形變監(jiān)測(cè)高分辨率InSAR數(shù)據(jù)的精度分析

(1. 宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800； 2. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引 言

自20世紀(jì)后期將干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)運(yùn)用于地面形變監(jiān)測(cè)以來(張拴宏等，2004)，該技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛。Carnec等(1996)利用差分干涉測(cè)量觀測(cè)了地下煤礦開采造成的地面沉降；Massonnet等(1997)研究了加利福尼亞由東部平頂山地?zé)釄?chǎng)造成的地面沉降；Fielding 等(1998)利用ERS SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)油田的地面快速沉降；何慶成等(2006)應(yīng)用不同衛(wèi)星重復(fù)測(cè)量的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了地面沉降研究；湯益先等(2010)利用該技術(shù)對(duì)天津地區(qū)地面沉降進(jìn)行研究，得到了該區(qū)域在1992—2000年的地面沉降結(jié)果。

但是，InSAR技術(shù)在形變監(jiān)測(cè)方面因其自身的局限性(金麗華等，2021)，如數(shù)據(jù)(影像數(shù)量、波長(zhǎng)，重訪周期等)差異性大、工作區(qū)情況(地形、植被覆蓋、大氣狀況、形變量級(jí)等)復(fù)雜、時(shí)序算法自身有缺陷，以及缺少有效的驗(yàn)證數(shù)據(jù)和精度評(píng)定方法等(朱建軍等，2017)，在一定程度上影響了InSAR測(cè)量的精度。因此，在傳統(tǒng)InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了如差分干涉測(cè)量(D-InSAR)(張?jiān)娪竦龋?008)、多時(shí)相MT-InSAR、永久散射體PS-InSAR(朱葉飛等，2010；廖明生等，2012；汪寶存等，2013；盧旺達(dá)等，2020)、小基線集SBAS-InSAR(朱葉飛等，2015)、分布式散射體DS-InSAR、多孔徑MAI-InSAR、主動(dòng)微波遙感中的合成孔徑干涉雷達(dá)InSAR、時(shí)域相干點(diǎn)目標(biāo)方法TCP-InSAR、相干目標(biāo)干涉測(cè)量CT-InSAR等多種技術(shù)(李曉恩等，2021)。但這些技術(shù)無法同時(shí)解決因衛(wèi)星硬件的提升導(dǎo)致重返周期變短后噪聲之間的混疊(朱建軍等，2017),以及因南北向形變的不敏感、相干點(diǎn)密度低、干涉失相干、軌道誤差等問題引起的精度誤差(于軍等，2009)。考慮到精度誤差的不可消除性(朱葉飛等，2020)，定量或定性了解誤差顯得尤為重要。

1 InSAR數(shù)據(jù)選取及處理

InSAR技術(shù)測(cè)量精度與影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量及數(shù)據(jù)處理方法密切相關(guān)。

1.1 影像數(shù)據(jù)的選取

為獲取精度較高的PS點(diǎn)并確保數(shù)據(jù)時(shí)間序列的完整性，影像的數(shù)據(jù)量不可過少。此外，影像的分辨率決定測(cè)量的精細(xì)度，波長(zhǎng)決定形變監(jiān)測(cè)的靈敏度，重訪周期決定監(jiān)測(cè)的相干性。上述因素均影響InSAR形變監(jiān)測(cè)的精度，因此影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量與最終的監(jiān)測(cè)精度密不可分。

圖1 分片、分塊、集中整合處理示意圖(據(jù)李杰等，2019)Fig. 1 Schematic diagram of fragmentation, segmentation, centralized integration processing(after Li et al., 2019)

選取影像時(shí)受存檔影像的空間覆蓋、時(shí)間序列完整性、空間基線等因素限制，結(jié)合已有存檔影像，選用2017-01—2018-12的RADARSAT-2衛(wèi)星XF(超寬精細(xì))模式單視復(fù)數(shù)(SLC)影像378景(李杰等，2019)，影像分辨率為5 m，幅寬為125 km×125 km，極化方式為HH，成像波段為C波段(波長(zhǎng)為5.6 cm)，軌道方向?yàn)榻弟?。將這些影像組合成6個(gè)條帶，每個(gè)條帶基本影像數(shù)為19～28期，可覆蓋江蘇全域，且相鄰圖幅含有公共覆蓋區(qū)域，其中沿軌道方向上的覆蓋長(zhǎng)度不小于標(biāo)準(zhǔn)像幅沿飛行方向覆蓋長(zhǎng)度的15%，不同條帶及像幅之間的重疊度大于標(biāo)準(zhǔn)像幅覆蓋寬度的15%，滿足空間連續(xù)監(jiān)測(cè)需求。

數(shù)據(jù)獲取時(shí)段內(nèi)，同一像幅年度數(shù)據(jù)量≥8期，且影像間獲取時(shí)段分布均勻，無過長(zhǎng)時(shí)間跨度，有效避免因地面自然狀況變化導(dǎo)致的去相干和誤差因素。各時(shí)相重軌數(shù)據(jù)間空間垂直基線遠(yuǎn)小于臨界基線值的一半，滿足時(shí)間連續(xù)性要求。

1.2 數(shù)據(jù)處理

針對(duì)高分辨率影像數(shù)據(jù)量較大(378景)、各期影像獲取的質(zhì)量不同、不同條帶間影像成像日期不同、各條帶處理參考點(diǎn)不同、基準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，處理時(shí)采用分片、分塊、集中整合，以及長(zhǎng)條帶、多軌道分時(shí)序處理的總體思路(葛大慶，2013)，在保證處理結(jié)果質(zhì)量最優(yōu)的前提下，極大程度提高了大數(shù)據(jù)量高分辨率影像的處理效率。

1.2.1 分片、分塊、集中整合 (1) 搭建異構(gòu)集群體系，將InSAR處理過程中的各步驟以模塊形式部署至各計(jì)算資源上，完成對(duì)話及調(diào)度處理測(cè)試(圖1)。

(2) 對(duì)條帶拼接后的高分辨率影像進(jìn)行配準(zhǔn)，按預(yù)定義格網(wǎng)進(jìn)行拆分，由主節(jié)點(diǎn)按負(fù)載均衡原則分配格網(wǎng)至各計(jì)算資源，以進(jìn)行InSAR預(yù)定義模塊處理。

由于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的不同，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)而言，其在Access數(shù)據(jù)庫(kù)方面的教學(xué)呈現(xiàn)一種不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)。主要體現(xiàn)為：

(3) 將各子節(jié)點(diǎn)處理完成的結(jié)果上傳至主節(jié)點(diǎn)，完成拼接工作。

(4) 整體解纏。

1.2.2 長(zhǎng)條帶、多軌道分時(shí)序處理 InSAR技術(shù)獲取的地面形變均為相對(duì)于某個(gè)特定參考基準(zhǔn)(參考點(diǎn))而言的數(shù)據(jù)，不同圖幅、不同軌道下得到的形變結(jié)果存在基準(zhǔn)偏差，因此對(duì)于大區(qū)域形變監(jiān)測(cè)而言，長(zhǎng)條帶各數(shù)據(jù)分塊之間、相鄰條帶之間形變結(jié)果的基準(zhǔn)統(tǒng)一是結(jié)果鑲嵌的核心問題。

按影像拍攝日期將相同軌道的SLC影像進(jìn)行拼接生成長(zhǎng)條帶影像，然后采用分塊處理的方式將長(zhǎng)條帶影像分割成具有一定重疊度的多個(gè)數(shù)據(jù)塊，對(duì)各數(shù)據(jù)塊進(jìn)行時(shí)序分析處理。由于采用了相同軌道、相同時(shí)序影像及主影像，相鄰數(shù)據(jù)塊在重疊區(qū)內(nèi)的軌道誤差與大氣影響保持一致，形變結(jié)果偏差較小，拼接處理較容易。此外，當(dāng)相同軌道數(shù)據(jù)量有限時(shí)，可在得到差分相位后(樓良盛等，2012)先將多個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行拼接，再整體解纏，整個(gè)條帶采用同一參考基準(zhǔn)，避免拼接問題。

不同軌道的影像獲取日期不同、采用的主影像空間不同、各影像的軌道誤差及大氣影響不同是相鄰軌道重疊區(qū)內(nèi)形變結(jié)果不一致的主要因素。此外，平行軌道之間重疊區(qū)的衛(wèi)星入射角略有差異，可視為對(duì)重疊區(qū)域的2次獨(dú)立觀測(cè)，相鄰條帶的形變速率結(jié)果可由此區(qū)域進(jìn)行相互檢驗(yàn)，也是相鄰條帶速率結(jié)果進(jìn)行拼接的基礎(chǔ)。由于衛(wèi)星入射角的差異，相鄰軌道在重疊區(qū)內(nèi)的高相干目標(biāo)也存在差異，同名點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)差異可作為相鄰軌道速率結(jié)果之間的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此將多個(gè)軌道之間的速率結(jié)果進(jìn)行定標(biāo)、拼接、統(tǒng)一(李杰等，2019)。

2 InSAR數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度對(duì)比

精度的驗(yàn)證采用一致性率(上升或沉降一致性)、最大差值、平均差值及標(biāo)準(zhǔn)差4個(gè)指標(biāo)。一致性率可定性評(píng)價(jià)InSAR形變監(jiān)測(cè)的可行性，最大差值、平均差值及標(biāo)準(zhǔn)差用于定量評(píng)價(jià)InSAR形變監(jiān)測(cè)的精度。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，是離均差平方和平均后的方根；x為各點(diǎn)的差值；μ為各差值的平均值(算術(shù)平均值)。

2.1 水準(zhǔn)測(cè)量驗(yàn)證

2.1.1 興化水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR結(jié)果精度驗(yàn)證 選取江蘇興化76個(gè)水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)參與驗(yàn)證，測(cè)量日期為2018-06—2018-11，InSAR監(jiān)測(cè)選取2018-05-31—2018-10-22的累計(jì)形變結(jié)果，與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

將水準(zhǔn)點(diǎn)周圍50 m的區(qū)域劃為有效區(qū)，與落入該區(qū)的InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。但I(xiàn)nSAR監(jiān)測(cè)得到的有效參照點(diǎn)分布具有不確定性，可能分布在道路、房屋、河流水面等，而水準(zhǔn)點(diǎn)基本分布在道路上，因此將有效區(qū)內(nèi)與水準(zhǔn)點(diǎn)位置不一致的參照點(diǎn)去除。

在76個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)中，有64個(gè)點(diǎn)的50 m范圍內(nèi)存在PS點(diǎn)，將水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有效區(qū)內(nèi)的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果均值進(jìn)行對(duì)比(表1、圖2)。

64個(gè)對(duì)比點(diǎn)中，沉降或上升數(shù)據(jù)相符的點(diǎn)有53個(gè)，一致性率為82.81%，水準(zhǔn)測(cè)量值與InSAR結(jié)果最大差值為9.11 mm，平均差值為1.62 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.55 mm。二者之間有可對(duì)比性，InSAR技術(shù)用于形變監(jiān)測(cè)有一定的可靠性。

表1 江蘇興化水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

表1(續(xù))

圖2 江蘇興化水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig. 2 Comparison between levelling and InSAR monitoring data in Xinghua, Jiangsu

2.1.2 淮安洪澤鹽礦礦區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)與InSAR結(jié)果精度驗(yàn)證 江蘇淮安洪澤鹽礦礦區(qū)共有包括水準(zhǔn)測(cè)量、GPS、基巖標(biāo)在內(nèi)的15組有效測(cè)量數(shù)據(jù)(測(cè)量日期為2017-12—2018-07)，選擇測(cè)量點(diǎn)周圍50 m為有效區(qū)，與InSAR監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(表2、圖3)。結(jié)果顯示，一致性率為93.33%，最大差值為9.72 mm，平均差值為2.69 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.62 mm。

表2 洪澤鹽礦測(cè)量數(shù)據(jù)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 洪澤鹽礦傳統(tǒng)方法測(cè)量數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig. 3 Comparison between traditional monitoring data and InSAR monitoring data in the Hongze salt deposit

2.2 基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR結(jié)果精度驗(yàn)證

選取的江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日期為2016-12—2018-12(蔡田露等，2021)，InSAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)日期為2017-02—2018-12，選擇2017-06—2017-12、2017-12—2018-06、2017-12—2018-12共3個(gè)時(shí)間段對(duì)基巖標(biāo)數(shù)據(jù)與InSAR結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。分別統(tǒng)計(jì)3個(gè)階段基巖標(biāo)數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)對(duì)比情況。

2.2.1 2017-06—2017-12 江蘇沿?；鶐r標(biāo)與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果最大差值為18.64 mm，誤差平均值為7.44 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.66 mm，一致性率為80.00%。徐圩位置的基巖標(biāo)數(shù)據(jù)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比呈現(xiàn)較大誤差(表3、圖4)。

2.2.2 2017-12—2018-06 基巖標(biāo)與InSAR監(jiān)測(cè)值最大差值為2.59 mm，誤差平均值為0.77 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.84 mm，一致性率為100.00%(表4、圖5)。

表3 江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(2017-06—2017-12)

圖4 江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖(2017-06—2017-12)Fig. 4 Comparison between bedrock marker monitoring data and InSAR monitoring data in coastal Jiangsu(2017-06-2017-12)

表4 江蘇沿海基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(2017-12—2018-06)

圖5 江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖(2017-12—2018-06)Fig. 5 Comparison between bedrock marker monitoring data and InSAR monitoring data in coastal Jiangsu(2017-12-2018-06)

2.2.3 2017-12—2018-12 基巖標(biāo)與InSAR監(jiān)測(cè)值最大差值為4.35 mm，誤差平均值為2.51 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.43 mm，一致性率為100.00%(表5、圖6)。

表5 江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(2017-12—2018-12)

圖6 江蘇沿?；鶐r標(biāo)監(jiān)測(cè)與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖(2017-12—2018-12)Fig. 6 Comparison between bedrock marker monitoring data and InSAR monitoring data in coastal Jiangsu(2017-12-2018-12)

2.3 精度驗(yàn)證結(jié)果

選取79個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)、7個(gè)基巖標(biāo)(分別選取不同時(shí)段)測(cè)量數(shù)據(jù)，共98個(gè)數(shù)據(jù)樣本，與同期的InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，一致性率為86.73%，監(jiān)測(cè)結(jié)果最大差值為18.64 mm，平均差值為2.08 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.50 mm。

3 結(jié) 論

(1) InSAR測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量及基巖標(biāo)測(cè)量間的一致性率(抬升或沉降一致性)為86.73%，表明InSAR可用于形變定性監(jiān)測(cè)。

(2) InSAR測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量及基巖標(biāo)測(cè)量間平均差值為2.08 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.50 mm，表明InSAR可用于形變半定量監(jiān)測(cè)。

(3) InSAR測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量間的最大差值為18.64 mm，對(duì)于高層建筑、排水管線、大壩、橋梁等需高精度形變監(jiān)測(cè)的工程仍不能替代水準(zhǔn)測(cè)量。

(4) InSAR測(cè)量的精度誤差因自身技術(shù)的原因難以消除，可利用裸露的山巖、已有的水準(zhǔn)點(diǎn)及基巖標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，增設(shè)人工角反射器，以提高測(cè)量精度及數(shù)據(jù)的可靠性。