邓晓景，邢立鹏

基于时序InSAR技术的淄博地面沉降监测研究

邓晓景1，邢立鹏2

（1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255000；2.淄博国土调查测绘有限公司，山东 淄博 255000）

淄博地区地下煤炭和水资源储量比较丰富，由于近年来人们大量开采地下资源，淄博地区逐渐出现地面沉降现象。以淄博地区作为研究对象，获取2007-10—2011-02的25景ALOS PALSAR雷达影像升轨数据，采用PS-InSAR和SBAS-InSAR两种时序InSAR技术，分别得到该地区地表形变场。监测结果显示，淄博地区存在四个沉降区域，其中最大沉降速率为每年180 mm。对比分析可知，两种不同的时序InSAR技术的监测结果有高度的一致性，通过与SDCORS站观测数据进行精度验证，发现PS-InSAR监测结果精度高于SBAS-InSAR监测结果。

地面沉降；PS-InSAR；SBAS-InSAR；精度验证

1 引言

传统地面沉降监测手段以水准和GPS测量为主，近些年来合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术快速崛起，逐渐发展成为现代地面沉降监测的主要应用手段[1]。1998年，FERRETTI等人提出了永久性散射体差分干涉测量（PS-InSAR）技术，该方法重点关注雷达影像中稳定性强的永久散射体，通过实验对PS-InSAR技术的适用性展开验 证[2]，成功获取了Ancona地区的形变速率场，监测到该地的重点沉降区，并通过传统测量手段验证了PS-InSAR技术对地面沉降的监测精度为毫米级。2002年，BERARDINO等人对PS-InSAR技术进行改进，提出小基线集差分干涉测量（SBAS-InSAR）技术[3]，从一定程度上减弱了空间去相干对提取PS点的影响，能够提高PS点密度，从而得到更好的监测结果。

本文利用2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR SLC存档数据，综合应用PS-InSAR和SBAS-InSAR技术，结合SDCORS站观测数据，研究淄博地区的地面沉降详情，从定性和定量角度分析淄博地区地面沉降的时空分布特征，为淄博市地面沉降防治和城市建设提供一定的技术支持。

2 研究区数据介绍

本文的影像覆盖区域为淄博中部地区，总面积约为 2 000 km2。选取2007-10—2011-02的25景ALOS-PALSAR雷达影像升轨数据，影像的极化方式为HH极化，同时，为保证有效地模拟地形信息，参与数据处理地形数据选择的是30 m分辨率的STRM DEM数据。

3 实验分析

3.1 PS-InSAR数据处理过程

实验综合考虑时空基线对干涉像对的影响，选取2010-01-08的SLC影像作为主影像，其他SLC影像作为辅影像与主影像进行配准和干涉处理，得到24幅干涉图，各干涉像对的空间基线均小于1/2 ALOS PALSAR数据的空间基线阈值，保证了干涉像对的质量，其中最短空间基线为321.939 m，最长空间基线为3 564.540 m。利用STRM DEM与24幅干涉图进行差分，初步去除地形相位，生成24幅差分干涉图。在PS点筛选方面，实验采用振幅离差指数法与设定相干系数阈值相结合的方法来提取相干点目标，提高了低相干区域PS点的密度和估算精度。实验将PS候选点目标网格化，将影像覆盖范围划分为339个子区域，在每个子区域选择1个振幅离差小于0.1的参考地面控制点，消除干涉图中恒定的相位偏移值；通过设定幅度图中的相干性阈值来筛选PS候选点，并对这些点的空间相关误差和空间非相关误差进行估计，选择相位稳定性好的点作为最终的PS点；去除估计的误差并利用Minimum Cost Flow方法进行相位解缠，获取真实形变相位；通过时间域的高通滤波和空间域的低通滤波消除大气相位差、DEM残差和轨道误差，最后进行地理编码，得到垂直方向各PS点的形变速率。

3.2 SBAS-InSAR数据处理过程

基于SBAS-InSAR技术对25幅雷达影像进行差分干涉处理，干涉像对的时间基线阈值设置为365 d，空间基线为临界基线的45%，将25景雷达影像和DEM分别进行差分干涉处理，去除平地相位和地形误差，共生成116幅差分干涉图，根据小基线集原则组成小基线差分干涉图集。在生成的小基线集中，最小时间基线为46 d，最大时间基线为 322 d，最小空间基线为50 m，最大空间基线为4 307 m。为了提取稳定性较高的相干点目标，在幅度图中设定幅度分布指数阈值为0.6，在相干系数图中设置相干性阈值为0.75，由此筛选SDFP候选点；在对空间相关误差和空间非相关视角误差进行估算的基础上，通过估算SDFP 候选点的相位稳定性，确定稳定性高的SDFP点；去除地形残差和轨道误差，利用Minimum Cost Flow方法进行相位解缠，获得真实的形变相位；采用SVD法求解各PS点的形变速率；在得到形变速率的基础上，对提取到的PS点进行后置滤波，估计大气效应对不同时间段形变结果造成的误差大小，从形变结果中去除每个时间段大气效应的影响，最终获得淄博市的地表形变场。

4 研究结果分析

PS-InSAR淄博沉降速率如图1所示。PS-InSAR技术监测到的淄博地区2007-10—2011-02期间的地表形变，实验发现淄博地区存在四个沉降较大的区域。其中，沉降区1位于张店区东北部与临淄区的交界处，最大沉降速率为每年 37 mm；沉降区2位于张店区西南部与淄川区北部，最大沉降速率为每年66 mm；沉降区3位于周村区西南部与淄川区西部交界地带，最大沉降速率为每年45 mm；沉降区4位于博山北部与淄川中部，最大沉降速率为每年60 mm。通过统计分析发现，淄博范围内大部分PS点的沉降速率低于每年10 mm，平均沉降速率为每年6 mm，最大沉降速率为每年66 mm，说明淄博地区地面沉降空间分布差异较大，地面沉降不均衡。

图1 PS-InSAR淄博沉降速率图

SBAS-InSAR淄博沉降速率如图2所示。SBAS-InSAR技术监测到的淄博地区2007-10—2011-02期间的地表形变，与PS-InSAR技术的地面沉降监测结果相一致。最大形变点出现在淄川区西北部与周村区西南部的交界地带，最大沉降速率为每年180 mm。淄川区和博山区的大部分山区没有提取到PS点，周村区、张店区和临淄区的小部分区域PS点稀少，这与地面沉降监测的时间跨度太长（1 242 d）和筛选PS点时相干性阈值设置较高（0.75）有关。A、B、C为淄博地区沉降最为集中、沉降量较大的三个区域。

图2 SBAS-InSAR淄博沉降速率图

5 结果精度验证

实验利用现有的两个研究区内SDCORS站点的连续观测数据，对比分析PS-InSAR技术与SBAS-InSAR技术的监测精度。实验在SDZB站和ZCHW站周边100 m范围内各选取了一个与CORS站监测结果误差最小的形变点，将CORS监测结果作为观测真值，分析PS-InSAR和SBAS-InSAR在时间序列上的观测精度。两种方法与SDZB站观测结果对比如图3所示，2010-08-26—2011-02-26，SDZB站监测结果与时间序列InSAR监测结果共有4个相同的观测区间，2010-11-26，PS-InSAR的沉降监测结果与SDZB站监测结果的误差最小，为﹣0.2 mm，2010-10-11，PS-InSAR的沉降监测结果与SDZB站监测结果的误差最大，为 1.4 mm；2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降监测结果与SDZB站监测结果的误差最小，为﹣0.88 mm，2010-11-26，SBAS-InSAR的沉降监测结果与SDZB站监测结果的误差最大，为﹣3.7 mm。

图3 两种方法与SDZB站观测结果对比

两种方法与ZCHW站观测结果比较如图4所示。

图4 两种方法与ZCHW站观测结果比较

2010-02-23—2011-02-26，ZCHW站监测结果与时间序列InSAR监测结果共有7个相同的观测区间，2011-01-11，PS-InSAR的沉降监测结果与ZCHW站监测结果的误差最小，为﹣0.1 mm，2011-02-26，PS-InSAR的沉降监测结果与ZCHW站监测结果的误差最大，为0.65 mm；2010-05-26，SBAS-InSAR的沉降监测结果与ZCHW站监测结果的误差最小，为0.5 mm，2011-02-26，SBAS-InSAR的沉降监测结果与ZCHW站监测结果的误差最大，为3.36 mm。综合分析可知，PS-InSAR和SBAS-InSAR的监测精度均为毫米级，且相对于SBAS-InSAR的监测结果，PS-InSAR的监测结果在形变量和形变趋势上与CORS站监测结果更加吻合，证明PS-InSAR的监测精度更高，这与SBAS-InSAR技术人工选取GCP点，容易引入偶然误差有关。

6 结束语

分析实验结果，可以得到如下结论：淄博市的地面沉降普遍存在且具有明显的空间分布特征，大部分区域的沉降速率每年小于10 mm，最大形变点位于淄川区西北部，沉降速率为每年180 mm。通过与SDCORS站数据的比较验证，证实PS-InSAR和SBAS-InSAR技术对淄博地区地面沉降的监测可以达到毫米级的精度，同时PS-InSAR的监测结果在形变量和形变趋势上与CORS站监测结果更加吻合，证明PS-InSAR的监测精度比SBAS-InSAR更高。

［1］岳建平，方露.城市地面沉降监控技术研究进展［J］.测绘通报，2008（3）：1-4.

［2］邢立鹏，曲国庆，黄洁慧，等.基于PS-InSAR技术的淄博市地面沉降监测［J］.山东理工大学学报（自然科学版），2019，33（2）：1-6.

［3］周志伟，鄢子平，刘苏，等.永久散射体与短基线雷达干涉测量在城市地表形变中的应用［J］.武汉大学学报（信息科学版），2011，36（8）：928-931.

P237

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.026

2095－6835（2020）09－0070－03

邓晓景（1995—），男，山东威海人，硕士研究生，研究方向为InSAR地表形变监测研究。

〔编辑：严丽琴〕