InSAR地面沉降監(jiān)測精度分析與評價

汪寶存，遠(yuǎn)順立，王繼華，郭凌飛，王文杰，焦學(xué)軍

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州450006；2.河南省地質(zhì)勘查信息化工程技術(shù)研究中心，鄭州450006；3.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，鄭州450006）

InSAR地面沉降監(jiān)測精度分析與評價

汪寶存1，2，遠(yuǎn)順立1，2，王繼華3，郭凌飛1，2，王文杰1，2，焦學(xué)軍1，2

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州450006；2.河南省地質(zhì)勘查信息化工程技術(shù)研究中心，鄭州450006；3.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，鄭州450006）

針對InSAR地面沉降監(jiān)測精度所受到的質(zhì)疑，以鄭州市為研究區(qū)，該文提出了在SAR衛(wèi)星過境獲取圖像的同時開展水準(zhǔn)測量，通過開展地面沉降星地同步觀測實驗，即利用水準(zhǔn)觀測結(jié)果對InSAR地面沉降監(jiān)測的精度進行了對比分析與評價。分別于2012年11月、2013年6月、8月，開展了3次同步觀測實驗，獲取了InSAR與同步的水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一參考基準(zhǔn)，糾正了InSAR、水準(zhǔn)兩種測量方法測量結(jié)果出現(xiàn)的整體偏差；統(tǒng)一參考基準(zhǔn)后，最臨近距離的平均誤差在±1.9mm～4.8mm之間，中誤差在±2.3mm～5.6mm之間，采用克里金插值法的平均誤差在±1.5mm～3.8mm之間，中誤差在±1.9mm～4.6mm之間。結(jié)果表明InSAR地面沉降監(jiān)測具有較高的測量精度。

InSAR；同步觀測；精度；地面沉降；最鄰近距離；克里金插值

0 引 言

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）已在北京、上海、天津、南京、蘇州、華北平原、長江三角洲等城市和地區(qū)的地面沉降監(jiān)測得到了較好的應(yīng)用，取得了很大的成功。在取得這些成績的同時，InSAR地面沉降監(jiān)測的精度卻仍然受到廣泛的質(zhì)疑，這在一定程度上阻礙了InSAR技術(shù)推廣和應(yīng)用。

近年來，武漢大學(xué)的李振洪［1］、廖明生［2］、中科院遙感應(yīng)用研究所的湯益先［3］、西南交通大學(xué)的陳強［4］、長安大學(xué)的趙超英［5］、中國地震局地殼應(yīng)力研究所的劉志敏［6］、西南交通大學(xué)的賈洪果［7］、中國地質(zhì)大學(xué)的楊紅磊［8］、葛大慶［9］、山東科技大學(xué)的余景波［10］以及國外的Berardino P［11－12］等均對InSAR的監(jiān)測精度進行了評價，本文以鄭州市為研究區(qū)，采用水準(zhǔn)與InSAR同步觀測的方式，開展地面沉降星地同步觀測實驗，即在合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）衛(wèi)星過境獲取圖像的同時開展水準(zhǔn)測量，分別以4個時間段的沉降量對InSAR地面沉降監(jiān)測精度進行分析與評價。

1 研究思路

由于水準(zhǔn)測量、InSAR測量分別屬于兩種不同的測量系統(tǒng)，水準(zhǔn)測量無法與InSAR測量結(jié)果進行直接的對比。為此首先開展地面沉降水準(zhǔn)測量、InSAR沉降監(jiān)測工作，獲取測量數(shù)據(jù)，然后對測量數(shù)據(jù)進行時間、空間基準(zhǔn)統(tǒng)一，利用最鄰近距離、克里金插值法提取水準(zhǔn)監(jiān)測點對應(yīng)InSAR測量值，利用線性回歸實現(xiàn)水準(zhǔn)及InSAR兩種測量系統(tǒng)參考基準(zhǔn)的統(tǒng)一，最后對InSAR測量精度進行分析與評價。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

2.1 InSAR地面沉降監(jiān)測

訂購3mTerraSAR－X數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取時間為2012年9月1日～2013年9月9日，將獲取的17景圖像，組成了26個干涉對（圖1），采用SRTM3 DEM去除地形相位。采用振幅離差閾值和相干系數(shù)閾值雙閾值方法識別永久散射體，閾值分別設(shè)為0.25和0.4，識別的永久散射點主要分布在人工建筑和裸露的地表。對識別Ps點集進行二軌差分得到每個點的差分干涉相位，選擇研究區(qū)內(nèi)中部一個相對穩(wěn)定并且后向散射強的一個點作為參考點，為了保證該點的可靠性，以該點9×9大小窗口的的相位均值為參考相位，對差分干涉相位進行時空域相位解纏，得到初始形變速率和高程改正量，對殘差相位進行空間域濾波，濾波窗口為50×50，得到大氣延遲相位。利用高程改正量糾正初始SRTM3 DEM后，聯(lián)合大氣延遲相位重新進行二軌差分干涉，接著再次進行時空域相位解纏，得到正確的形變量相位值。最后解纏后的相位采用SVD分解獲得時序形變信息。

圖1 干涉對分布圖

2.2 地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測

地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測采用二等水準(zhǔn)測量作業(yè)方式進行，作業(yè)時間與衛(wèi)星過境時間盡可能一致，具體時間見表1。水準(zhǔn)測量路線分別在沉降嚴(yán)重區(qū)（三全路、花園路、紅專路，年沉降量30mm～100mm）、沉降輕微區(qū)（航海西路、紫荊山路，年沉降20mm～40mm）以及相對穩(wěn)定區(qū)（中原東路、人民路，年沉降量0～10mm）進行布設(shè)［13－15］，聯(lián)測各等級控制點共60個，水準(zhǔn)路線長34km。

表1 水準(zhǔn)、SAR圖像獲取時間表

2.3 InSAR、水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)時空基準(zhǔn)統(tǒng)一

采用水準(zhǔn)與InSAR同步觀測的方式，開展地面沉降星地同步觀測實驗，實現(xiàn)了InSAR與水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)在時間基準(zhǔn)上的統(tǒng)一。由于水準(zhǔn)觀測時間間隔不足一年，根據(jù)三次水準(zhǔn)觀測值采用一次回歸分析所擬合出的結(jié)果。將InSAR、水準(zhǔn)的測量結(jié)果統(tǒng)一投影到精確的WGS－84（World Geodetic System 1984，WGS－84）坐標(biāo)系，實現(xiàn)空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

2.4 InSAR驗證數(shù)據(jù)提取與分析

時空基準(zhǔn)統(tǒng)一后，采用最鄰近距離以及克里金插值兩種方法提取與水準(zhǔn)點對應(yīng)的InSAR驗證數(shù)值。最鄰近距離法是以水準(zhǔn)監(jiān)測點為中心搜索最近的Ps點，提取水準(zhǔn)監(jiān)測點附近InSAR地面沉降值，距離的量度方式采用歐式距離法?？死锝鸩逯捣ㄊ紫壤闷胀死锝鸱▽nSAR測量結(jié)果進行插值，得到地面沉降分布圖，然后再提取水準(zhǔn)監(jiān)測點上對應(yīng)的InSAR測量值。圖2、圖3為2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4個時間段水準(zhǔn)、InSAR測量結(jié)果及差值折線圖（差值為InSAR測量值減去水準(zhǔn)測量值）。從圖2、圖3均可以看出InSAR測量結(jié)果與水準(zhǔn)測量結(jié)果保持了很高的一致性，InSAR與水準(zhǔn)的差值絕大多數(shù)位于±10mm之間，且克里金插值法結(jié)果優(yōu)于最鄰近距離法。

圖2 水準(zhǔn)、最鄰近距離InSAR結(jié)果及差值折線圖

圖3 水準(zhǔn)、克里金插值InSAR測量結(jié)果及差值折線

3 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)及精度分析與評價

3.1 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)

采用線性回歸模型對水準(zhǔn)及對應(yīng)InSAR監(jiān)測結(jié)果進行回歸分析，回歸方程為（式1）［9］，其中y為InSAR的測量值，x為水準(zhǔn)測量值，a為回歸系數(shù)，b為常數(shù)。通過回歸分析得到3個時間段及年均的回歸方程（表2），對應(yīng)的y軸的截距b即為InSAR與水準(zhǔn)之間的整體偏差，以水準(zhǔn)為基礎(chǔ)調(diào)整對應(yīng)的InSAR值，對InSAR值進行補償，補償?shù)闹狄姳?，實現(xiàn)InSAR與水準(zhǔn)參考基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

y＝ax＋b （1）

統(tǒng)一參考基準(zhǔn)后，InSAR與水準(zhǔn)的差值仍然有部分點差值大于10mm（表3），實地調(diào)查表明個別監(jiān)測點差值過大主要是因為有些水準(zhǔn)監(jiān)測點位于道路附近，車輛的碾壓導(dǎo)致水準(zhǔn)監(jiān)測值偏大，另有部分InSAR點位于新建建筑物上，建筑物自身的沉降導(dǎo)致InSAR監(jiān)測值偏大，為準(zhǔn)確評價InSAR監(jiān)測精度，統(tǒng)一參考基準(zhǔn)時將差值絕對值大于10mm的點刪除。圖4、圖5為統(tǒng)一參考基準(zhǔn)之后2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4個時間段水準(zhǔn)、InSAR測量結(jié)果及差值折線圖。統(tǒng)一參考基準(zhǔn)后InSAR與水準(zhǔn)測量結(jié)果一致性進一步提高，InSAR與水準(zhǔn)的差值均在± 10mm之間，克里金插值法結(jié)果優(yōu)于最鄰近距離法。

表2 最鄰近距離、克里金插值回歸分析結(jié)果

表3 最臨近距離、克里金插值統(tǒng)一參考基準(zhǔn)

圖4 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)后水準(zhǔn)、最鄰近距離InSAR測量結(jié)果及差值折線圖

圖5 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)水準(zhǔn)、克里金插值InSAR測量結(jié)果及差值折線圖

3.2 精度分析與評價

誤差評價采用如下公式：

式中：φ為平均誤差，dli為水準(zhǔn)測量值，dIi為InSAR測量值，m為中誤差，由此可求得3個時間段及年均的測量精度。

利用式（2）、式（3）計算得到2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）統(tǒng)一參考基準(zhǔn)前后InSAR誤差一覽表（表4、表5）。從結(jié)果可以看出克里金插值的結(jié)果普遍優(yōu)于最鄰近距離法，除統(tǒng)一參考基準(zhǔn)前2012.11～2013.6、2012.11～2013.8兩個時間段最鄰近距離法的中誤差超過±10mm，其余精度均在毫米級；統(tǒng)一參考基準(zhǔn)的后結(jié)果普遍優(yōu)于之前的結(jié)果，其中基于克里金插值2011.11～2012.6平均誤差為± 3.8mm，中誤差為±4.6mm，驗證率為88.30%，2012.11～2013.8平均誤差為±3.7mm，中誤差為±4.5mm，驗證率為88.30%，2013.6～2013.8平均誤差為±1.5mm，中誤差為±1.9mm，驗證率為100.00%，2012.9～2013.9（年均）平均誤差為± 3.5mm，中誤差為±4.4mm，驗證率為78.30%，除年均的驗證率稍低，其它指標(biāo)均優(yōu)于基于最鄰近距離的結(jié)果。

表4 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)前最鄰近距離、克里金插值誤差一覽表

表5 統(tǒng)一參考基準(zhǔn)后最鄰近距離、克里金插值誤差一覽表

4 結(jié)束語

本文開展地面沉降星地同步觀測實驗，對InSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測的精度進行了分析與評價，主要結(jié)果如下：

①采用最臨近距離法的平均誤差在±1.9mm～4.8mm之間，中誤差在±2.3mm～5.6mm之間，采用克里金插值法的平均誤差在±1.5mm～3.8mm之間，中誤差在±1.9mm～4.6mm之間。評價結(jié)果表明InSAR地面沉降監(jiān)測具有較高的測量精度。

②從采樣密度上分析，InSAR監(jiān)測在市區(qū)、城鎮(zhèn)等人工建筑物密集的地區(qū)，Ps點的密度能達到100個／km2～4000個／km2；從監(jiān)測周期／頻率上分析，目前在軌SAR衛(wèi)星中Radarsat－2重訪周期為24天，Terrasar－X為11天，Cosmo－Skymed為4天。

③與水準(zhǔn)測量相比InSAR技術(shù)具有較高的垂向測量精度，遠(yuǎn)高于水準(zhǔn)采樣密度以及監(jiān)測周期／頻率，因此更容易識別出地面沉降的分布規(guī)律以及發(fā)展動態(tài)變化規(guī)律。

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Accuracy Analysis and Evaluation of InSAR Land Subsidence Monitoring

WANG Bao－cun1，2，YUAN Shun－li1，2，WANG Ji－h(huán)ua3，GUO Ling－fei1，2，WANG Wen－jie1，2，JIAO Xue－jun1，2
（1.Institute of Surveying，Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo－exploration and Mineral Development，Zhengzhou450006；2.Engineering Research Center of Henan Provincial Geological Exploration of Information Technology，Zhengzhou450006；3.Henan Geo－Environmental Monitoring Institute，Zhengzhou450006）

This paper takes Zhengzhou city as the research area，aiming at the question of InSAR land subsidence monitoring accuracy，then carries out the“l(fā)and subsidence observation experiment by synchronize satellite and ground”with the way of levelling when SAR satellite captures images.Namely，we analyze and evaluate the InSAR land subsidence monitoring accuracy by utilizing the levelling results.Three synchronize experiments were carried out in August 2012，November 2013and June 2013，then InSAR and synchronize levelling results were acquired.The whole deviation of InSAR and levelling measurement results were corrected through the unified reference.The average error of the near distance between±1.9mm～4.8mm and the mean square error between±2.3mm～5.6mm after the reference been unified.The average error between±1.5mm～3.8mm and the mean square error between±1.9mm～4.6mm after applying the kriging interpolation method.Results showed that the InSAR land subsidence monitoring have higher measuring accuracy.

InSAR；synchronous observation；accuracy；land subsidence；near distance；kriging interpolation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.002

P642.26

A

1000－3177（2015）140－0008－06

2014－07－29

2014－09－04

中國地質(zhì)調(diào)查局項目（12120110809049）；河南省地礦局項目（豫地環(huán)［2012］17號）。

汪寶存（1980—），男，工程師，主要從事基于InSAR的地面沉降監(jiān)測應(yīng)用研究。

E－mail：309307201＠qq.com