軌法［3］。二軌法主要是利用礦區(qū)變形前后兩幅SAR影像生成的干涉紋圖，利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬紋圖，通過對干涉紋圖差分處理除去地形信息，以得到礦區(qū)地表形變信息;三軌法是利用三幅SAR影像生成二幅干涉紋圖，一幅反映礦區(qū)地形信息，一幅反映礦區(qū)地表形變信息，首先平地效應(yīng)消除，再進行相位解纏，最后利用差分干涉處理獲得礦區(qū)形變信息。

合成孔徑雷達干涉測量具有全天時、全天候、廣覆蓋、高分辨率等優(yōu)點，在地表形變的相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。1989年Gabriel等人利用Seasat L波段SAR數(shù)據(jù)測量了加利福尼亞東南部的英佩瑞爾河谷灌溉區(qū)的地表形變［9］，首次論證了D－InSAR技術(shù)可以用于檢測厘米級的地表形變。之后，到20世紀90年代后期，部分學者通過實驗證實D－InSAR技術(shù)對地球表面形變監(jiān)測的精度可以達到毫米級。

與常規(guī)方法(如GPS、水準監(jiān)測等)相比，D－InSAR具有覆蓋范圍廣，空間分辨率高，可以實施大范圍內(nèi)連續(xù)地表監(jiān)測。相對其可以達到的精度而言，成本較低，并且有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源等特點。但是利用D－InSAR技術(shù)對礦區(qū)進行沉陷監(jiān)測有其固有的局限性，有些礦區(qū)的開采沉陷范圍較小、形變變化緩慢，對于D－In-SAR技術(shù)來說具有挑戰(zhàn)性;礦區(qū)的植被覆蓋可能導致難以生成雷達干涉圖;D－InSAR技術(shù)受大氣延遲、衛(wèi)星軌道誤差和數(shù)據(jù)處理過程中的噪聲等造成虛假形變;D－InSAR技術(shù)本身存在衛(wèi)星軌道誤差、空間和時間去相關(guān)導致干涉圖不準確。諸多問題僅靠系統(tǒng)本身是難以解決的，可通過融合其他的觀測技術(shù)加以輔助。

3 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－In-SAR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。

4 GPS與D－InSAR融合技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)形變

4.1 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－In-SAR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－In-SAR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。

4.2 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－In-SAR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［10］，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和;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［4］。

(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［10］:

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。

4.3 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和美國斯坦福大學近年利用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。

5 結(jié)語

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。

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