基于D-InSAR技术的黑山峡地区地表沉降监测研究.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:宁夏自然科学基金(编号:AA C )作者简介:石慧群(),女,硕士,主要从事水利防灾减灾研究.通讯作者:火炳亮(),男,博士,副教授,主要从事节水灌溉和生态水文方面研究.基基于于DD II nn SS AA RR技技术术的的黑黑山山峡峡地地区区地地表表沉沉降降监监测测研研究究石慧群,王炳亮,万思思(宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川 )摘要:由于黑山峡地区极易发生地质灾害,选用该区域 年的三期S e n t i n e l 卫星数据,利用DI n S A R技术进行了处理.通过比较两期形变,由此得到了黑山峡地区在三期数据的、时间间隔内的地表平均形变量分别为 ,和 ,个时段数据的结果比较表明:此区域的沉降分布通常是一致的,并且范围有显著的收缩趋势.关键词:黑山峡;D i n s a r;二轨法;地表沉降中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()S t u d yo nM o n i t o r i n gL a n dS u b s i d e n c e i nH e i s h a nG o r g eA r e ab a s e do nD I n S A RT e c h n o l o g yS h iH u i q u n,W a n gB i n g l i a n g,W a nS i s i(S c h o o l o fC i v i la n dH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,N i n g x i aU n i v e r s i t y,Y i n c h u a n,N i n g x i a ,C h i n a)A b s t r a c t:D u e t o t h eh i g hv u l n e r a b i l i t yt og e o l o g i c a l h a z a r d s i nt h eH e i s h a nG o r g ea r e a,t h e t h r e ep h a s e so f S e n t i n e l s a t e l l i t ed a t a f o r w e r e s e l e c t e d f o r p r o c e s s i n gu s i n gD I n S A Rt e c h n o l o g y B yc o m p a r i n gt h e t w op e r i o d so fd e f o r m a t i o n,t h e r e s u l t i n gm e a ns u r f a c ed e f o r m a t i o nv a r i a b l e s f o r t h eB l a c kH i l l sG o r g ea r e ad u r i n gt h ea n dt i m ei n t e r v a l so ft h et h r e ep e r i o d so fd a t aw e r e ,a n d ,r e s p e c t i v e l y C o m p a r i s o no f t h er e s u l t so f t h et w ot i m ep e r i o d so fd a t a i n d i c a t e s t h a t t h ed i s t r i b u t i o no f s u b s i d e n c e i nt h i sa r e a i sg e n e r a l l yc o n s i s t e n t a n dt h e r e i sas i g n i f i c a n t t r e n do f s h r i n k a g e i ne x t e n t K e yw o r d s:H e i s h a nG o r g e;D i n s a r;t w o t r a c km e t h o d;s u r f a c es u b s i d e n c e 引言对于非瞬发性自然灾害,从孕育到发生需要一定的时间,及时准确的灾害预警可以有效减少灾害损失.滑坡是一种常见的地质灾害,对人类的生命财产造成巨大的损失.地质监测通过监测地表的形变、地下水位、地震活动等指标,可以有效地探测滑坡的形成和演化趋势.地质灾害监测的目的包括:预防灾害:通过对地质灾害的监测,可以及时发现灾害隐患,采取相应的预防措施,避免灾害的发生;预警灾害:通过对地质灾害的监测,可以及时发现灾害的迹象,提前预警,减少灾害造成的损失和危害;灾后救援:灾害发生后,地质灾害监测可以提供灾害信息,指导救援工作,减少灾害造成的生命财产损失;灾后重建:地质灾害监测可以提供灾害影响范围和程度的信息,为灾后重建提供科学依据.综上所述,地质灾害监测是保障人民生命财产安全的重要措施,也是推动经济社会可持续发展的必要手段.遥感是一种通过对地球表面采集的电磁波进行分析,获取地物信息的技术.在地表形变监测方面,遥感技术可以用于获取大范围、高空间分辨率和时间序列的地表形变信息.遥感技术在地表形变监测中具有重要作用,不同的遥感技术可以根据不同应用需求进行选择和组合使用,以实现更全面、准确的监测.I n S A R是一种用于测量地球表面形变的遥感技术.利用合成孔径雷达(S A R)卫星发射的电磁石慧群,等:基于D I n S A R技术的黑山峡地区地表沉降监测研究绿色创新研究:工程与技术波对地表进行连续观测,并通过比较不同时间的雷达反射信号来检测和测量地表的高程变化,可以用于监测地震、火山活动、地下水抽取以及沉降等现象.I n S A R技术在地质灾害监测、地质资源勘探、城市变化分析等方面也有广泛应用.合成孔径雷达干涉测量法主要是从地面雷达系统发展而来的.二战期间,为了完成军事侦察任务,雷达系统开始被用于侦察地面目标.后来出现了 实孔径雷 达(R A R)系统,但其方位分辨率有限,无法满足需求.年,C a r lW i l e y发明了多普勒频移技术开启了新局面,合成孔径雷达(S A R)应运而生.世纪 年代,发达国家相继开展了机载、空间和空间S A R成像技 术试验,并 相继发射了 多 颗 自 己 的S A R卫星系统.年,美国发射的S e a s a t A奠定了卫星搜救系统研究基础.年代至 世纪初,欧洲S A R系统取得长足进步,E S A发射了两颗C波段卫星E R S和E R S,以及 年发射的E NV I S AT卫星.长期以来,人们往往忽视相位信号,直到 世纪 年代干涉测量法引入S A R技术的三维重建.在 年,G r a h a m提出使用雷达干涉测量来重建地球的三维图像.然而,I n S A R技术在随后的几十年里发展相对缓慢,直到D I n S A R技术的出现.DI n S A R代表差分干涉合成孔径雷达(d i f f e r e n t i a l i n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r)技术,是一种使用合成孔径雷达(S A R)数据来监测地面变形的遥感技术.与常规的I n S A R技术不同,DI n S A R比较两组或多组S A R图像之间的相位差异,以确定地面的高度变化量.DI nS A R可以用于监测大范围的地表变形,如构造活动、岩溶塌陷、地下水抽采引起的地面沉降、冰川运动等,并且对于在一些区域受到气象条件和其他可变 因 素 影 响 的 情 况 下 进 行 地 面 变 形 监 测,D I n S A R尤其有用.年,G a b r i e l等首次成功应用D I n S A R技术监测加州地面变形.年,刘国祥等成功证明了该技术的可靠性,并利用D I n S A R技术监测香港赤鱲角机场近一年的变形空间分布信息.年,姜岩等概述了I n S A R技术在全球的进展,并以德国矿山为例反映了其实际应用效果.从此之后,我国监测矿区沉降开始应用D I n S A R技术,并在 、年进行了大同市南郊和陕西矿区的监测和测量.年,W a n g等 提出将D I n S A R概率积分模型与偏移量跟踪相结合,验证了其准确性.D I n S A R通过计算个不同时间的S A R图像之间的相位差来估计地表的形变.DI n S A R技术在地质灾害监测、城市变形分析、油田开采等领域有着广泛的应用.差分干涉合成孔径雷达技术相较于其他检测地表形变的方法有如下优点:非接触性:D I n S A R技术不需要接触地表就可以获取地表形变信息,避免了人为干扰和安全隐患.全天候性:合成孔径雷达(S A R)可以在任何天气条件下获取数据,因此D I n S A R技术的监测能力不受天气限制.高精度:D I n S A R技术的空间分辨率和灵敏度高,可以检测到亚厘米级别的地表形变,对于监测地质灾害、城市沉降等问题非常有效.大范围性:D I n S A R技术可以覆盖较大的区域,如整个城市或矿区,以及远离地面测量点的区域.时间序列:D I n S A R技术可以获取多次S A R图像并形成时间序列数据,从而可以实现长期监测和分析形变趋势.综上所述,D I n S A R技术具有非接触性、全天候性、高精度、大范围和时间序列等优点,使得它成为地表形变监测中最常用、最有效的技术之一.D I nS A R技术基本原理“二轨法”差分干涉技术运用领域最广,二轨法可以使用个不同时间的S A R图像,通过计算这个图像之间的相位差来估计地表的形变,其基本原理是:当S A R信号穿过地表时,会受到地表物体的反射和散射影响,导致信号的相位发生变化.如果在不同时间内获取了个S A R图像,它们之间的相位差可以被看作是地表形变对S A R信号相位的影响.然而,由于大气、离子层等因素的影响,这种相位差并不完全反映地表形变,因此需要进行额外地校正处理.DI n S A R二轨法需要考虑一些因素,如次采集数据的时间、地球自转、卫星运动等,通过处理这些因素可以计算出地表形变的量级.而D I n S A R求解地面形变需满足的条件有地形相位可以通过适当的方法去除、大气效应足够小或存在有效的方法减弱或抑制大气效应和噪声在可接受范围内.通常情况下,干涉相位包含地形相位、平地相位、大气延迟相位、噪声相位及地表形变相位部分,计算公式为:t o p od e ff l a ta t m on o i s e()式()中,t o p o为地形起伏引起的地形相位;d e f 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期表示地表形变引起相位;f l a t为平地场相位;a t m o表示大气延迟相位;n o i s e为噪声相位.I n S A R系统误差来源包括大气延迟误差、失相干误差、轨道误差和D EM误差.大气层误差:大气层中水汽和其他气体引起的折射率变化,导致雷达波传播速度改变,从而产生相位延迟或变化,大气延迟误差由电离层延迟和对流层延迟组成,主要包括以下个方面:大气延迟误差:由于空气中水汽和其他气体会引起雷达波传播速度的改变,从而导致干涉相位测量的误差.这种误差通常表现为一种低频的相位扰动,可通过基准点差分技术或者使用G P S参考数据进行校正;大气非均质性误差:大气层中存在温度、湿度等参数的空间变化,这些变化会引起雷达波在传播过程中路径长度和角度的变化,从而导致I n S A R相位测量误差.这种误差通常表现为高频的相位扰动,可通过使用多时相S A R数据对比分析或者大气模型进行校正.大气层误差在I n S A R相位测量中是一个比较严重的误差来源,特别是在具有高空气湿度、高温差及复杂地形的区域,影响更加明显.为了降低大气层误差的影响,通常采用较长基线的S A R数据、使用多时相S A R数据差分处理、利用G P S等参考数据进行校正等方法来提高I n S A R相位测量的精度.失相干误差(也称为时间差异误差)是指由于S A R数据获取的时间间隔过长,导致同一地物在次采集时的光学特性发生了变化,使得次采集的S A R影像失去了相干性.这会导致相位差的随机分布,从而影响I n S A R相位的准确测量.失相干误差包括多普勒中心退相干、时间和基线退相干、热噪声退相干等.失相干误差通常由以下因素引起:地表的不稳定性和变化:例如植被生长、水面变化、冰川融化等;S A R数据采集时间间隔过长:若时间间隔过长,则同一地物在次采集时可能会发生大量的变化,从而导致相干性丧失;S A R信号质量:若S A R信号质量较差,则容易受到噪声和干扰的影响,进而导致失相干误差的产生.失相干误差对I n S A R相位测量的精度有很大的影响,特别是对于需要高精度的地表形变监测应用来说,失相干误差是一个重要的误差来源,可以采用数学模型或滤波方法进行校正.轨道误差(也称为几何误差)是指由于卫星轨道参数不准确或者卫星姿态发生变化,导致雷达波传播路径长度和方向发生变化而引起的相位测量误差.主要包括以下两个方面:轨道位置误差:卫星轨道位置参数的精度不高或者卫星姿态发生了变化,可能会导致雷达波在反射时所经过的路径长度和角度与预期不同;星基干涉误差:由于卫星之间的差异,即使在相同时间采集数据,不同的卫星也可能在相位上存在微小的偏差,这种误差被称为星基干涉误差.轨道误差在I n S A R相位测量中是一个比较严重的误差来源,特别是对于需要高精度监测的应用来说,影响尤为明显.为了降低轨道误差的影响,通常采取对卫星轨道进行精确建模、选择合适的参考数据源、提高相位测量的信噪比等方法来提高I n S A R相位测量的精度.D EM(数字高程模型)误差是指由于D EM数据不准确或者精度不足,导致相位测量误差而产生的误差.D EM误差主要包括以下个方面:水平位置误差:地形起伏较大的区域,如山区、峡谷等,其地形变化可能会导致雷达波在反射时所经过的路径长度和角度与预期不同;立体效应误差:因为I n S A R技术是利用S A R干涉相位进行高程反演,所以当地表上的高程差异越大,相位差也就越大.如果D EM的空间分辨率和垂直分辨率不够高,则无法充分反映地形的细节信息,从而引起I n S A R相位测量误差.D EM误差在I n S A R相位测量中也是一个比较严重的误差来源,特别是对于复杂地形的区域,影响更加明显.为了降低D EM误差的影响,在进行I n S A R相位处理之前,通常需要通过多种手段获得更准确的D EM数据,并对数据进行精细的校正和调整,以提高I n S A R相位测量的精度.可以通过提高D EM精度、改进地形相位模型等方式减小误差.研究区及数据集介绍 研究区概况黄河黑山峡河段位于甘肃省宁夏回族自治区交界处.河段自甘肃靖远县兴隆乡大庙村至宁夏中卫市沙坡头区甘塘镇孟家湾村,全长 k m,其中甘肃境内长 度 k m(含 两省区 共 用 长 度 k m),宁夏 k m.河段以上控制流域面积 k m,占全河流域总面积的.多年平均径流量 亿m,占黄河总径流量的.多年平均输沙量 亿t,约为黄河总输沙量的/.黑山峡库区位于黄河中游,是一个典型的冲积平原峡谷地形.该区域地层构造复杂、岩性不均、土石松散,再加上长期的开发和自然力的侵蚀作用,导致石慧群,等:基于D I n S A R技术的黑山峡地区地表沉降监测研究绿色创新研究:工程与技术了该地区频繁发生各种地质灾害.具体包括:滑坡:黑山峡库区山地丘陵较为陡峭,土石松散,再加上气候因素和人为因素的影响,容易引发山体滑坡等灾害;崩塌:该地区存在着一些高边坡、陡坎等易崩塌的地形地貌,如遇暴雨等自然因素或人类活动,容易发生崩塌、滑坡等灾害;地面沉降:由于该地区是黄河中下游平原的一部分,受到了黄河泥沙淤积和地下水开采等因素的影响,容易发生地面沉降现象;地震:该区域处于黄土高原和华北平原之间,是地震多发区,地震也是该地区发生地质灾害的重要因素.由此可知,黑山峡库区地质灾害频繁,种类较多,需要采取有效的监测、预警和防治措施.在该区域进行开发和利用时,也应充分考虑地质条件和自然环境的影响,提高防范意识,加强管理和技术支持,保障人民群众生命财产安全.数据集介绍为了获取黑山峡地表沉降信息,数据集选择了欧空局C波段的期成像时间相隔较近的S e n t i n e l A雷达波多视数据,成像时间分别为 年月 日(期)、年月 日(期)、年月日(期),接收模式I W,极化方式VH,分辨率为m m,见表.进而获取、时间段内的地表形变状况.表期S e n t i n e l A雷达重复升轨影像获取卫星产品级别成像日期极化方式接收模式分辨率/mS e n t i n e l AS L C VHI W S e n t i n e l AS L C VHI W S e n t i n e l AS L C VHI W 研究区地表沉降监测利用S e n t i n e l A卫星的重复上升轨道雷达图像和欧洲航天局卫星精密轨道参数文件结合D EM测量数据进行定位,利用I n S A R工作流程获取测量区域的D EM数据.使用二轨DI n S A R工作模式,根据图的流程得到研究区域表面沉降形变量数据.图D I n S A R两轨法工作流程进行基线估计,在I n S A R技术中,基线是指次采集的S A R数据之间的距离差,对于干涉相位的计算和地表形变的分析至关重要.因为不同基线的大小和方向会影响干涉相位的准确性和清晰度.基线估计是I n S A R技术中非常重要的一个环节,正确的基线估计可以提高干涉相位的精度和可靠性,进而对地表形变的分析提供更准确的数据.研究区雷达干涉主从影像的估算结果显示,、时间段基线长度分别为 和 m,小于临界基线 和 m.雷达波一次变换可监测地表形变的敏感度为 m.主影像入射角为 和 .由估算结果可以看出,研究所选择的个雷达干涉像对的数据质量达到了干涉测量的技术要求,再分别进行干涉处理并选用G o l d s t e i n滤波算法进行滤波处理.滤波前后对比可发现,条纹更加清晰,可以更加直观地观察.研究区选用最小二乘法(M i n i m u mc o s tF l o w)进行相位解缠,并设解缠阈值为.在图像周边地势平坦的地方选择 个控制点,控制点在研究区内均匀分布.采用的轨道精 炼方法为A u t o m a t i cR e f i n e m e n t,并经过次多项式校正后,得到轨道的均方差为 m,去除残差后的平均差为 m,除去残差后的标准残差为 m;轨道的均方差为 m,除去残差后的平均差为 m,除 去 残 差 后 的 标 准 残 差 为 m.这些结果比较理想.将经过绝对校准和解缠的相位,结合合成相位,转换为形变数据以及地理编码到制图坐标系统,利用A r c g i s可处理出代表、时间段研究区形变监测图,分别如图和图.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期图时段黑山峡地区形变监测图时段黑山峡地区形变监测 结论利用S e n t i n e l A数据,基于差分干涉技术获取了黑山峡地区 年月的地面沉降量分布情况.发现研究区在三期数据的、时 间 间 隔 内 的 地 表 平 均 形 变 量 分 别 为 ,和 ,负号表示地表正在远离雷达传感器而正号表示地面正在向雷达传感器移动.比较个时期的变形结果,发现沉降区位置分布通常是一致的,范围有明显的收缩趋势.在两期的形变结果中都显示了最 大沉降量超 过c m,其中 第二期 到第三期的最大沉降量高达 c m.为了对未来可能的沉降趋势进行预测以及时采取相应的措施应对可能发生的地表沉降灾害,未来将用时序i n s a r进行监测.参考文献:陈吉庭星载S A R几何精校正技术研究D长沙:国防科学技术大学,莫莹基于时间序列I n S A R技术的南昌市地面沉降监测及风险评估D上海:东华理工大学,B a m l e rR,H a r t l P S y n t h e t i c a p e r t u r e r a d e r i n t e r f e r o m e t r yJJ o u r n a l o fS o c i e t yo f I n s t r u m e n t&C o n t r o lE n g i n e e r s,()G r a h a m L C S y n t h e t i ci nt e r f e r o m e t e rr a d a rf o rt o p o g r a p h i cm a p p i n gJ P r o c e e d i n g so f t h e I E E E,():G a b r i e lAK,G o l d s t e i nR M,Z e b k e rH AM a p p i n gs m a l l e l e v a t i o nc h a n g e s o v e r l a r g e a r e a s:d i f f e r e n t i a l r a d a r i n t e r f e r o m e t r yJ J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h:S o l i dE a r t h,:石慧群,等:基于D I n S A R技术的黑山峡地区地表沉降监测研究绿色创新研究:工程与技术 刘国祥,丁晓利,陈永奇,等使用卫星雷达差分干涉技术测量香港赤腊角机场沉降场J科学通报,():姜岩,高均海合成孔径雷达干涉测量技术在矿山开采地表沉陷监测中的应用J矿山测量,():郭山川,侯湖平,张绍良,等 D I n S A R的黄土高原矿区地表形变监测J测绘科学,():成晓倩,马超,康建荣,等联合DI n S A R和P I M技术的沉陷特征模拟和时 序分析J中国 矿 业 大 学 学 报,():W a n gL,D e n gK,Z h e n g M R e s e a r c ho ng r o u n dd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gm e t h o di nm i n i n ga r e a su s i n gt h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a lm o d e l f u s i o nD I nS A R,s u b b a n d I nS A Ra n do f f s e t t r a c k i n gJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fA p p l i e dE a r t hO b s e r v a t i o na n dG e o i n f o r m a t i o n,张国栋,龙海涛,易庆林,等基于地表位移监测成果的水库型滑坡变形机制分析J水利学报,(S):张国军,宋天华关于黄河黑山峡河段开发的思考及建议J水利发展研究,():M o r aO,M a l l o r q u i J,B r o q u e t a sA L i n e a ra n dn o n l i n e a r t e r r a i nd e f o r m a t i o n m a p sf r o m ar e d u c e ds e to fi n t e r f e r o m e t r i cS A Ri m a g e sJ I E E ET r a n s a c t i o n so nG e o s c i e n c e&R e m o t eS e n s i n g,():P e p eA,M a n z oM,C a s uF,e ta l S u r f a c ed e f o r m a t i o no fa c t i v ev o l c a n i ca r e a sr e t r i e v e dw i t ht h eS B A SD I n S A Rt e c h n i q u e:a no v e r v i e wJA n n a l so fG e o p h y s i c s,()彭飞长江口南汇潮滩土壤湿度遥感研究D上海:上海海洋大学,杨桓基于TM S C 的实时S A R成像算法实现D西安:西安电子科技大学,周平,唐新明,曹宁,等 S R TM约束的无地面控制立体影像区域网平差J测绘学报,():隋立春,徐花芝,李建武德国新型雷达遥感系统T e r 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