孟 香 馬開(kāi)鋒

(華北水利水電大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,河南 鄭州 450046)

0 引言

近年來(lái)地表形變引起來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響了人們的日常生產(chǎn)和生活，甚至造成了巨大損失,因此對(duì)由自然或人為引起的地表形變進(jìn)行及時(shí)高效的監(jiān)測(cè)迫在眉睫。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)一般采用精密重復(fù)水準(zhǔn)測(cè)量方法和GPS方法滿足百平方公里大尺度的監(jiān)測(cè)任務(wù)[3]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比合成孔徑干涉雷達(dá)(InSAR)技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、穿透力強(qiáng)以及分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。InSAR技術(shù)已經(jīng)從論證研究階段發(fā)展到了較成熟的階段，發(fā)展至今已經(jīng)積累了大量的研究經(jīng)驗(yàn)和研究成果，而且獲得了毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果精度。

合成孔徑差分干涉雷達(dá)(D-InSAR)是以InSAR為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，它利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息進(jìn)行地表的垂直形變量的提取，具有連續(xù)空間覆蓋、高度自動(dòng)化和高精度監(jiān)測(cè)地表形變的能力，為地表形變的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了全新的方法[6]。

基于D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，外部DEM的精度會(huì)直接影響底邊形變的監(jiān)測(cè)精度。國(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)DEM的精度影響形變監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行了研究。陳俊勇[9]對(duì)SRTM3和GTOPO30地形數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估研究，并得出SRTM3-1的總體精度要高于GTOPO30的結(jié)論；盧瑩[10]對(duì)不同分辨率DEM對(duì)InSAR變形監(jiān)測(cè)精度的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表示SRTM-1的精度在實(shí)驗(yàn)中表示為最好。

綜上所述SRTM系統(tǒng)中的DEM精度在形變監(jiān)測(cè)中比較穩(wěn)定，而且在InSAR監(jiān)測(cè)中有重要的地位。為了研究不同分辨率、不同精度的DEM對(duì)地表形變監(jiān)測(cè)的影響[10]。與之前的研究成果相比，本文的7種不同分辨率的DEM會(huì)更加全面、豐富的反映不同分辨率DEM對(duì)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)的影響。也更能說(shuō)明外部DEM在監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的實(shí)用意義。

1 D-InSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)基本原理

D-InSAR需要觀測(cè)區(qū)域形變前后兩幅單視復(fù)影像(SLC)組成干涉對(duì)，得到的干涉相位中既包括地形信息也包括形變信息，利用已知的DEM數(shù)據(jù)去除地形信息就可以得到地表形變信息[11]。

對(duì)于重復(fù)軌干涉測(cè)量，兩次觀測(cè)所獲得干涉相位φint為[16]：

φint=φf(shuō)lat+φtopo+φmov+φatm+φnoise

(1)

其中，φf(shuō)lat為與距離向有關(guān)的平地相位；φtopo為地形相位；φmov為兩次獲取SAR圖像的時(shí)間段內(nèi)地表在雷達(dá)視線方向的移動(dòng)量引起的相位變化；φatm為大氣相位變化；φnoise為噪聲相位。

當(dāng)?shù)孛婺繕?biāo)點(diǎn)從P′發(fā)生移動(dòng)至P″位置時(shí)，在雷達(dá)視線方向位移值投影為Δr。形變前后得到兩幅SAR影像的干涉圖，得到的P″點(diǎn)包含含有形變量的干涉相位為式(2)中：

(2)

由于形變位移Δr?R″，因此可以近似認(rèn)為R′，R″平行，則R″≈R′+Δr，P″點(diǎn)包含有形變相位。

(3)

由上可知，P′為沒(méi)有形變位移的相位，包含平地效應(yīng)相位和地形起伏相位，因此P″點(diǎn)相位又可以表示為:

(4)

形變相位示意圖見(jiàn)圖1。

得到地表形變相位:

(5)

所以引起地表形變?yōu)?

(6)

其中，λ為雷達(dá)入射波波長(zhǎng)；r為傳感器距地面的斜距；b為垂直基線長(zhǎng)；Δr為像元斜距差；θ為雷達(dá)天線的參考視線角。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 DEM數(shù)據(jù)

二軌法差分干涉處理方法最為常見(jiàn)，由于該方法借助于外部數(shù)字高程模型(DEM)，DEM的精度將直接影響地表形變的監(jiān)測(cè)精度。本文采用7種不同分辨率的DEM，具體數(shù)據(jù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 DEM數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

2.2 不同DEM的D-InSAR形變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了研究不同的DEM對(duì)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，進(jìn)行三個(gè)實(shí)驗(yàn)：

1)不同源同精度的DEM對(duì)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)影響。

2)同源不同精度DEM對(duì)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)影響。

3)其他DEM對(duì)D-InSAR形變監(jiān)測(cè)影響。

2.2.1 不同源同精度DEM的D-InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

基于同精度DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖如圖2所示。

不同分辨率DEM形變量信息見(jiàn)表2。

表2 鄭州部分區(qū)域形變量

2.2.2 同源不同精度DEM的D-InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

基于不同源DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖如圖3所示。

不同分辨率DEM形變量信息見(jiàn)表3。

表3 鄭州部分區(qū)域形變量

2.2.3 其他DEM形變量信息情況

基于不同源不同精度DEM的鄭州市部分區(qū)域沉降圖見(jiàn)圖4。

不同分辨率DEM形變量信息見(jiàn)表4。

2.3 特殊區(qū)域內(nèi)的形變結(jié)果對(duì)比

在google earth中獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域中選取若干點(diǎn)的坐標(biāo)，將已知點(diǎn)坐標(biāo)和不同的DEM參與所獲取的沉降圖導(dǎo)入ArcGIS中，提取出已知點(diǎn)實(shí)際的沉降值。由于沒(méi)有準(zhǔn)確的DEM的數(shù)據(jù)，以最高精度的ALOS的沉降圖為基準(zhǔn)，以沉降量范圍內(nèi)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與其他DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5是所選取的部分具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表4 鄭州部分地區(qū)形變量m

由表5結(jié)果可以看出，基于ASTER-GDEM和GDEMDEM的監(jiān)測(cè)形變結(jié)果的形變量平均絕對(duì)值誤差比較小，且在鄭州南部和東部的形變量差值較小，在鄭州火車(chē)站和鄭州東站的形變量為0，在鄭州北部即黃河區(qū)域附近形變量較大。在七組數(shù)據(jù)中，如果以ALOS數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，ASTER-GDEM和GDEMDEM的平均絕對(duì)值誤差最小，是實(shí)驗(yàn)中的精度較高的DEM。

由表6結(jié)果可以看出，基于ASTER-GDEM和GDEMDEM的監(jiān)測(cè)形變結(jié)果的形變量均方差比較小，在鄭州南部和東部的形變量差值較小，在鄭州火車(chē)站和鄭州東站的形變量為0，在鄭州北部即黃河附近形變量差距較大。在七組數(shù)據(jù)中，如果以ALOS數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，ASTER-GDEM和GDEMDEM的均方差比較小，是實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定性較高的DEM。

表5 不同分辨率DEM平均絕對(duì)值誤差比較

表6 不同分辨率DEM均方差比較

本文通過(guò)合成雷達(dá)干涉差分測(cè)量，基于“二軌法”的基本原理，對(duì)所測(cè)量的地區(qū)的形變監(jiān)測(cè)進(jìn)行論述。因?yàn)槎壏―-InSAR受到DEM精度及干涉相位等誤差的影響，所以一個(gè)精度相對(duì)較高的DEM對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果影響是很大的。ASTER-GDEM和GDEMDEM在監(jiān)測(cè)平原地區(qū)時(shí)，有著較好的穩(wěn)定性以及監(jiān)測(cè)質(zhì)量，在山地以及河流附近，監(jiān)測(cè)誤差較小，平原地區(qū)，差距還是比較大。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到獲取途徑以及精度的影響，GDEMDEM為當(dāng)下精度比較高的DEM。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在2019.03～2019.12期間，鄭州市大部分地區(qū)呈現(xiàn)抬升狀態(tài)，其形變量較小，在鄭州市北部(黃河)附近存在著較大的抬升量且抬升值在0.002 7 m與0.140 1 m之間；鄭州市西南部呈現(xiàn)沉降狀態(tài)且沉降量在0.002 7 m與0.032 6 m之間。鄭州市中部區(qū)域地勢(shì)平坦，形變監(jiān)測(cè)中呈現(xiàn)結(jié)果比較小且穩(wěn)定的略微抬升。

2)從不同源同精度、同源不同精度以及其他情況這三個(gè)方面進(jìn)行研究，以ALOS形變結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，可以觀察到GDEMDEM的監(jiān)測(cè)結(jié)果是與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的變形量最為相近的，而且獲取途徑較為簡(jiǎn)單，可用于形變監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單分析與應(yīng)用。

3)根據(jù)多個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域相互比較可看出在東坪煤礦附近出現(xiàn)了較為明顯的沉降，沉降最大值為0.032 6 m，黃河附近的呈現(xiàn)較為明顯的抬升，抬升最大值為0.1401 m。根據(jù)煤礦區(qū)開(kāi)采沉陷遙感監(jiān)測(cè)分析可知，在煤礦附近由于煤礦開(kāi)采，進(jìn)而出現(xiàn)了較為明顯沉降。黃河附近由于黃河淤泥的沉積，出現(xiàn)了較大的抬升量。

4)由人為因素、地理位置因素以及自然因素等影響可知，研究一個(gè)區(qū)域的形變量，不能從單一的因素來(lái)評(píng)價(jià)，要從多個(gè)方面對(duì)引起其形變量進(jìn)行分析。例如：高鐵站的形變量不僅與高鐵的高速運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而且和高鐵站所在位置的地下水位壓強(qiáng)也存在著一定關(guān)系。