某水溶開采礦區(qū)短基線集InSAR高相干點探測

賀躍光，肖 亮

(長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 前 言

我國巖鹽資源十分豐富，已探明地質(zhì)儲量約44 500億t[1-3]。根據(jù)鹽類礦物易溶于水特性，通過鉆井或井巷把淡水(溶劑)注入礦床，就地進行物理化學(xué)作用，轉(zhuǎn)變成流動狀態(tài)的溶液(鹵水)，再進行抽取[4-6]，其地表沉降具有緩慢均勻的特點，適合于應(yīng)用短基線集InSAR技術(shù)進行地表形變監(jiān)測[7]。

短基線集InSAR技術(shù)(SBAS-InSAR)通過選取高相干點解纏，計算地表形變速率，因此，高相干點選取對SBAS-InSAR計算結(jié)果極其重要[8-10]。已往高相干點探測主要有相干性閾值法、振幅離差指數(shù)閾值法、雙閾值法(結(jié)合相干性閾值法與振幅離差指數(shù)閾值法)[11-13]，單獨使用相干性閾值法與振幅離差指數(shù)閾值法，篩選結(jié)果較差；雙閾值法是通過相干性閾值法結(jié)果直接使用振幅離差指數(shù)閾值法，并未考慮相干性閾值法結(jié)果的質(zhì)量，當(dāng)相干性閾值較小時，閾值結(jié)果會較差，導(dǎo)致高相干點存在較大誤差，影響SBAS結(jié)果精度[9,14]。進而，先根據(jù)相干性進行初步閾值；再根據(jù)信噪比值判定圖像質(zhì)量；最后運用振幅離差指數(shù)閾值進行二次閾值。該方法加入了信噪比評定，保證了結(jié)果圖像的精度。

1 高相干性點提取方法與精度估算

1.1 相干性閾值法

影像對中輻射性較穩(wěn)定的點，其相干系數(shù)高。相干系數(shù)是通過窗口內(nèi)的像素信息計算，而窗口的大小則可進行調(diào)整[9-10,15]。相干系數(shù)計算如式(1)。

式中M，S分別表示構(gòu)成干涉對的兩個SAR影像的局部像素信息(復(fù)數(shù))塊；*表示復(fù)數(shù)共扼算子。

1.2 信噪比判定法

信噪比大小反映 SAR圖像質(zhì)量好壞。振幅離差指數(shù)閾值法計算要求影像點位信噪比大于一定值[16-18]。信噪比RSN1計算如式(2)。

RSN1=log10(S1/N1)

(2)

其中

式中f(i,j)為圖像中各點值；Var為圖像方差。

1.3 振幅離差閾值法

高相干性點穩(wěn)定性的回波振幅時間序列統(tǒng)計特性用振幅離差DA表示。目標(biāo)回波振幅A服從Rice分布：

(3)

低信噪比的Rice分布概率密度函數(shù)趨近于Rayleigh分布，而高信噪比(g/σn>4)的f(A)近似高斯分布：

信噪比(g/σn>4)時，相位離差近似于振幅離差，因而使用振幅離差閾值篩選。對所有影像進行輻射定標(biāo)，主影像像素點的振幅離差指數(shù)計算如式(5)。

(5)

振幅離差指數(shù)小于閾值的點為高相干點。通過相干性系數(shù)閾值、信噪比判定與振幅離差閾值等多種方法選取高相干點，使其在礦區(qū)分布均勻，且可提高測量精度[19-20]。

1.4 精度估算

根據(jù)相干、波長等參數(shù)對測量精度(標(biāo)準(zhǔn)差)進行估算，如式(6)。

(6)

式中γ、λ分別表示干涉相干性和波長；p為估算精度。

2 高相干點探測實驗

2.1 實驗選址概況

選取湖南澧縣某鉆井水溶礦山作為研究區(qū)域，該礦區(qū)屬于平原地形，地勢平坦；礦區(qū)沉降區(qū)多為旱地，無植被覆蓋；居民區(qū)分布在沉降區(qū)外圍的鄉(xiāng)間公路旁，房屋多為平房。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以Matlab軟件為平臺，進行礦區(qū)高相干點自動選取。取2017年1月11日至2017年8月15日歐空局波長5 cm的哨兵1A礦區(qū)影像數(shù)據(jù)，主影像為2017年3月12日的影像(見表1)，生成123個影像對。

表1 礦區(qū)影像數(shù)據(jù)具體信息

圖1中白色框內(nèi)的某水溶開采礦區(qū)，地勢平坦，遮擋較少，礦山開采過程中，地面沉降速度緩慢，適合InSAR監(jiān)測分析。

1)單獨使用相干性閾值實驗，分別設(shè)置閾值為0.4，0.5，0.6，0.7進行實驗，實驗結(jié)果見表2、圖2。圖2中a、b、c、d分別為閾值0.4、0.5、0.6、0.7的結(jié)果圖。結(jié)合表2、圖2可知，隨著閾值加大，點位個數(shù)將減少，圖像質(zhì)量提高。當(dāng)閾值為0.7時，圖像精度為2.324 9，但點位個數(shù)僅有351個，無法滿足后續(xù)計算需要；當(dāng)閾值為0.4時，由圖2a可直觀發(fā)現(xiàn)，點位過多，圖像精度也很差；b、c中點位較a少，精度也比a較理想；但在4副結(jié)果圖中都體現(xiàn)出點位成片分布現(xiàn)象，即使是閾值0.7時，也出現(xiàn)點位成片，說明單獨通過相干性閾值是無法解決點位成片問題，但可以有效提高圖像精度。因相干性系數(shù)計算公式的影響，在成片點位中，存在大量的偽高相干點，進而影響后續(xù)計算精度。

表2 相干性閾值法結(jié)果

圖2 相干性閾值法結(jié)果

2)單獨使用振幅離差閾值法實驗，設(shè)置閾值分別為0.5，0.6，0.7，0.8，實驗結(jié)果見表3、圖3。圖3中a、b、c、d分別為閾值0.5，0.6，0.7，0.8的結(jié)果圖，由圖可知，通過閾值的增加，點位個數(shù)增加，圖像精度變差。圖3a點位個數(shù)為736個，圖像精度為3.858 3，說明振幅離差閾值對提高圖像精度效果較差，但點位為離散分布，不會出現(xiàn)大范圍點位成片現(xiàn)象。

表3 振幅離差閾值法結(jié)果

圖3 振幅離差閾值法結(jié)果

3)結(jié)合相干性閾值與振幅離差閾值法實驗，實驗步驟為：先用相干性閾值進行粗篩選；再通過信噪比評定，如果信噪比滿足要求再進行振幅離差閾值，否則重新設(shè)定相干性閾值直至篩選結(jié)果達到信噪比評定要求。實驗相干性閾值為0.4，0.5，0.6，0.7時，信噪比值見表4。參考一般要求，信噪比值需大于35，所以閾值為0.4的結(jié)果不可以進行振幅離差閾值。對相干性閾值分別為0.5，0.6，0.7的結(jié)果進行振幅離差閾值實驗，結(jié)果分別見表5～7、圖4～6。由表5～7可知:相干性閾值為0.6、0.7點位個數(shù)過少，無法適用于計算需要；閾值為0.5點位符合要求，振幅離差閾值為0.6或0.7，圖像精度較高為3.617 8、3.739 8與點位位置分布較為均勻。

表4 各信噪比值

表5 閾值為0.5結(jié)果

圖4 閾值為0.5結(jié)果

振幅離差指數(shù)閾值點位個數(shù)/個圖像精度/mm0.53052.835 20.65062.960.78513.071 60.81 2933.150 5

圖5 閾值為0.6結(jié)果

振幅離差指數(shù)閾值點位個數(shù)/個圖像精度/mm0.51242.147 20.61622.191 20.72172.245 90.82672.284

圖6 閾值為0.7結(jié)果

綜上所述：通過實驗可分析出，相干性閾值可提高圖像質(zhì)量，但點位分布成密集；振幅離差閾值可使點位離散化，對提高圖像質(zhì)量作用不大；進而先進行相干性閾值粗選，通過信躁比評定圖像質(zhì)量，最后再進行振幅離差指數(shù)閾值精選得到高相干點。該方法既能保證高相干點質(zhì)量，又能確保點位分布均勻，可提高SBAS結(jié)果計算的精度。

3 結(jié) 語

1)相干性系數(shù)受周邊影響嚴重，通過相干性系數(shù)閾值計算，可剔除部分失相干較嚴重點位；

2)振幅離差閾值具有單像元精確識別優(yōu)點，無分辨單元丟失，但要求信噪比達到一定閾值才能使用；

3)提高圖形效果與精度的有效方法是融合上述3種方法，首先通過相干性系數(shù)閾值法，剔除失相干點，縮小范圍；然后經(jīng)信噪比進行判定；最后通過振幅離差閾值選擇高相干點。